L'Agenzia Spaziale Italiana intende avvalersi delle conoscenze e delle competenze maturate dall'industria spaziale italiana nella progettazione e sviluppo di un Raman LIDAR per l'osservazione della Terra, con l'obiettivo di implementare una missione LIDAR, denominata CALIGOLA, dedicata all'osservazione della superficie terrestre, dell'atmosfera, gli oceani e le loro reciproche interazioni. CALIGOLA è l’acronimo di Cloud Aerosol LIDAR (Global Scale Observations of the Ocean-Land Atmosphere System) e mira a raccogliere un set di dati osservativi senza precedenti in grado di generare un enorme impatto sulle conoscenze scientifiche nei settori delle scienze atmosferiche, acquatiche, terrestri, criosferiche e idrologiche.
Le missioni spaziali dedicate alle applicazioni scientifiche sono di fondamentale importanza per l'ASI in quanto consentono di estendere le capacità di osservazione della Terra messe a disposizione della comunità scientifica, a livello nazionale e internazionale, e a consolidare la leadership dell'industria spaziale italiana nello sviluppo di sensori remoti attivi per l'osservazione della Terra.
L'intento è quello di sviluppare un Raman LIDAR all'avanguardia a tre lunghezze d'onda, che trae vantaggio dagli impulsi UV, visibili e infrarossi emessi da una potente sorgente laser Nd:YAG, e dallo sfruttamento di tutti i possibili echi elastici atmosferici/superficiali/oceanici ed echi anelastici stimolati con queste tre lunghezze d'onda.
Più specificamente, sulla base degli echi elastici (Rayleigh-Mie), fluorescenti e Raman LIDAR misurati dai costituenti atmosferici stimolati a 354.7nm, 532nm e 1064nm, CALIGOLA sarà in grado di eseguire misurazioni del profilo del:
- coefficiente di retrodiffusione delle particelle da aerosol e nubi a 3λ
• rapporto di depolarizzazione a 3λ,
• coefficiente di estinzione delle particelle a 355nm,
• coefficiente di retrodiffusione fluorescente delle particelle a 450-460nm
Sulla base delle misurazioni dei suddetti profili e di un ampio insieme di parametri ottici, CALIGOLA consentirà di determinare le proprietà microfisiche e dimensionali delle particelle sospese (aerosol e nubi) e facilitare la tipizzazione delle particelle atmosferiche.
Ulteriori obiettivi della missione includono lo sfruttamento degli echi elastici retro diffusi dalla superficie del mare e dagli strati sottostanti, e il loro grado di depolarizzazione, questa capacità di misurazione consentirà a CALIGOLA di eseguire valutazioni delle proprietà ottiche del mare e del particolato sospeso. Queste informazioni sono fondamentali per caratterizzare adeguatamente le dinamiche stagionali e inter annuali del fitoplancton e per migliorare la nostra attuale comprensione del ruolo del fitoplancton nella biogeochimica marina e nel ciclo globale del carbonio e migliorare la comprensione della risposta degli ecosistemi marini alla variabilità climatica.
Uno specifico canale di misura a 450-460nm sarà dedicato alle misure di fluorescenza degli aerosol atmosferici e della clorofilla marina, ai fini della tipizzazione degli aerosol e per la caratterizzazione della produzione primaria oceanica.
CALIGOLA consentirà inoltre misurazioni accurate della variabilità, su piccola scala, dell'elevazione della superficie terrestre associata principalmente alle variazioni del livello di ghiaccio e neve, del terreno, della vegetazione e della copertura forestale.
Nel 2021 l'Agenzia Spaziale Italiana ha avviato le attività scientifiche e tecnologiche per la progettazione e lo sviluppo di CALIGOLA, con l'obiettivo di lanciare la missione nella finestra temporale 2030 - 2031.
È iniziato nel novembre 2021 ed è tuttora in corso uno studio scientifico a supporto dello sviluppo dello strumento e della missione, commissionato dall'Agenzia Spaziale Italiana all'Università della Basilicata, di cui è responsabile e nominato il Prof. Paolo Di Girolamo come Principal Investigator e Project Scientist della missione CALIGOLA.
