Atmosfera e principali parametri

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1 Atmosfera e principali parametri Meteorologia e climatologia L atmosfera La temperatura La pressione L umidità Indice di calore ed effetto wind-chill La radiazione

2 METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA Meteorologia: si occupa di quelle che sono le condizioni atmosferiche in un determinato luogo in un determinato momento. Climatologia: si occupa di quelle che sono le condizioni atmosferiche medie in un determinato luogo, registrate durante un determinato periodo sufficientemente lungo (di solito minimo 30 anni). Qui ci occupiamo di meteorologia

3 L ATMOSFERA L ATMOSFERA TERRESTRE È SUDDIVISA IN 4 STRATI CON CARATTERISITCHE TERMICHE E CHIMICHE DIVERSE L UNO L DALL ALTRO. ALTRO. PARTENDO DALL ALTO ALTO VERSO IL BASSO TROVIAMO: LA TERMOSFERA LA MESOSFERA LA STRATOSFERA LA TROPOSFERA - STRATO ATMOSFERICO IN CUI SONO CONFINATI I PROCESSI METEOROLOGICI. STRATO DI OZONO STRATOSFERICO

4 Composizione (in volume) Gas permanenti L atmosfera terrestre N2 78% O2 21% A 1% Gas variabili H2O 0-3% CO % O % (stratosfera) CH4, N2O, CO, NO, CFC-11, CFC-12 tracce 2 N Aerosol Press (hpa) Altitudine (m) Ozono stratosferico assorbe i dannosi raggi UV del Sole e causa aumento T nella stratosfera. Ozono al suolo (si forma per reazioni che i raggi solari provocano nei gas di scarico delle auto) è invece dannoso per la salute. Anidride carbonica, metano e vapor acqueo sono i principali gas serra.

5 L atmosfera terrestre Si è creata ed evoluta nell arco degli oltre 4 mld anni di vita della Terra. Il tempo sulla Terra è causato da ciò che succede nella troposfera, dove vi è un continuo rimescolamento dell aria ed un alto contenuto di vapore acqueo. La quota della tropopausa - brusca variazione di vapor acqueo ed ozono e piega nella curva di T - è variabile in funzione di latitudine e periodo dell anno -> più fa caldo e più è alta Occasionalmente, in seguito di un passaggio di un fronte freddo invernale, la vetta del Monte Bianco può trovarsi nella stratosfera! Kappenberger - Kerkmann TROPOSFERA: - Strato limite planetario (PBL): suolo 0.3 / 3 km Risente direttamente dei processi dinamici e termodinamici della superficie terrestre -> forte escursione diurna T e umi - Libera atmosfera: sopra il PBL

6 LA PRESSIONE La densità è la massa d aria contenuta nell unità di volume [kg/m 3 ]. La pressione è una forza esercitata su una superficie: P = F/s Pressione dell aria: forza esercitata su una superficie qualsiasi dal peso di tutte le porzioni di aria sovrastante (pressione idrostatica). Nel caso di forti movimenti verticali (temporali), la pressione può essere diversa da quella idrostatica. 1 hpa = 100 Pa = 1 mb = Bar 1 Torr = 1 mm Hg = 4/3 hpa 1013 hpa = 760 mm Hg Aria fredda -> più densa -> più pesante Aria calda -> meno densa -> più leggera La pressione ha variazioni diurne e stagionali.

7 LA PRESSIONE Strumenti di misura - Barometro a mercurio: Torricelli, Se p = 1013 hpa e T = 0 C -> altezza della colonnina di Hg = 760 mm - Barometro aneroide: una o più capsule metalliche parzialmente vuote d aria -> le loro superfici elastiche si comprimono o dilatano - Barometro a ebollizione: la T di ebollizione dell acqua pura varia in relazione alla pressione

8 La T di un gas è proporzionale all energia cinetica delle molecole -> più sono veloci più fa caldo. Noi utilizziamo la scala Celsius: 0 C = T congelamento e 100 C = T ebollizione acqua (a 1013 hpa). In generale T diminuisce con la quota a causa dell espansione del gas atmosferico e perché la Terra si scalda dal basso Temperatura dei versanti di montagna: Il sole scalda sempre a S, a E al mattino, a W al pomeriggio Di notte i versanti sono più caldi che il fondovalle Come varia la temperatura con la quota? Per atmosfere ben rimescolate ove non si abbia condensazione il raffreddamento medio con la quota è di: 1 C ogni 100m se si ha condensazione: circa 0.5 C ogni 100m media globale: 0.65 C ogni 100m La temperatura

