This set of lectures focusses on techniques to retrieve atmospheric components, gases, aerosols and clouds, as well as application such as in connection with climate changes. This book addresses primarily graduate students and young researchers in the atmopheric sciences but will be useful for all those wishing to study various techniques for exploring the atmosphere by remote sensing.

In recent years, it has emerged that human activities contribute to the c- mate changes of our planet. For this reason, it is essential to understand the chemical and physical processes governing atmospheric balance, to - terminetheconcentrationofatmosphericconstituentsandmonitortheird- tribution worldwide. In situ measurements from ground-based instruments can give detailed local information, but only passive remote sensing inst- ments mounted aboard satellites can generate the global records needed for long-term monitoring of the atmosphere. For these reasons, two schools on remote sensing have been held at the International Centre for Theoretical Physics ICTP at Trieste (founded by the Nobel Prizewinner Abdus Salam) overthelastfouryears. The?rstschool"ExploringtheAtmosphereby- moteSensing"wasmainlydevotedtoatmosphericapplications, whereasthe second"InverseMethodsinAtmosphericSciences"focusedontechniquesto retrieve atmospheric components, gases, aerosol and clouds. More than 140 studentsfromdi?erentcountriesattendedthecoursesand30lecturersint- ducedtheEarthObservationmissionsandthemostadvancedtechniquesto retrieve atmospheric components. This book contains the topics underlying eachofthetwoschools. The?rstcontributionbyPaulSimonandPolymniaSkarlasintroducethe networks, combiningmeasurementsfromvariousinstruments, formingan- tegral part of a general strategy, namely the Integrated Global Observing Strategy(IGOS), whichseekstobringtogetherthemajorground-basedand satellitecomponentsoftheEarth'sobservingsystemforabettere?ectiveness intheiruseandinthestudyoftheenvironment. Thisgivesafewexamples of networks focusing on generating data of known and high quality, to s- port research related to the Earth's atmospheric environment on the sho- andlong-termscales, butalsoassessmentsonglobalchangeandguidancein internationalpolicymaking. A second contribution by Martine DeMaziere covers the exploitation of thesynergybetweengroundandspacemeasurements. Thiscontribution- troduces some remote sensing ground-based observation methods and hi- lightssomeaspectsofatmosphericchanges. Manyreferencesareincludedfor furtherreading. VI Preface AthirdcontributionbyKnutStamnesreviewsforwardmodellingcapab- itiesandrequirementsinconnectionwithremotesensingoftheenvironment. Emphasis is placed on the formulation of the problem and on discussion of recent developments. The plane-parallel radiative transfer model is used as aspeci?cexampleofaforwardmodelthatissimplebutveryuseful. Aso- tiontothisforwardmodelisoutlinedusingthediscreteordinatemethod. A linearizedversionofthisdiscreteordinatesolutionyieldinganalyticweig- ing functions or Jacobians in addition to radiances is also brie?y discussed. This provides a framework for a discussion of computational resource and accuracyrequirements.

Non e facile definire che cosa sia un problema inverso anche se, ogni giorno facciamo delle operazioni mentali che sono dei metodi inversi. Ad esempio riconoscere i luoghi che attraversiamo quando andiamo al lavoro o passeggiamo, riconoscere una persona conosciuta tanti anni prima etc. Eppure la nostra cultura non ha ancora sfruttato appieno queste nostre capacita, anzi ci insegna la realta utilizzando i metodi diretti. Ad esempio ai bambini viene insegnato a fare di conto utilizzando le quattro operazioni. Guardiamo ad esempio la moltiplicazione, essa e basata sul fatto che presi due fattori e moltiplicati tra di loro si ottiene il loro prodotto. Il corrispondente problema inverso e quello di trovare un paio di fattori che diano quel numero. Noi sappiamo che questo problem puo anche non avere una unica soluzione. Infatti nel cercare di imporre una unicita della soluzione utilizziamo i numeri primi aprendo un mondo matematico complesso. Probabilmente il piu antico problema inverso fu fatto da Erodoto, attraverso l'interpolazione lineare. Il problema diretto e quello di di calcolare una funzione lineare, che fornisce un risultato quando si introducono due numeri, ma un problema inverso come quello dell'interpolazione lineare puo avere una soluzione, nessuna soluzione, infinite soluzioni in relazione al numero e alla natura dei punti. Poiche esiste una stretta dipendenza tra il problema diretto e quello inverso, e buona norma impratichirsi con il problema diretto prima di affrontare il problema inverso. Questo approccio richiede che, soprattutto quando si ha a che fare con modelli fisico matematici, si sviluppi una strategia sul modello diretto, utilizzando tutti gli strumenti della conoscenza. Ad esempio cercare le soluzioni di tutte le possibili combinazioni che possono essere ottenute utilizzando vari dati di input; fare una presentazione grafica dei risultati che ci permettono, da una o piu curve, ricavare i limiti di utilizzabilia del modello. I problemi inversi hanno avuto una notevole influenza sulla scienza, anche se l'approccio convenzionale e quello di privilegiare il problema diretto. Tuttavia con l'avvento dei calcolatori i problemi inversi hanno beneficiato di parecchi vantaggi tra cui quello di meglio controllare le instabilita computazionali e di affrontare problemi che richiedevano un grande sforzo computazionale, se fatti a mano, che non avrebbero portato ad alcun risultato tangibile. Nonostante questo le percentuali di successo per la soluzione dei problemi inversi sono ancora basse e quindi c'e necessita di nuovo e piu approfondito lavoro che questo libro i tratteggia fornendo lo stato dell'arte della scienza dei problemi inversi con appliczioni alla geofisica, fisica dell'atmosfera e dell'oceano e terilevamento da satellite.