Presso l'Università della Basilicata, il Laboratorio Lidar ha maturato un background di ricerca scientifica di 35 anni nella progettazione, sviluppo sperimentale e funzionamento di sistemi LIDAR terrestri, aerei e satellitari utilizzati principalmente per lo studio dei parametri meteorologici e climatici. L'attività di ricerca si concentra sullo sfruttamento delle misure LIDAR per lo studio delle proprietà composizionali, micro-fisiche, radiative e dinamiche dell'atmosfera, con particolare enfasi sulla ricerca su aerosol, vapore acqueo e ozono. La progettazione e il dimensionamento dei sistemi lidar, soprattutto per applicazioni spaziali, implica lo sviluppo di simulatori di prestazioni, che rappresenta un altro importante aspetto dell'attività di ricerca svolta presso il Laboratorio.
Uno studio di Fase A sulla fattibilità dello strumento LIDAR è iniziato nell'ottobre 2022 ed è in corso, commissionato dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) a Leonardo S.p.A. (LDO). L'attività si basa sull'importante patrimonio e background di LDO nello sviluppo di strumenti LIDAR (strumento ALADIN sulla missione ESA Aeolus e strumento ATLID sulla missione ESA EarthCare). Lo strumento CALIGOLA si pone obiettivo ancora più sfidanti per effetto dell'aumento del numero di emissioni emesse, lunghezze d'onda e canali di ricezione, e la crescente diversità di questioni scientifiche affrontabili.
Inoltre, ASI, ha anche avviato diversi sviluppi tecnologici al fine di aumentare il TRL nel settore LIDAR.
Già durante le prime attività di definizione della missione, l'Agenzia ha riscontrato l'interesse della NASA per gli obiettivi scientifici e la specificità della missione e, in questa direzione, è stata avviata, fin dall'inizio delle attività, un'interazione molto efficace con l’Agenzia Spaziale Americana.
Alla fine di ottobre 2023, si è tenuto, presso la sede centrale dell’ASI a Roma, un incontro faccia a faccia con un team di esperti della NASA appartenente al Langley Research Center (LaRC), un centro NASA di eccellenza sulle tematiche LIDAR, situata a Hampton, Virginia.
ASI-NASA hanno avviato una proficua collaborazione per finalizzare gli obiettivi della missione in termini di:
1) obiettivi scientifici atmosferici/oceanici,
2) parametri atmosferici/oceanici da misurare per raggiungere questi obiettivi scientifici,
3) requisiti osservativi (accuratezza, precisione, risoluzione verticale e orizzontale, portata verticale sondata) per parametri atmosferici/oceanici.
L’enorme competenza della NASA nella progettazione e nello sviluppo di sistemi LIDAR spaziali per scopi di osservazione della Terra è stata dimostrata in una varietà di missioni passate e presenti. Il coinvolgimento della NASA nella missione CALIGOLA è principalmente incentrato sulla progettazione e sviluppo di rilevatori e sistemi di campionamento che coprano l'ampissima gamma dinamica degli echi lidar atmosferici-superficiali-oceanici, che rappresenterebbero un elemento chiave per il successo della missione.
La priorità della NASA nel quadro della missione CALIGOLA è quella di affrontare gli osservabili designati di aerosol e nuvole, convezione e precipitazione (ACCP) identificati dall'Earth Science Decadal Survey 2017 nell’ambito del programma AOS Atmosphere Observing System Project. La NASA è anche interessata a contribuire allo sviluppo di un LIDAR “multifunzionale” (efficace per la profilazione oceanica, profondità della neve, vegetazione terrestre, ecc.), condividendo l’obiettivo dell’ASI di perseguire una missione multidisciplinare.
L'utilizzo della tecnologia LIDAR per ottenere informazioni sulle caratteristiche dell'atmosfera e della superficie terrestre è una tecnica già sfruttata in passato e verrà presa in considerazione in diverse missioni future. Tra gli altri:
- il LIDAR In-space Technology Experiment (LITE) della NASA, che volò sul Discovery Space Shuttle nel settembre 1994;
- la missione NASA-CNES CALIPSO (Caliop), lanciata nel 2006, appena dismessa;
- il NASA-CATS, operato da febbraio 2015 a ottobre 2017 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale;
- Missione ESA AEOLUS (Aladin), lanciata nel 2018, appena dismessa;
- Missione ESA EarthCARE (Atlid), che sarà lanciata nel primo trimestre del 2024, con una durata prevista di 3 anni, si spera estendibile fino a 5 anni;
- Missione DLR-CNES MERLIN (Manthrop Remote Sensing LIDAR Mission), da lanciare nel primo trimestre del 2028;
- Missione NASA “Aerosol-Cloud-Ecosystem” (ACE), ora Atmosphere Observing System (AOS), AOS-I, lancio nel 2029, lancio AOS-P nel 2031-2032, entrambi ospitanti LIDAR backscatter.
NASA Ref: https://www.nasa.gov/