9 LA TEMPERATURA Strumenti di misura - Termometro a liquido: a mercurio, si usa alcool etilico per T < C - Termometro a bimetallo: basato su diversa capacità dilatazione termica di due strisce di metallo incurvate e saldate una sull altra - Coppie termoelettriche: sfruttano la tensione elettrica che si sviluppa nel punto di giunzione fra due fili di metalli diversi -> dipende da T - Termometro a resistenza: la resistenza elettrica di conduttori e semiconduttori è funzione di T -> si misura la resistenza di un filo di platino esposto all aria. Molto preciso, usato nelle stazioni automatiche

10 Isole di calore urbane Formazione di un velo di polvere, fumo, smog, foschia sopra le città in presenza di venti deboli In media T = T centro città T periferia ~ 1 C, ma in alcuni casi T ~ 10 C T urbanizzazione vi è un tasso di crescita di T negli anni T centro città > T periferia a causa dell elevata capacità termica di cemento ed asfalto, del calore emesso da case, industrie ed auto (anche 100 W/m 2 ) e delle riflessioni multiple fra edifici

11 GRADIENTI VERTICALI DELLA PRESSIONE E DELLA TEMPERATURA LA TEMPERATURA DIMINUISCE IN MODO LINEARE DI 0.65 C/100 m, DI 6.5 C OGNI 1000 m LA PRESSIONE DECRESCE DI 1 hpa/8 m NEI BASSI STRATI DI 1hPa/12 m A 3000 m DI QUOTA (LIVELLO 700 hpa) DI 1hPa/16 m A CIRCA 5500 m DI QUOTA, DOVE LA PRESSIONE È DIMEZZATA RISPETTO AL LIVELLO DEL MARE (LIVELLO 500 hpa)

12 GRADIENTI VERTICALI DELLA PRESSIONE E DELLA TEMPERATURA LA TEMPERATURA SCENDE IN MODO LINEARE SU TUTTO LO SPESSORE DELLA TROPOSFERA 6.5 C/1000 m DA 15 C AL SUOLO A 50 C A m SONO 65 C DI SCARTO BAROMETRO - ALTIMETRO Se stiamo fermi e la quota indicata aumenta significa che la pressione sta diminmuendo -> cambiamento del tempo? NEI PRIMI 1000 m VI SONO 114 hpa DI SCARTO; FRA 5000 E 6000 m LO SCARTO SCENDE A 68 hpa IN RELAZIONE ALLA RIDUZIONE DI PRESSIONE STESSA E DI DENSITÀ DELL ARIA

13 GRADIENTE VERTICALE DELLA PRESSIONE

14 GRADIENTE VERTICALE DELLA PRESSIONE

15 UMIDITÀ ASSOLUTA ED UMIDITÀ RELATIVA PIÚ L ARIA È FREDDA E MINORE E IL CONTENUTO IN VAPORE D ACQUA (ASSOLUTO) CHE E PUO CONTENERE PIÚ L ARIA È CALDA E MAGGIORE E IL CONTENUTO IN VAPORE D ACQUA (ASSOLUTO) CHE C PUO CONTENERE

16 L UMIDITÀ RELATIVA E LA SATURAZIONE L ARIA SI RAFFREDDA SALENDO, SE IL SUO TASSO DI UMIDITÀ È SUFFICIENTEMENTE ELEVATO PER CONDENSARE (RAGGIUNGERE LA SATURAZIONE = 100% DI UMIDITÀ RELATIVA) SI AVRÀ LA FORMAZIONE DI UNA NUVOLA UMIDITA ASSOLUTA: : Kg vapor acqueo / m 3 aria UMIDITA RELATIVA: vapor acqueo contenuto nell aria / vapor acqueo max possibile a quella T (0-100%) UMIDITA SPECIFICA: : Kg vapor acqueo / kg aria TEMPERATURA DI RUGIADA: : T alla quale, raffreddando l aria, si arriva al 100% di umidità relativa -> inizia la condensazione.. E sempre minore o al limite uguale a T aria

17 L UMIDITA Strumenti di misura - Igrometro a capello: il capello umano varia la sua lunghezza fino al 2.5% in funzione dell umidità relativa - non molto preciso ma semplice e quindi molto utilizzato - Psicrometro: due termometri ventilati, uno misura T aria e uno T bulbo umido -> più alta è l umidità relativa e meno acqua evapora -> tanto più la T bulbo umido è minore di T aria, tanto più bassa è l umidità relativa preciso (T bulbo umido è diversa da T rugiada!)

