Progetto ATMOFLEX (2018-2019)

a FCS è stata chiamata dall’Agenzia Spaziale Europea ESA, su procedura negoziale, a coordinare il progetto “Technical Assistance for the Deployment of Ground-based Instruments for Long term measurements of Red and Far-red Sun Induced chlorophyll Fluorescence” (ATMOFLEX) quale iniziativa preparatorie alla missione satellitare programmata per il lancio nel 2022.Il progetto è correlato alla prossima missione satellitare dell’ESA denominata EE8-FLEX (Earth-Explorer 8 – Fluorescence Explorer) che ha l’obiettivo di misurare dallo spazio una variabile fondamentale della biologia delle piante, ovvero la cosiddetta emissione di fluorescenza indotta dal sole (Solar Induced Fluorescence – SIF).

La SIF è una emissione naturale di luce (fluorescenza) che avviene quando le piante sono esposte alla radiazione solare. Essa può essere misurata sfruttando le bande di assorbimento dell’O2 atmosferico, ma il suo valore dipende in modo significativo dai processi di assorbimento e scattering atmosferici. Un corretto “retrieval” di SIF impone imperativamente, quindi, una conoscenza accurata delle condizioni atmosferiche e dei parametri dell’aerosol atmosferico. Ci sono diversi studi, nazionali e internazionali per definire schemi di validazione per i futuri prodotti satellitari di radianza e per prodotti di livello superiore (ad esempio mappe tematiche di variabili bio/geofisiche). Secondo Guillevic et al. (2014) l’approccio più classico per Cal / Val prevede un confronto diretto tra prodotti derivati da satellite con misure congiunte e simultaneamente acquisite da strumenti a terra e misurazioni a livello satellitare. Le misurazioni al suolo possono essere incorporate con altri dati di osservazione della terra, in genere con una risoluzione spaziale più elevata, o con immagini aeree per aumentare la validazione utilizzando bottom-up. Per quanto riguarda la missione FLEX, il confronto tra i prodotti di fluorescenza terrestri e satellitari richiede un’attenzione particolare in quanto il disallineamento tra i diversi sensori potrebbe introdurre distorsioni importanti, che potrebbero influire sulla strategia globale Cal / Val. Inoltre, l’importanza delle correzioni atmosferiche necessarie per il recupero della fluorescenza dallo spazio pongono ulteriori problemi che richiedono un’attenzione specifica per l’implementazione e l’attuazione di un’adeguata strategia di calibrazione / validazione a terra. Per implementare per prodotti consolidati (livello 2) della missione satellitare FLEX, è necessario stabilire una base di dati che fornisca misurazioni che consentano la convalida della caratterizzazione atmosferica e della successiva correzione atmosferica e la valutazione delle prestazioni del risultante di radianza. A tal fine devono essere raccolti dati sperimentali comprendenti misurazioni in situ, a terra e in telerilevamento per via aerea insieme a dati di Sentinel-3 e -2 per caratterizzare l’atmosfera e le radianze corrispondenti.

Proposta di approccio per raggiungere i principali obiettivi tecnici

Gli obiettivi tecnici di AtmoFlex sono:

  1. la misurazione delle radianze in TOA e TOC e i dati ausiliari collocati dei parametri atmosferici chiave;
  2. l’analisi di quei dati che valutano l’affidabilità del recupero dei parametri atmosferici;
  3. l’uso di tali stime per il retrieval di dati fluorescenza in varie condizioni atmosferiche;
  4. fornire stime di incertezza per i diversi livelli di dati di dati a partire da radiazioni TOA;

La campagna AtmoFlex intende dimostrare il valore, i potenziali e i benefici della combinazione di misure a lungo termine di fluorescenza di superficie e proprietà atmosferiche in tre siti principali in Europa. L’attività pianificata e i risultati che verranno ottenuti forniranno un prototipo di sistema per le future attività Cal / Val a lungo termine da attuare nel quadro della missione FLEX Satellite. AtmoFlex testerà e verificherà oltre 18 mesi i limiti e i rischi associati alle misurazioni continue della fluorescenza a terra, l’adeguatezza del recupero della fluorescenza in una varietà di condizioni e per un periodo di tempo sufficientemente lungo, nonché lo sviluppo / implementazione di un adeguato analisi dei dati e sistema di archiviazione dei dati che diventerà una risorsa fondamentale di qualsiasi futura attività Cal / Val nell’ambito della missione FLEX.

