CORSO DI METEOROLOGIA GENERALE E AERONAUTICA
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- Cornelia Martinelli
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1 CORSO DI METEOROLOGIA GENERALE E AERONAUTICA 1 - DEFINIZIONE - COMPOSIZIONE TEMPERATURA - PRESSIONE - DENSITÀ RELAZIONE PRESSIONE - QUOTA - TEMPERATURA SUPERFICI ISOBARICHE - ATMOSFERA STANDARD ICAO SISTEMI BARICI AL SUOLO Dr. Marco Tadini meteorologo U.M.A. Home Page - Ufficio Meteorologico Aeroportuale ufficiometeo.itit
2 ATMOSFERA TERRESTRE involucro di gas che circonda il pianeta subisce l influenza della forza di gravità terrestre se gravità insufficiente: atmosfera dispersa nello spazio partecipa al moto planetario di rotazione terrestre la rotazione influenza le correnti atmosferiche subisce l influenza della morfologia planetaria l orografia influenza le correnti atmosferiche 2
3 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA tra 0 e 100 km gas presenti ovunque in percentuali fisse azoto, ossigeno, gas nobili gas con variazioni percentuali in tempi lunghi anidride carbonica gas in quantità variabili ed a quote preferenziali ozono, vapore acqueo, pulviscolo atmosferico 3
4 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA tra 100 e 130 km stessi gas, diverse percentuali maggior presenza di ossigeno tra 130 e 1100 km prevalenza di azoto e ossigeno atomico oltre 1100 km prevalenza di elio ed idrogeno 4
5 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA COMPONENTI PERMANENTI DELL ARIA (primi 100 km) Azoto 78,08 % Ossigeno 20,94 % Argon 0,93 % Anidride Carbonica 0,03 % Idrogeno tracce Elio tracce 5
6 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA COMPONENTI VARIABILI DELL ARIA (primi 100 km) Ozono quote di concentrazione: da 25 a 70 km Vapore acqueo quote di concentrazione: fino a km Pulviscolo quote di concentrazione: nei primi km 6
7 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA azoto ed ossigeno costituiscono oltre il 99% dell atmosfera non hanno alcun ruolo nei fenomeni meteorologici grande importanza meteorologica componenti variabili vapore acqueo pulviscolo atmosferico 7
8 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA vapore acqueo primi km di altezza (fino a km) evaporazione da superfici liquide percentuali variabili (pochi gr/kg di aria) importanza meteorologica dovuta a scambi energetici (600 cal/g acqua) limite alla dispersione del calore irradiato dalla Terra sotto forma di radiazione infrarossa (effetto serra) 8
9 COMPOSIZIONE DELL ATMOSFERA pulviscolo atmosferico particelle sospese nei bassi strati hanno origine: naturale (sale marino, ceneri vulcaniche) artificiale (residui processi di combustione smog) importanza meteorologica dovuta a: proprietà igroscopiche (nuclei( di condensazione) formazione delle nubi 9
10 PROPRIETA DELL ATMOSFERA pressione e densità diminuiscono con l altezza temperatura variabilità di comportamento alternanza di massimi e minimi serie di strati a profilo termico uniforme (sempre crescente o decrescente) strati di transizione a temperatura costante 10
11 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA strati a profilo termico uniforme troposfera temperatura decrescente stratosfera temperatura crescente mesosfera temperatura decrescente strati esterni: termosfera,, ionosfera, esosfera temperature crescenti (superiori al migliaio di gradi) approssimazione gas perfetti strati di transizione a temperatura costante tropopausa stratopausa mesopausa 11
12 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA STRATI A PROFILO TERMICO UNIFORME: TROPOSFERA, STRATOSFERA, MESOSFERA, TERMOSFERA STRATI A PROFILO TERMICO COSTANTE: TROPOPAUSA, STRATOPAUSA, MESOPAUSA 12
13 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA 13
14 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA 14
15 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA troposfera altezza variabile per rotazione terrestre circa 8 km ai poli circa 12 km latitudini intermedie circa 18 km all equatore temperatura diminuisce con la quota valore medio s.l.m. : 15 C valore medio a quota massima: - 55 C sede di tutti i fenomeni meteorologici 15
16 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA tropopausa spessore dell ordine di una decina di km temperatura costante - 55 C presenza delle correnti a getto stratosfera altezza massima circa 50 km temperatura aumenta con la quota massima concentrazione ozono assorbimento radiazione solare UV 16
