L ATMOSFERA TERRESTRE

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1 L ATMOSFERA TERRESTRE

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3 La composizione dell aria Nei primi 100 Km di altezza, ciò che chiamiamo aria risulta costituito da un miscuglio di gas, alcuni dei quali, come l azoto, l ossigeno ed i gas nobili, sono presenti ovunque in percentuali fisse; altri, come l anidride carbonica, presentano piccole variazioni percentuali in tempi lunghi; altri ancora, come l ozono, il vapore d acqua ed il cosiddetto pulviscolo atmosferico, oltre ad essere presenti in quantità variabili, hanno anche quote di esistenza preferenziali.

4 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

5 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

6 LA COMPOSIZIONE DELL ARIA COMPONENTI PERMANENTI DELL ARIA Componenti Simbolo % Vol. Azoto N2 78,08 Ossigeno O2 20,94 Argon A 0,93 Anidr. Carb. CO2 0,03 Gas nobili Ne,Kr,Xe Idrogeno H Tracce Elio He Tracce COMPONENTI VARIABILI DELL ARIA Componenti Formula Quote di concentrazione Ozono O3 da 25 a 70 Km Vapor d'acqua H2O fino ai Km Pulviscolo NaCl, C, nei primi Km ecc. AZOTO e OSSIGENO costituiscono insieme circa il 99% dell aria. Nonostante ciò non hanno alcun ruolo nella produzione e evoluzione dei fenomeni meteorologici. Fondamentale è invece il VAPORE ACQUEO.

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

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 sottoforma di radiazione infrarossa (effetto serra)

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

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

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

12 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA STRATI A PROFILO TERMICO UNIFORME E COSTANTE

13 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA

14 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA

15 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA troposfera altezza variabile per rotazione terrestre 8 km ai poli km latitudini intermedie 17 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

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

17 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA STRATOSFERA: LO STRATO DI OZONO

18 PROCESSO DI DISTRUZIONE DELL OZONO

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20 UN PROCESSO CONTINUO

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22 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

23 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA MESOSFERA

24 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~½mv 2 approssimazione con gas perfetto (elevato c.l.m. molecole) esosfera oltre 800 km di quota transizione tra atmosfera e spazio cosmico

25 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA TERMOSFERA e IONOSFERA

26 Le aurore, sono strati multicolore frequenti nei cieli a latitudini molto alte nord e sud. La loro causa è l interazione tra il vento solare un tenue flusso di particelle cariche provenienti dal sole - ed il campo magnetico terrestre. Le luci sono frutto dell impatto degli elettroni e protoni con le molecole dell alta atmosfera.

27 Questa spettacolare immagine mostra un aurora boreale su di un campo coperto di neve ed alberi congelati in Alaska. Le aurore difficilmente scendono sotto I 60 km e possono salire fino a 1000 km. Vista dallo spazio un aurora può apparire come un cerchio attorno ad uno dei poli magnetici terrestri.

28 PROFILO TERMICO DELL ATMOSFERA ESOSFERA

29 Le forze: gravità terrestre (intesa come forza risultante della gravità e della forza centrifuga, derivante dalla rotazione terrestre); pressione atmosferica (tenuto conto che i gas tendono ad occupare tutto il volume) e che la pressione atmosferica tende a distribuire questa massa gassosa addensandone di più nei bassi strati e via via in modo decrescente con l altezza; l ineguale distribuzione dell energia solare (dovuta alle caratteristiche astronomiche e fisiche del globo) determina differenze di pressione tra punti posti alla stessa altezza, e mette l aria in movimento rispetto alla terra.

30 Se ne deduce che mentre il 50% della massa atmosferica totale è concentrata nei primi 5,5Km circa, il 99,7% di essa non va oltre ai 40Km Km 0 5, Hpa/mb ,7 P. riduz.% 100% 50% 25% 5% 0,27%

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32 4.Struttura termica verticale dell atmosfera km 120 TERMOSFERA T=1400 C (600km) MESOSFERA Mesopausa Stratopausa STRATOSFERA Tropopausa l.m.m TROPOSFERA C (1) nella Troposfera la temp. diminuisce con h (var. con LATITUD. e STAGIONI) (2) nella Stratosfera la temp. aumenta (inv.term. Impedisce mov.verticali quindi le nubi) (3) nella Mesosfera la temp. diminuisce nuovamente (4) nella Termosfera la temp. aumenta in modo esponenz. (concetto cinetico-statistico)