Obiettivi dettagliati di AtmoFlex

  • Fornire una base di dati sperimentale indipendente per dimostrare che la correzione atmosferica e lo schema di retrieval di SIF di FLEX / S-3 consente di recuperare in modo affidabile SIF;
  • Sviluppare e valutare una strategia su come dotare e campionare siti omogenei ed eterogenei con strumentazione per consentire un approccio cal / val integrato per FLEX (in sinergia con piani cal / val s2 / s3);
  • Interagire con altri studi relativi alla missione ESA- per mettere a punto e ottimizzare lo schema di correzione atmosferica FLEX / S-3;
  • Installare 4 + 2 sistemi di misurazione della fluorescenza (FloxBox) nei seguenti tre siti: Groseto- Italia, St.Michel L’Observatoire – Francia, Selhausen, Forschungszentrum Jülich e Campus Klein-Altendorf – Germania;
  • Generare robusti prodotti di fluorescenza da misure di spettroscopia di campo continua, utilizzando algoritmi SpecFit. In particolare l’emissione totale di fluorescenza integrata sull’intero spettro di emissione, cioè 650 – 800 nm.

Attività addizionali di campagne aeree ESA-2018

Le attività della campagna estiva di voli (FlexSense-2018) si è concentrata sulla raccolta di dati aerei rilevanti su siti di monitoraggio rappresentativi. Il progetto AtmoFlex ha completato questa attività per mezzo di misurazioni concomitanti a terra eseguite presso i siti AtmoFlex in intervalli di tempo compatibili con le diverse missioni spaziali e aviotrasportate per un periodo più lungo (ad esempio 2 mesi) al fine di campionare la variabilità nello spazio ( compresa la vegetazione, i terreni e l’atmosfera) e il tempo. Per coprire adeguatamente l’elaborazione dei dati richiesta, è stata stabilita una forte collaborazione con diverse comunità che si basano sull’esperienza delle attività precedentemente pianificate nel contesto dello sviluppo di missioni e delle attività di calibrazione / convalida per esistenti (es. Sentinel-2, Sentinel-3) e future missioni (es. FLEX). Il focus dell’attività è sulla elaborazione dei dati della vegetazione e dei componenti atmosferici (ad esempio fluorescenza, temperatura superficiale del terreno, contenuto di clorofilla, ecc.) Che sono stati monitorati durante la campagna aerea.

La sinergia tra campagne aeree e terrestri ha riguardato cinque diversi siti di studio in tutta Europa che si trovano nelle posizioni ideali per trarre vantaggio dai passaggi di Sentinel-3 (S-3) appositamente riprogrammato da ESA. Il progetto FlexSense ha mappato questi siti con il pacchetto aviotrasportato costituito da HyPlant e un sensore TASI e LIDAR a bordo di un aereo di ricerca del Czech Globe e fornito dati terrestri aggiuntivi e critici. Tali dati sono stati acquisiti da giugno a ottobre 2018. Un piano di attuazione della campagna (CIP) è stato già fornito all’ESA. Esso offre una panoramica dettagliata dei siti di studio, degli strumenti utilizzati, dei protocolli di misurazione nonchè la procedura per l’analisi e la memorizzazione dei dati. Il progetto AtmoFlex intende sfruttare tutti i dati acquisiti in un set di dati coerente, completamente elaborato per recuperare e rendere disponibili tutti i dati di base richiesti, comprese le misurazioni di fluorescenza e termiche effettuate in alcuni siti. Questi siti includono Germania, Svizzera e Italia.

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COMMITTENTE
European Space Agency

PARTNERS
Fondazione per il Clima e la Sostenibilità
Forschungszentrum Juelich GmbH
Conseil National de le Recherche Scientifique
JB Hyperspectral Devices UG Haftungsbeschränkt
Università degli Studi di Milano Bicocca
University of Zurich