17 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA STRATOSFERA: LO STRATO DI OZONO 17
18 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA stratopausa limite superiore della stratosfera mesosfera altezza massima circa 80 km temperatura diminuisce con la quota 1% massa atmosferica totale pressione compresa tra 1 e 0,01 hpa nubi nottilucenti (quota 80 km) formate da polveri cosmiche 18
19 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA MESOSFERA 19
20 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA mesopausa limite superiore della mesosfera termosfera e ionosfera predominano particelle ionizzate riflessione onde radio (strati( di Heaviside) aurore polari temperatura aumenta con la quota temperatura in senso cinetico-statistico: : T~Ecinetica cinetica~½mv 2 approssimazione con gas perfetto (elevato c.l.m. molecole) esosfera oltre 800 km di quota transizione tra atmosfera e spazio cosmico 20
21 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA TERMOSFERA e IONOSFERA 21
22 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA ESOSFERA 22
23 PRESSIONE ATMOSFERICA DEFINIZIONE DI PRESSIONE IL PESO DELL ATMOSFERA PER UNITÀ DI SUPERFICIE 23
24 PRESSIONE ATMOSFERICA LA PRESSIONE ATMOSFERICA PRESENTA UN ANDAMENTO DECRESCENTE CON QUOTA 24
25 PRESSIONE ATMOSFERICA valore medio pressione MSL a 0 C e 45 lat. 760 mm mm Hg 1013 mb 1 atm unità corrente: ectopascal hpa 1 hpa = 1mb 1013 hpa 25
26 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA BAROMETRO A MERCURIO es.: barometro di Torricelli il più accurato necessita di correzioni per: altitudine riportare la lettura a livello del mare temperatura compensare dilatazione termica del mercurio molto fragile il mercurio è un veleno 26
27 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA UTILIZZO DEL BAROMETRO DI TORRICELLI IN CONDIZIONI STANDARD: TEMPERATURA 0 C e LATITUDINE 45 27
28 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA UTILIZZO DEL BAROMETRO DI TORRICELLI IN CONDIZIONI STANDARD: TEMPERATURA 0 C e LATITUDINE 45 p (atm atm,std) = F / S = m g / S =ρ= Hg h S g / S = ρ Hg h g essendo S sezione del tubo F forza peso colonna di mercurio m massa colonna di mercurio h = 0,76 m altezza colonna di mercurio V = m h volume colonna di mercurio g = 9,80665 m/s 2 accelerazione di gravità ρ Hg = 13595,5 kg/m 3 densità del mercurio si noti che la pressione è indipendente: dalla sezione del tubo utilizzato (viene eliminato il termine S) dall inclinazione del tubo (Leggi di Stevino e Pascal della statica dei fluidi) 28
29 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA UTILIZZO DEL BAROMETRO DI TORRICELLI IN CONDIZIONI STANDARD: TEMPERATURA 0 C e LATITUDINE 45 p(atm,std) = ρ Hg h g = 13595,5 kg/m 3 9,80665 m/s 2 0,76 m p(atm,std) Pa 1 Pa (Pascal( Pascal) ) = 1 N/m 2 = 1 unità MKSA di pressione std) 1013,27 hpa p(atm,std 1 hpa (ectopascal)) = 100 hpa - passando al sistema di unità CGS - 1 hpa = 100 N/m 2 = 1000 dine/cm 2 = 1000 baria = 0,001 bar = 1 mb (millibar) essendo 1 bar = baria 1 mb = 0,001 bar = 1000 baria 1 baria = 1 dina / cm 2 = 0,1 N/m 2 = 1 unità CGS di pressione p(atm,std) 1013,27 mb 29
30 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA BAROMETRO ANEROIDE sistema meccanico impreciso facile trasporto utilizza capsula con vuoto all interno solidale ad un ago capsula si espande o contrae per variazioni di pressione ago si muove su scala graduata lettura dei valori senza necessità di alcuna correzione 30
31 MISURA DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA BAROMETRO A MERCURIO E BAROMETRO ANEROIDE 31
32 DENSITA ATMOSFERICA MASSA DI ATMOSFERA CONTENUTA IN UN VOLUME UNITARIO 32
33 DENSITA ATMOSFERICA andamento decrescente con la quota 50% atm compreso nei primi 5,5 km 99,7% atm compreso nei primi 40 km a 40 km p = 0,27 p s.l.m. non esiste un limite superiore atmosfera incandescenza meteoriti tra 100 e 300 km aurore polari a circa 1000 km alle alte quote, il gas atmosferico si confonde con altri di origine non terrestre 33