18 L ANDAMENTO DIURNO DI TEMPERATURA E UMIDITA L umidità relativa e la temperatura hanno un andamento giornaliero opposto fra di loro: la temperatura generalmente aumenta nelle ore centrali della giornata, facendo di conseguenza diminuire il valore dell umidità relativa. Al contrario, l umidità assoluta ha spesso un andamento simile alla temperatura: min al primo mattino e max durante il giorno. Da notare anche l andamento della pressione: in calo durante le ore più calde della giornata, con innesco della brezza (anche in ottobre, seppur fortemente attenuata e per poche ore rispetto ai mesi estivi).

19 L INDICE DI CALORE La sensazione di afa dipende da una combinazione di T e umidità relativa. Il vento può contribuire a mitigare l afa Più bassa è l umidità relativa e più rapida è l evaporazione del sudore -> sottrazione di calore -> sensazione di raffreddamento.

20 L EFFETTO WIND CHILL IN CASO DI VENTO FORTE E DI BASSE TEMPERATURE, LA TEMPERATURA AVVERTITA DALLE PARTI DEL NOSTRO CORPO DIRETTAMENTE ESPOSTE ALL ARIA È PIÙ BASSA DI QUELLA MISURATA, IN QUANTO IL VENTO PROVOCA L EVAPORAZIONE L DELLO STRATERELLO D ARIA D DIRETTAMENTE A CONTATTO CON LA PELLE -> > SOTTRAZIONE DI CALORE Oltre km/h di velocità del vento non si ha un ulteriore raffreddamento.

21 LE FASI DELL ACQUA L acqua pura rimane allo stato liquido anche con T < 0 C, se non è a contatto con altri oggetti -> acqua sopraffusa. Solo sotto i 40 C tutta l acqua gela spontaneamente! Però l acqua sopraffusa gela all istante se viene a contatto con altri oggetti freddi (galaverna: con nebbia e vento si forma sopravvento). Per questo motivo gli aerei necessitano di sistemi di sghiacciamento! IL PUNTO TRIPLO CORRISPONDE AL PUNTO DI EQUILIBRIO DI TUTTE E TRE LE FASI. I DATI DI TALE PUNTO SONO: P = 6.11 hpa, T = C

22 LE FASI DELL ACQUA Durante i cambiamenti di stato vengono assorbite o cedute grosse quantità di energia. Evaporazione: su superfici di mari, laghi, terreno bagnato Condensazione: nelle nubi, superfici fredde Kappenberger - Kerkmann

23 LA RADIAZIONE Il sole è il motore di ogni movimento orizzontale o verticale dell aria. Senza la radiazione solare l atmosfera si raffredderebbe molto rapidamente! Onde elettromagnetiche: frequenza, lunghezza, intensità. Intensità tot data da onde di tutte le lunghezze (es. emesse dal Sole) -> si misura quantificando l energia che viene trasmessa in un secondo a una superficie perpendicolare al fascio dei raggi. Misuriamo la radiazione in Watt/m2 (Watt = J/s) Il Sole emette onde EM a tutte le frequenze -> spettro continuo -> luce bianca (insieme di tutti i colori visibili). Il Sole emette anche onde non visibili all occhio umano.

24 LA RADIAZIONE Le onde solari con intensità maggiore sono le onde corte : 0.5 micron (onde visibili). In più vi sono ultravioletti e infrarossi. La Terra invece emette soprattutto onde lunghe : 3-80 micron (infrarossi, non visibili). La neve, soprattutto se fresca, riflette la maggior parte della radiazione a onde corte (solare), mentre assorbe quasi completamente la radiazione a onde lunghe emessa dalle nubi o dal terreno -> la neve si fonde molto più rapidamente in una giornata nuvolosa, se T > 0 C! Inoltre, la neve riceve radiazione da case, alberi ed altri oggetti, quindi in loro vicinanza si fonde prima.

25 LA RADIAZIONE Ozono assorbe parte ultravioletta della radiazione solare -> elevate T alla stratopausa. Nella troposfera l aria non assorbe radiazione solare -> la Terra si scalda dal basso, dal terreno ecco perché salendo di quota fa più freddo! Al contrario, anidride carbonica e vapor acqueo assorbono più di metà della radiazione IR emessa dalla Terra -> effetto serra. Scambi di energia tra la superficie della Terra e l atmosfera: -Radiazione -Flusso di calore sensibile: il suolo dà calore all aria sovrastante a diretto contatto e mediante turbolenza raggiunge gli strati alti dell atmosfera -Flusso di calore latente: l energia consumata per l evaporazione viene liberata nell atmosfera durante la condensazione o sublimazione