Introduzione alla Fisica dell Atmosfera

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1 Introduzione alla Fisica dell Atmosfera a.a Concetti Introduttivi (4 ore) 1. Modellistica meteorologica e climatologica 2. Orbita terrestre, sistemi di coordinate, insolazione, emissione e trasporto di energia 3. Composizione chimica ed evoluzione dell atmosfera 4. Struttura verticale ed orizzontale della temperatura, del vento e delle precipitazioni 5. Circolazione generale 6. Oceani: distribuzione della temperatura, densità e salinità 7. Circolazione superficiale e termoalina 8. Ciclo dell acqua 9. Ciclo del carbonio Wallace and Hobbs, cap 1&2 Hartmann, cap 2.8, 2.9, 5.1, 5.2 Gas perfetti, equazione idrostatica, geopotenziale (4 ore) 1. Unità di misura 2. Sistemi termodinamici 3. Pressione dalla teoria cinetica 4. Legge dei gas perfetti 5. Legge di Dalton 6. Equazione idrostatica 7. Distribuzione verticale della pressione 8. Equazione ipsometrica 9. Il geopotenziale North and Erukimova, cap 1&2 I e II legge della termodinamica, stabilità statica, equilibrio tra le fasi (4 ore) 10. I legge della termodinamica 11. Calori specifici 12. Processi adiabatici 13. Temperatura potenziale 14. Gradiente adiabatico secco 15. Stabilità verticale 16. Entalpia 17. Equazione della termodinamica atmosferica 18. II legge della termodinamica 19. Entropia e criteri d equilibrio tra le fasi

2 20. Energia libera di Gibbs North and Erukimova, cap 3&4 L acqua in atmosfera (3 ore) 1. La molecola dell acqua 2. Regola delle fasi 3. Equazione di Clausius-Clapeyron 4. Temperatura virtuale 5. Rapporto di mescolamento 6. Umidità relativa 7. Temperatura di rugiada e di bulbo bagnato 8. Lifting Condensation Level 9. Gradiente adiabatico umido 10. Temperatura potenziale equivalente North and Erukimova, cap 5 Carte termodinamiche (3 ore) 11. Energia cinetica di una messa d aria 12. Diagramma skew-t 13. Calcolo della temperatura potenziale e del mixing ratio 14. Calcolo dell umidità relativa e della temperatura di rugiada 15. Calcolo del LCL 16. Calcolo della temperatura potenziale equivalente e di bulbo bagnato 17. Fohn e Chinook 18. Livello di free convection e di neutral buoyancy 19. Stabilità assoluta, condizionata e potenziale 20. CAPE e CIN North and Erukimova, cap Angolo solido 22. Radianza 23. Irradianza 24. Flusso radiativo 25. Legge di Plank del Corpo Nero 26. Legge di Stefan-Boltzmann 27. Legge di Wien 28. Costante solare Grandezze radiometriche e corpo nero (2 ore)

3 29. Temperatura d equilibrio Wallace and Hobbs, cap 4 Liou, cap 1.1, 1.2 Effetto serra (2 ore) 1. Temperatura superficiale 2. Effetto atmosfera trasparente nel visibile 3. Emissività e assorbività 4. Legge di Kirchhoff 5. Effetto atmosfera corpo grigio 6. Effetto atmosfera assorbitore selettivo Wallace and Hobbs, cap 4 Hartmann, cap 2.4, 2.5 Assorbimento e scattering (2 ore) 7. Spettro della radiazione solare 8. Assorbimento della radiazione solare: UV-VIS_IR 9. Allargamento delle righe spettrali 10. Scattering alla Rayleigh 11. Sezione d urto di scattering 12. Scattering da aerosol 13. Funzione di fase 14. Coefficiente d estinzione da scattering 15. Albedo di singolo scattering e fattore d asimmetria Wallace and Hobs cap 4 Hartmann cap 3.5 Liou cap , , , 3.4, 3.5 Il clima (4 ore) 16. Definizioni 17. Indicatori riscaldamento climatico 18. Risultati osservazioni indicatori 19. Paleoclimatologia 20. Osservazioni forzanti climatici 21. Definizioni di Radiative Forcing 22. Dalle concentrazioni/emissioni al Radiative Forcing 23. Dal radiative forcing alla risposta climatica 24. Il concetto di metrica e sua applicazione 25. Attribuzione dei cambiamenti climatici 26. Proiezioni a breve e lungo termine