34 RELAZIONE TRA PRESSIONE E QUOTA l aria è un fluido comprimibile se l aria non fosse comprimibile (es.: acqua): ad ogni quota, stesso numero di molecole in uguali volumi di aria uguali variazioni di pressione per uguali variazioni quota legge lineare di variazione della pressione in realtà l aria è comprimibile: gli strati più bassi sono più compressi e più densi sostengono il peso della maggior parte atmosfera gli strati superiori sono meno compressi e meno densi vi è meno aria che pesa al di sopra all aumentare aumentare della quota di riferimento: per variare pressione di 1 hpa si devono considerare variazioni di quota sempre più ampie 34
35 RELAZIONE TRA PRESSIONE E QUOTA VARIAZIONI DI QUOTA CORRISPONDENTI AD UNA VARIAZIONE DI PRESSIONE DI 1 hpa t = costante = 0 C 8 metri al livello del mare 16 metri a 5500 metri 32 metri a metri 64 metri a metri 35
36 RELAZIONE TRA PRESSIONE E QUOTA VARIAZIONI DI QUOTA CORRISPONDENTI AD UNA VARIAZIONE DI PRESSIONE DI 1 hpa t = costante = 0 C 8 metri al livello del mare 16 metri a 5500 metri 32 metri a metri 64 metri a metri formula di Laplace h=18400 (1+αt) t)log(p0/p) p 0 pressione al livello inferiore p pressione al livello superiore α coefficiente dilatazione termica dei gas α = 1/273 t temperatura media strato considerato valori solo leggermente diversi 36
37 RELAZIONE TRA PRESSIONE E TEMPERATURA a seguito di variazioni di temperatura al suolo: variazioni densità aria variazioni di pressione variazioni di pressione al suolo: stagionali estate: max su oceani - min su continenti (inverno opposto) giornaliere meno di 1 hpa zone temperate, qualche hpa Tropici due massimi e due minimi nelle 24 ore irregolari dinamiche massimi alle 10 e 22 locali minimi alle 16 e 4 locali compressioni e rarefrazioni aria legate a circolazione generale termiche legate all andamento del tempo (perturbazioni) variazioni anche consistenti (10-20 hpa) 37
38 RELAZIONE PRESSIONE-QUOTA-TEMPERATURA CONFRONTO TRA PRESSIONI MISURATE riduzione al livello medio del mare (Mean( Sea Level): confrontare pressioni misurate in diverse località determinare la variazione orizzontale della pressione riferita a superficie di altezza costante (MSL) tabelle trasformano pressione da misurata in MSL riduzione a 0 C necessaria con barometri a mercurio mercurio caldo è meno denso del mercurio freddo: colonna Hg più alta per equilibrare stessa pressione atm tabelle riducono a 0 C 0 C le letture del barometro 38
39 RELAZIONE PRESSIONE-QUOTA-TEMPERATURA RIDUZIONE DELLA PRESSIONE AL MSL pressione supplementare per quota h: pressione esercitata da strato di aria spessore h uso Formula di Laplace: temperatura media strato aria sottostante h temperatura media: partendo dalla temperatura stazione usando gradiente termico verticale normale errore nella valutazione della temperatura media più la stazione è in quota maggiore errore riduzione non si riducono i valori di stazioni oltre i 500 m. QFE pressione reale all altezza di un aeroporto QFF riduzione QFE a MSL con Formula di Laplace 39
40 RELAZIONE PRESSIONE-QUOTA-TEMPERATURA QFE RIDUZIONE DELLA PRESSIONE AL MSL pressione reale all altezza di un aeroporto QFF riduzione QFE a MSL in atmosfera reale aggiunge al QFE la pressione equivalente all altezza luogo la correzione è funzione: p0 pressione al livello inferiore p pressione al livello superiore α coefficiente dilatazione termica dei gas α = 1/273 t temperatura media strato considerato (dato incognito!) trasformazione tramite tabelle 40
41 SUPERFICI ISOBARICHE costruire superficie 3D di punti uguale pressione rilevare quota punti con determinati valori pressione sondaggio atmosferico l altezza di punti aventi uguale pressione: varia da località a località dipende condizioni aria al suolo influisce sui movimenti masse d aria in quota e suolo costruzione di superfici isobariche: unione punti di uguale pressione a quote diverse 41
42 SUPERFICI ISOBARICHE su una superficie isobarica: tutti i punti hanno uguale pressione ma quote diverse isoipse uniscono punti stessa quota (intervalli di 40 o 60 metri) distanza tra superfici isobariche: dipende dalla temperatura aria intermedia temperatura alta, aria dilata, distanza cresce temperatura bassa, aria comprime, distanza diminuisce massime o minime altezza di superfici isobariche corrispondono max o min pressioni in quota superfici isobariche standard (uso aeronautico): hpa 42
43 SUPERFICI ISOBARICHE VALORI APPROSSIMATI DI QUOTA E TEMPERATURA PER ALCUNE SUPERFICI ISOBARICHE STANDARD 43
