Fisica dell Atmosfera e del Clima

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1 Uniersità egli stui i Trento Corso i Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Prof. Dino Zari Dipartimento i Ingegneria Ciile, Ambientale e Meccanica Fisica ell Atmosfera e el Clima 2. ichiami i meteorologia i base 1 Composizione ell atmosfera terrestre (fino a una quota i circa 1 km) Componente Simbolo chimico Peso molecolare Frazione elle molecole totali Contenuto Percentuale in massa Azoto N % Ossigeno O % Argon A % Vapore acqueo * H 2 O Biossio i carbonio * CO ppm ** Neon Ne ppm Elio He 4. 5 ppm.7% Krypton Kr ppm Irogeno H ppm Ozono * O ppm * Componenti soggetti a significatia ariabilità spazio- temporale Insegnamento ** Valore i Fisica aggiornato ell Atmosfera a Ottobre

2 3 Struttura termica erticale ell atmosfera meia 4 2

3 Strumenti per sonaggi erticali ell atmosfera ocketsone aiosona Dropsone 5 Strumenti per telerileamento ell atmosfera LIDA SODA SATELLITE 6 3

4 Doe si troano i ati ei raiosonaggi 7 aiosonaggi in Italia In Italia, le stazioni che effettuano il raiosonaggio alle ore prestabilite (oero ogni 6 ore, e precisamente alle, 6, 12, 18 UTC), sono 7: Milano Linate (168), Uine iolto (1644), Milano Uine S.Pietro Capofiume San Pietro Capofiume (BO), Pratica i Mare (16245), Cagliari Elmas (1656), Brinisi Casale (1632), Trapani Birgi (16429) tutte mantenute alla Aeronautica Militare Italiana, eccetto San Pietro Capofiume (Serizio Meteorologico egionale ell Emilia-omagna). Pratica i Mare Cagliari Trapani Brinisi 8 4

5 Esempio i raiosonaggio: ati 9 Esempio i raiosonaggio: iagrammi 3 ADIOSONDAGGIO MILANO Z Quota s. l. m. [m] Temperatura Temperatura i rugiaa TOPOPAUSA Temperatura [ C] 1 5

6 ADIOSONDAGGIO MILANO Z Quota s. l. m. [m] Temperatura Temperatura i rugiaa Temperatura potenziale Temperatura [ C] 11 Struttura erticale ella pressione e ella ensità ell aria Profili erticali i pressione in hpa (---) ensità in g/m 3 ( ) e cammino libero meio in m ( - ) per l estensione per gli USA ell Atmosfera Stanar ell Organizzazione Internazionale ell Aiazione Ciile (ICAO) 12 6

7 Scale ei moti atmosferici 1 mese 1 giorno 1 ora 1 minuto 1 secono 1 km One stazionarie One ultra lunghe One i marea SCALA PLANETAIA 1 km One barocline SCALA SINOTTICA 1 km Fronti e uragani MESOSCALA 1 km 1km 1 m 1 m Correnti a getto in bassa quota notturne Linee ei groppi One inerziali Cluster i nubi Effetti urbani Temporali One i graità inerziali Turbolenza in aria chiara Perturbazioni orografiche Nebbie Tornao Conezione profona One i graità corte Mulinelli Termiche Scie SCALA LOCALE o MICOSCALA 1 m Pennacchi Effetti i scabrezza Turbolenza 13 Scala planetaria: la circolazione generale ell atmosfera 14 7

8 Inter-Tropical Conergence Zone ITCZ Fascia i Conergenza Intertropicale

9

10 19 Scala sinottica 2 1

11 Esempio i rappresentazione el campo ella pressione atmosferica Linee nere: topografia ella superficie isobarica p 5 hpa sopra il liello meio el mare [in ecametri]. Linee bianche: isobare alla superficie el meio mare [in hpa]. Scala cromatica: spessore ello strato i atmosfera compreso fra la superficie isobarica p 5 hpa e la sottostante superficie isobarica p 1 hpa [in ecametri] Si ea anche lo schema nella slie seguente 21 appresentazione topografica elle superfici isobariche z p 5 hpa z z 5hPa z 1hPa z 5hPa p 1 hpa z 1hPa 22 11

12 Mesoscala Brezze i costa Brezze i alle Föhn 23 Mesoscala Scala locale Microscala 24 12

13 13 Equazioni i stato [ ] q T p kg K J M T p kg K J M T p kmol K J n T pv / 287 / Gas ieali Aria secca Vapore acqueo Aria umia apporto i mescolamento (mixing ratio) Umiità specifica M M p p p ε m m ã m m m m m + + Ö 25 [ ] q T T T T p Temperatura irtuale E la temperatura che un campione i aria secca orebbe aere per presentare, a parità i pressione, la stessa ensità i un assegnato campione i aria umia. 26

14 Distribuzione erticale ella pressione Equilibrio irostatico p z g 27 Atmosfera isoterma Nel caso in cui la temperatura presenti un alore costante TT l integrazione fornisce: z z p ( z ) p e xp, ( z ) e xp H H oe H T /g ha le imensioni i una lunghezza e p /(T ) è il alore ella ensità alla quota z. Con 287 J K -1 kg -1 T 288 K si ha H m ~ 8.4 km g9.81 m s