33 La radiazione solare Tutti i corpi con temperatura maggiore dello zero assoluto (-273 C) hanno la proprietà di irraggiare nello spazio granuli d energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Questi granuli sono detti fotoni o quanti e presentano un contributo energetico inversamente proporzionale alla lunghezza d onda. Il sole, radiatore ideale, ha una temp. superficiale di 6000 C ed emette radiazioni su un vastissimo spettro: dai raggi gamma (10-6 micron) fino a radiazioni con lunghezze d onda di qualche Km. Soltanto quella con spettro compreso tra 0,15 e 14 micron (tra U.V. e I.R.) giunge ai confini con la mesosfera. Quella con lunghezza d onda inferiore a 0,15micron (alto contenuto energetico) raggiy, raggi X e parte degli U.V. vengono assorbite nella termosfera (ecco una spiegazione delle alte temp). La radiazione oltre i 14micron, a basso contenuto energetico) viene riflessa nella ionosfera.

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35 LE CAUSE DEL TEMPO In definitiva la causa principale è: Diversa distribuzione dell energia solare in seno al sistema terra-atmosfera. Dovuta a: Forma geometrica della terra. (sferoidale - con incidenza della radiazione più concentrata all equatore). Inclinazione dell asse di rotazione della terra (il quale nel suo movimento di rotazione intorno al sole rimane inclinato di 23 ).

36 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA ANALISI DELLA C. G. A. FORZA DEVIANTE DI CORIOLIS CONSEGUENZE DELLA C.G.A. CIRCOLAZIONI TERMICHE CIRCOLAZIONE DELLE MEDIE LATITUDINI

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38 DISTRIBUZIONE STAGIONALE DELLE CALORIE

39 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA cause fondamentali differente riscaldamento nelle diverse regioni del globo riscaldamento maggiore nelle zone tropicali, minore nelle polari necessità di trasferire calore da equatore verso poli caso ipotetico Terra non in rotazione e superficialmente omogenea (oceani) unica circolazione convettiva meridiana a scala emisferica Cella di Hadley: salita di aria in quota all equatore flusso in quota verso i poli discesa di aria al suolo ai poli flusso in superficie verso equatore

40 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA La Cella di Hadley (caso semplificato ipotetico)

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42 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA caso ipotetico Terra in lenta rotazione ancora unica circolazione convettiva deviazione di Coriolis Emisfero Nord: flusso in superficie nord-orientale flusso in quota sud-occidentale Emisfero Sud: flusso in superficie sud-orientale flusso in quota nord-occidentale EMISFERO SUD DEVIAZIONE CORIOLIS AGISCE IN DIREZIONE OPPOSTA CIRCOLAZIONE ATMOSFERICA SPECULARE EMISFERO NORD A SEGUIRE SEMPRE RIFERIMENTO A EMISFERO NORD

43 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA caso reale Terra in rotazione con periodo 24 h modello a singola Cella di Hadley non più plausibile flusso superficiale completamente orientale prima equatore componente orientale vento centinaia nodi attrito equatoriale tale da rallentare rotazione terrestre modello complesso di circolazione atmosferica da unica circolazione meridiana a sistema di tre circolazioni: meridiana interpropicale o cella di Hadley 0-30 N extratropicale o cella di Ferrel 30 N - 60 N cella polare 60 N - 90 N

44 TRE CELLE DI CIRCOLAZIONE

45 IL TEMPO SI GENERA ALLE MEDIE LATITUDINI

46 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA scala moti atmosferici moti verticali massima estensione: intero spessore troposfera moti orizzontali meridiani forte componente in direzione meridiana massima estensione: fascia latitudinale di 30 moti orizzontali zonali forte componente in direzione paralleli massima estensione: intera circonferenza terrestre

47 CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA conseguenze venti permanenti (superficie) nordorientali intertropicali (alisei) venti occidentali medie latitudini venti orientali polari sistemi barici dinamici basse equatoriali alte subtropicali basse polari alte artiche