44 COSTRUZIONE DI CARTE METEOROLOGICHE CARTE DI PUNTI AD CARTE DI PUNTI A ALTEZZA COSTANTE: PRESSIONE COSTANTE: ISOBARE ISOIPSE 44
45 temperatura ATMOSFERA STANDARD ICAO MSL (Mean( Sea Level) 15 C troposfera: da MSL a 11 km temperatura decresce di 0,65 C /100m tropopausa: 11 km -56,5 C da 11 a 20 km costante stratosfera: 20 km -56,5 C da 20 a 32 km temperatura aumenta di 0,1 C/100m stratopausa: 32 km -44,5 C 45
46 ATMOSFERA STANDARD ICAO proprietà a MSL, latitudine 45 temperatura 15 C gradiente termico verticale 0,65 C/100m da GND a 11 km pressione 760 mm Hg = 1013,25 hpa peso molec. 28,966 densità mm Hg 1,226 kg/m3 umidità rel. 15% 46
47 ATMOSFERA STANDARD ICAO LIVELLI ISOBARICI STANDARD Pressione Altitudine Temperatura hpa m ft C , , , , , , , , , , , ,5 47
48 ALTIMETRIA altimetri tarati in atmosfera I.S.A. regolazione altimetri per altitudine sul MSL QFF: indicazioni errate se andamento temperatura non è I.S.A. introduzione del QNH QNH riduzione QFE a MSL in atmosfera standard aggiunge al QFE la pressione equivalente all altezza luogo funzione della variazione standard della temperatura gradiente termico verticale γ = 0,65 C C / 100 metri obbligo regolare altimetri su QNH: fuori da spazi aerei controllati sotto altezza 3000 ft negli spazi aerei controllati sotto livello transizione 48
49 QNE ALTIMETRIA valore superficie standard 1013 hpa altimetro settato su QNE indica livelli di volo obbligo regolare altimetri su QNE: fuori da spazi aerei controllati al di sopra altezza 3000 ft negli spazi aerei controllati al di sopra livello transizione su oceani o zone dove non disponibili informazioni aggiornate Standard Pressure Regions su carte aeronautiche aeromobili con altimetro su QNE: possibile assicurare adeguata separazione verticale 49
50 SISTEMI BARICI AL SUOLO riportare su carta geografica: posizione stazioni di misura pressione pressione ridotta al livello del mare tracciare le isobare collegare località con uguale pressione MSL le isobare si tracciano ad intervalli di 4 hpa può essere necessario interpolare evidenziare le zone dove la pressione: aumenta progressivamente (alta( pressione - anticicloni) diminuisce progressivamente (bassa( pressione - cicloni) 50
51 SISTEMI BARICI AL SUOLO 51
52 SISTEMI BARICI ANTICICLONI zone di pressione crescente verso l interno pressione alta relativamente ai valori circostanti 52
53 SISTEMI BARICI ANTICICLONI indicati con la lettera H sulle mappe meteo valore medio centrale 1024 hpa registrati anche valori oltre i 1050 hpa divergenza al suolo: aria in quota viene richiamata al suolo espulsa dal centro verso l esternol esce assumendo rotazione oraria il processo si oppone alla formazione di nubi convergenza in quota 53
54 SISTEMI BARICI CICLONI (o DEPRESSIONI o CENTRI DI MINIMA) zone di pressione decrescente verso l interno pressione bassa relativamente ai valori circostanti 54
55 SISTEMI BARICI CICLONI indicati con la lettera L sulle mappe meteo valore centrale raramente sotto 980 hpa convergenza al suolo aria richiamata dall esterno verso il centro entra assumendo rotazione antioraria nel centro viene innalzata in quota processo favorevole alla formazione di nubi divergenza in quota 55
56 SISTEMI BARICI CICLONI la convergenza dell aria favorisce lo sviluppo di nubi 56
57 LE SUPERFICI ISOBARICHE costruire superficie 3D di punti uguale pressione per ciascuna stazione di misura pressione: quota punti con determinati valori pressione sondaggio atmosferico ma l altezza di punti aventi uguale pressione: varia da località a località dipende condizioni aria al suolo influisce sui movimenti masse d aria in quota e suolo costruzione di superfici isobariche: connettono punti di uguale pressione a quote diverse 57
58 LE SUPERFICI ISOBARICHE su una superficie isobarica: tutti i punti hanno uguale pressione i punti hanno quote diverse unire stessa quota tracciare isoipse (intervalli di 40 o 60 metri) distanza tra superfici isobariche: dipende dalla temperatura aria intermedia temperatura alta, aria dilata, distanza cresce temperatura bassa, aria comprime, distanza diminuisce massime o minime altezza di superfici isobariche corrispondono max o min pressioni in quota superfici isobariche standard (uso aeronautico):
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