15 Atmosfera a graiente termico erticale costante Nel caso in cui la temperatura presenti un graiente erticale costante (generalmente negatio, come nella troposfera stanar) i intensità G si arà: T T - Γ z. g Sostitueno e integrano si ottiene: Γ T Γ Γ z T z p ( z ) p, ( z ) T T g 1 Γ Si osseri che la istribuzione si riuce correttamente alla soluzione per il caso isotermo nel limite Γ. Con g 9.81 m s -2, 287 J K -1 kg -1 e Γ 6.5 K km -1 si ottiene g/(γ ) isoleno la prima rispetto a z si ottiene l equazione egli altimetri: z T p 1 Γ p Γ g 29 ADIOSONDAGGIO MILANO Z Quota s. l. m. [m] Pressione (raiosonaggio) Pressione (Atmosfera isoterma) Pressione (Graiente costante) Pressione [hpa] 3 15

16 ADIOSONDAGGIO MILANO Z Quota s. l. m. [m] Pressione (aiosonaggio) Pressione (Atmosfera isoterma) Pressione (Graiente costante) Pressione [hpa] 31 Caratteristiche ei moti atmosferici I moti atmosferici si realizzano su scale spaziotemporali per le quali gli effetti molecolari (iscosità e conuzione termica) risultano trascurabili rispetto a altri meccanismi i trasporto ella quantità i moto e ell energia (aezione). Ciò implica che le correnti possono essere escritte in termini el moto i particelle aria che non scambiano calore con le altre particelle né con l ambiente aiacente. Dal momento che la istribuzione i pressione è in equilibrio irostatico, le ariazioni i pressione oute alla ariazione i quota i queste particelle soisfano l equilibrio irostatico. Inoltre le elocità in gioco sono tali a renere il contributo ell energia cinetica moesto rispetto a quello ell energia interna nel eterminare l energia totale. In tali conizioni l eoluzione ello stato termoinamico i ogni particella che compone la corrente atmosferica può essere monitorata in maniera semplificata come se si trattasse i un sistema termoinamico semplice

17 Temperatura potenziale (p, T) Per una particella aria alla pressione p e alla temperatura T si efinisce temperatura potenziale θ la temperatura che la particella assumerebbe se enisse portata, attraerso una trasformazione aiabatica, a una pressione i riferimento p (solitamente 1 hpa). L espressione per θ è fornita alla formula i Poisson: θ p cp T p (p, θ) Con 287 J K -1 kg -1 e c p 14 J K -1 kg -1 si ha /c p.286 La temperatura potenziale è una quantità conserata urante il moto (aiabatico) ella particella 33 La carta pseuoaiabatica Dal momento che la temperatura potenziale i un particella si consera urante il moto, è coneniente rappresentare le cure a θ costante (isoterme potenziali) su un iagramma termoinamico

18 Graiente aiabatico per aria secca [ry aiabatic lapse rate] Supponiamo i seguire una particella i aria secca che compie uno spostamento erticale. Esseno la trasformazione aiabatica si arà: c p T -ä p. (1) D altra parte per l equilibrio irostatico: p - g z (2) Sostitueno e ricorano che per efinizione ä 1/, si ricaa: T z g c p La quantità 2 g 9.81 m s Γ 9.8 K km 1 1 c 14 J K kg p 1 rappresenta la ariazione i temperatura per unità i spostamento conseguente al solleamento (o abbassamento) erticale ella particella aria secca (l estensione al caso i una particella umia non satura è immeiata): T z Γ q 35 Osserazioni sul graiente aiabatico per aria secca Non si confona Γ con il alore locale Γ - T/z el graiente el profilo erticale i temperatura (a es. fornito a un raiosonaggio). In tal caso la temperatura misurata, quota per quota, è relatia a particelle ierse, che occupano, all istante ella misura, quella eterminata quota (approccio euleriano). Nel caso presente si stanno inece alutano i alori raggiunti alla stessa particella (approccio lagrangiano) alle ierse quote raggiunte. Si osseri inoltre che se si trascurano le (moeste) ariazioni rispettiamente i g con la quota e i c p con la temperarura, Γ risulta costante: questo consente i alutare irettamente la ariazione i temperatura i una particella aria anche per ariazioni finite ella quota (Figura 1): z z 2 T(z 1 )- T(z 2 )- Γ (z 1 - z 2 ) z 1 x 36 18

19 Graiente erticale ella temperatura potenziale Dal momento che la temperatura potenziale è una quantità conserata, l equialente i Γ per la temperatura potenziale (cioè il graiente erticale segueno la particella) è nullo. E utile però alutare il graiente locale, cioè l equialente i Γ, che ha noteoli implicazioni per la stabilità rispetto a moti erticali. Parteno alla efinizione i temperatura potenziale, preneno il logaritmo naturale a ambo i membri e ifferenziano rispetto a z si ha: 1 θ 1 T 1 p θ z T z c p z p icorano che il graiente ella pressione è eterminato all equilibrio irostatico, si ricaa: θ θ T g θ + ( Γ Γ) z T z c p T 37 19