La ricerca svolta durante il triennio del Dottorato si è focalizzata essenzialmente a studiare caratteristiche e ruolodella radiazione fotosinteticamente attiva PAR (Photosynthetically Active Radiation), ovvero quella componente
della radiazione solare implicata nei processi fotosintetici e compresa fra 400 e 700 nm. Le misure PAR sono
necessarie in tutti i modelli per la stima della produzione primaria e, nonostante la sua importanza, non esiste una
rete di misure al suolo dedicata, ma viene spesso parametrizzata da misure di radiazione solare o da stime satellitari.
Il presente lavoro ha utilizzato misure acquisite presso la Stazione di Osservazioni Climatiche dell’ENEA sull’isola
di Lampedusa (35.52°N, 12.63°E; http://www.lampedusa.enea.it), nel Mediterraneo centrale dal 2002 al 2016.
Lampedusa, per la sua posizione geografica, è un sito interessante in quanto è rappresentativa di un ambiente
marino, è caratterizzata da lunghi periodi con condizioni di cielo sereno ed è spesso interessata da eventi di trasporto
atmosferico desertico provenienti dal Sahara.
Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è stato quello di sviluppare una metodologia che consentisse di ottenere
misure di lungo periodo e calibrate in situ, utili anche per le calibrazioni dei dati satellitari e gli studi in ambiente
marino.
La metodologia sviluppata ha coinvolto le misurazioni dei radiometri MFRSR (Multifilter Rotating Shadowband
Radiometer) aventi quattro delle bande di acquisizione ricadenti all’interno dell’intervallo spettrale PAR, combinate
linearmente al fine di ottenere dei coefficienti in grado di restituire misure calibrate PAR in differenti condizioni
atmosferiche, sia nella componente globale che in quella diffusa. In questo lavoro è stato fornito un importante
contributo sulla componente diffusa dell’irradianza PAR, la quale, secondo recenti studi, sembra avere un ruolo
importante nei processi di produzione primaria. I lavori e le misure disponibili però sono carenti e del tutto assenti
nel Mediterraneo centrale.
Al fine di comprendere gli effetti di nubi e aerosol sulla modulazione dell’irradianza PAR, sono state ricavate una
serie di proprietà ottiche delle nubi, da dati satellitari, e degli aerosol, utilizzando misure in situ e implementando
alcune metodologie esistenti. Le serie di lungo periodo sono state così analizzate evidenziandone la variabilità, il
rapporto con la radiazione solare e mettendo in evidenza gli effetti provocati dalle nubi e dagli aerosol atmosferici.
Queste analisi hanno condotto all’implementazione della metodologia per derivare serie PAR in condizioni di cielo
sereno a partire da misure acquisite in giornate parzialmente nuvolose, utili per studiare l’effetto delle nubi.
Per quanto attiene agli aerosol atmosferici, il contributo del presente lavoro di ricerca ha portato a determinare le
proprietà ottiche inserendo delle correzioni ad alcune metodologie già applicate, come avvenuto ad esempio per la
determinazione dell’albedo di scattering singolo. I valori di questo parametro sono stati calcolati per l’intero periodo
oggetto di studio tenendo conto della diffusione in avanti della radiazione causata da particelle di grande dimensione
in atmosfera, come quelle desertiche.
I dati disponibili hanno consentito anche di determinare l’effetto radiativo degli aerosol sia sulla componente
globale che su quella diffusa dell’irradianza PAR, con un contributo anche nell’ambito degli studi sul clima. Queste
informazioni sulla componente globale PAR sono state determinate per la prima volta nel sito di Lampedusa, e
costituiscono il primo studio effettuato sulla componente diffusa per la quale, a nostra conoscenza, non esistono
analisi precedenti.
Infine, con lo scopo di applicare le metodologie sviluppate ed investigare e quantificare il ruolo della radiazione
PAR in relazione alla produzione primaria nel Mediterraneo, ai contributi atmosferici ed a parametri marini quali
l’estensione della zona eufotica, la disponibilità dei nutrienti, ecc., dal 22 maggio al 10 giugno è stata realizzata la
campagna di misure PAMELA (Photosynthetic Actinic radiation Modulation Experiment at LAmpedusa) presso la
Stazione di Osservazioni Climatiche e presso l’Osservatorio Oceanografico (boa oceanografica situata a circa 3
miglia a Sud-Ovest rispetto a Lampedusa) dell’ENEA in collaborazione con l’Area Marina Protetta delle Isole
Pelagie ed i Dipartimenti di Chimica e Biologia dell’Università di Firenze. La campagna ha portato all’acquisizione
di numerosi campioni e misure chimico-fisiche e biologiche sia in atmosfera che in mare.
I risultati preliminari ottenuti hanno fornito contributi interessanti riguardanti l’irradianza scalare PAR nella colonna
d’acqua, con la determinazione dei coefficienti di attenuazione verticale k0 e della profondità della zona eufotica. Le
analisi biologiche hanno fornito le informazioni riguardanti la biomassa fitoplanctonica con misure di
concentrazione della clorofilla a, la determinazione dei coefficienti di assorbimento da parte del fitoplancton ma
anche della sostanza organica disciolta e delle particelle non algali. Sono state inoltre determinate le concentrazioni
dei nutrienti disponibili, utili nella determinazione del grado di oligotrofia dell’area di studio e dell’eventuale
presenza di elementi limitanti. E’ disponibile anche la composizione pigmentaria del popolamento fitoplanctonico,
che ha fornito le prime indicazioni sulla tipologia dei gruppi algali presenti. Le analisi chimiche, con una
metodologia implementata dal Dipartimento di Chimica dell’Università di Firenze, hanno fornito le prime
informazioni sui metalli presenti nelle acque superficiali, con particolare attenzione per il Fe, ritenuto uno dei fattori
limitanti nel processo fotosintetico e contenuto negli aerosol desertici. Infine, durante la campagna sono state
effettuate misure di fluorescenza da cui sono stati ricavati i parametri delle curve di fotosintesi-irradianza utili ad
ottenere una prima stima del tasso di produzione specifica normalizzata rispetto alla clorofilla a.
La campagna di misure ha gettato le basi per la caratterizzazione delle condizioni di fondo del sito, dal momento che
durante la campagna di misure le condizioni ambientali si sono mantenute piuttosto stabili e non si sono verificati
eventi di deposizione rilevanti. Inoltre ha fornito un importante contributo nella caratterizzazione ambientale sia a
livello chimico-fisico che biologico, con possibili ulteriori sviluppi nella comprensione degli effetti dovuti
all’apporto di nutrienti da parte degli eventi di deposizione atmosferica e dello stato fisiologico della popolazione
fitoplanctonica, avente effetti nelle emissioni di solfati in atmosfera agenti da nuclei di condensazione delle nubi.