4 Hartmann, Cap 8 Wallace & Hobbs, Cap 10 IPCC2014 WG1 Equazione del trasferimento radiativo (2 ore) 27. Equazione generale 28. Legge di Beer-Lambert 29. Equazione di Schwarzschild 30. Spessore ottico 31. Atmosfera piano-parallela 32. Equazione completa del trasferimento radiativo Wallace and Hobbs, cap 4 Hartmann, cap 2.5 Liou, cap 1.4, 3.2 Riscaldamento radiativo e ozono (2 ore) 33. Riscaldamento radiativo 34. Modello troposfera in equilibrio radiativo 35. Equilibrio radiativo convettivo 36. Flusso attinico 37. Ozono stratosferico 38. Modello di Chapman 39. Cicli catalitici 40. Nubi Stratosferiche Polari e ozono antartico Wallace and Hobbs, cap 4, 5.7 Liou, cap 3.5 DINAMICA ATMOSFERICA Wallace & Hobbs: cap7 Holton: cap1-4 Kundu and Cohen, Fluid Mechanics o Qualsiasi altro testo di meccanica dei fluidi Cinematica e dinamica del fluido atmosferico (6 ore) 1. Linee di flusso e coordinate naturali 2. Shear, curvatura, diffluenza, stretching, divergenza e vorticità 3. Tensori secondo ordine: simmetrici e antisimmetrici, autovalori e autovettori 4. Tensore rateo di deformazione (strain rate tensor) 5. Tensore gradiente della velocità 6. Vorticità e circolazione

5 7. Moto relativo nei pressi di un punto 8. Divergenza orizzontale di un fluido 9. Approccio lagrangiano ed eulieriano 10. Conservazione della massa (equazione di continuità): lagrangiana ed euleriana, fluido incomprimibile 11. Conservazione della quantità di moto in un sistema inerziale; trattazione semplificata: gravità, pressione e stress di taglio 12. Conservazione della quantità di moto in un sistema inerziale; trattazione rigorosa: gravità, tensore di stress, fluido Newtoniano 13. Equazione di Navier-Stokes 14. Equazione di N-S per fluido incomprimibile 15. Equazione di Eulero (fluido inviscido) 16. Sistema di riferimento geocentrico 17. Accelerazione in un sistema ruotante 18. Forze apparenti: forza di Coriolis e forza centrifuga 19. Effetto della forza centrifuga: deformazione della superficie e gravità apparente 20. Effetto della forza di Coriolis: curvatura delle traiettorie Analisi di scala della conservazione della quantità di moto (2 ore) 1. Equazione della conservazione della quantità di moto in un sistema geocentrico 2. Coordinate isobariche 3. Forma euleriana dell equazione della quantità di moto 4. Analisi di scala dei fenomeni sinottici 5. Analisi di scala alla componente orizzontale dell equazione della quantità di moto 6. Approssimazione geostrofica 7. Vento geostrofico in coordinate isobariche 8. Vento geostrofico in coordinate naturali 9. Equazione prognostica approssimata 10. Numero di Rosby 11. Analisi di scala alla componente verticale dell equazione della quantità di moto Uso delle coordinate naturali (2 ore) 12. Componenti orizzontali della conservazione della quantità di moto in coordinate naturali 13. Flusso geostrofico 14. Flusso inerziale 15. Flusso ciclostrofico 16. Vento di gradiente 17. Effetto dell attrito 18. Calcolo della velocità verticale Vento termico (3 ore) 19. Shear verticale del vento geostrofico 20. Equazione del vento termico 21. Equazione del vento termico in coordinate isobariche 22. Avvezione termica 23. Atmosfera barotropica e baroclina

6 24. Evoluzione della pressione superficiale 25. Equazione di conservazione dell energia totale 26. Equazione di conservazione dell energia meccanica 27. Equazione di conservazione dell energia termica Circolazione e Vorticità (3 ore) 28. Definizione di Circolazione Assoluta 29. Teorema della Circolazione 30. Circolazione Relativa 31. Teorema della circolazione di Bjerknes 32. Studio della brezza di mare 33. Definizione di vorticità assoluta e relativa 34. Relazione tra vorticità e circolazione 35. Vorticità in coordinate isobariche 36. Vorticità Potenziale Isoentropica 37. Restrizioni sul moto dalla conservazione della vorticità potenziale 38. Equazione della Vorticità