48 VENTI PERMANENTI alisei velocità e direzione costanti lungo tutto l anno tra latitudini Nord e Sud comprese tra 5 e 30 quote inferiori a 1-2 km (venti al suolo) caratteristiche: velocità media circa 13 nodi (molto regolari sul mare) secchi e freschi causati da: spostamento aria da fascia H subtropicale a L equatoriale Coriolis provenienza nord-orientale convergenza all equatore in fascia di 3-5 latitudine calme equatoriali o convergenza intertropicale ITCZ circolazione invertita in quota controalisei inversione periodica (scala diversi anni) alisei El Niño

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50 VENTI PERMANENTI venti occidentali zone temperate oceaniche entrambi emisferi tra latitudini 40 e 60 regolarità disturbate da depressioni mobili perturbazioni

51 VENTI PERMANENTI

52 DISTRIBUZIONE DEI SISTEMI BARICI

53 SISTEMI BARICI DINAMICI originati dai moti verticali aria anticicloni subsidenza divergenza al suolo, convergenza in quota cicloni salita aria in quota convergenza al suolo, divergenza in quota fasce circumpolari di: bassa pressione equatoriale alta pressione tropicale bassa pressione polare alta pressione artica

54 SISTEMI BARICI DINAMICI Distribuzione circumpolare delle fasce bariche dinamiche

55 SISTEMI BARICI DINAMICI nuclei barici dinamici punti di massimo e minimo barico relativo interni alle fasce in corrispondenza degli oceani temperatura e flusso del vento più uniformi lungo tutto anno attrito sui continenti effetti più marcati sul flusso geostrofico anticicloni rinforzati su Azzorre, Bermuda, Pacifico orientale cicloni accentuati su Aleutine e Islanda

56 SISTEMI BARICI DINAMICI Distribuzione dei centri barici dinamici di alta e bassa pressione

57 CIRCOLAZIONE INTERTROPICALE cella di Hadley confinata tra equatore e tropico salita in quota di aria calda a equatore fascia di bassa pressione al suolo in quota correnti meridiane verso polo intervento della forza deviante correnti divengono sudoccidentali (controalisei) tra 25 N e 40 N circolazione diviene zonale discesa di aria al suolo a latitudini subtropicale fascia di alta pressione subtropicale per divergenza, parte aria verso il polo, parte verso equatore al suolo correnti meridiane verso equatore intervento della forza deviante correnti divengono nordorientali (alisei)

58 contributo al fine ultimo della circolazione generale: ridistribuzione del calore solare riduzione del divario termico tra equatore e polo

59 CIRCOLAZIONE TERMICHE origina da gradiente orizzontali di temperatura inizialmente superfici isobariche parallele suolo in assenza di gradiente barico diverso riscaldamento del suolo a pressione costante l aria scaldata si espande e diminuisce la densità l aria raffreddata si contrae e diminuisce la densità superfici isobariche inclinate all aumentare della quota si origina gradiente barico in quota alta pressione su zona calda bassa pressione su zona fredda

60 CIRCOLAZIONE TERMICHE aria fluisce in quota da zona calda verso zona fredda perdita di massa in colonna d aria su zona calda diminuisce pressione al suolo su zona calda guadagno di massa in colonna d aria su zona fredda aumenta pressione al suolo su zona fredda gradiente barico al suolo opposto a quello in quota aria fluisce al suolo da zona fredda verso zona calda circolazione al suolo come flusso di ritorno di quelle in quota

61 CIRCOLAZIONE TERMICHE EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME: AVVIO DI CIRCOLAZIONE TERMICA IN QUOTA

62 CIRCOLAZIONE TERMICHE EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME: CIRCOLAZIONE TERMICA COMPLETA

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64 CIRCOLAZIONE TERMICHE stesso origine per fenomeni a scale molto diverse: mesoscala (centinaio di km): brezze sinottica (decine di migliaia di km): monsoni caratteristiche delle circolazioni termiche: i venti scorrono al suolo da zone fredde verso zone calde i venti invertono periodicamente la circolazione esempi di circolazioni termiche brezze: periodo di dodici ore monsoni: periodo di sei mesi circolazione monsonica: ovunque ci sia vasto continente circondato da oceani dipende da forma e morfologia del continente dipende anche dalle variazioni in latitudine della ITCZ è più forte ed incisiva nel sud est asiatico

65 CIRCOLAZIONE TERMICHE ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A MESOSCALA: BREZZE DI MARE E BREZZE DI VALLE

66 CIRCOLAZIONE TERMICHE ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A SCALA SINOTTICA: I MONSONI