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Oggetto:
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FISICA DELL'ATMOSFERA

Oggetto:

Atmospheric Physics

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Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN0257
Docenti
Prof. Carla Taricco (Titolare del corso)
Prof. Enrico Arnone (Titolare del corso)
Corso di studio
Laurea Magistrale in Chimica dell'Ambiente D.M. 270 (2° anno)
Anno
1° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/06 - fisica per il sistema terra e per il mezzo circumterrestre
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Conoscenze di base di fisica e matematica
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Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

L'insegnamento intende fornire le basi fisico-matematiche dei fenomeni che intervengono nel comportamento dell'atmosfera terrestre, ponendo l'accento sulla termodinamica del mezzo atmosferico, sulle grandezze igrometriche, sulla  stabilità atmosferica, sulla formazione delle nubi e delle precipitazioni, sul bilancio energetico del sistema Terra ed il ruolo della radiazione di origine solare e terrestre, ed infine sulla dinamica a grande scala dell'atmosfera.

The course is aimed at providing the fundamental physical-mathematical concepts concerning the phenomena that determine the behavior of the Earth's atmosphere, focusing on thermodynamics, hygrometric variables, atmospheric stability, formation of clouds and precipitations, energy balance of the Earth's system and the role of solar and terrestrial radiation, and, eventually, on the large-scale dynamics of the atmosphere.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Lo studente sarà in grado di comprendere i principali processi fisici che regolano la dinamica e la termodinamica dell'atmosfera, e di padroneggiare le più importanti equazioni che descrivono tali fenomeni.

The student will be able to understand the main physical processes that rule the dynamics and thermodynamics of the atmosphere, and to master the most important equations that describe such phenomena.

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Programma

1) Introduzione

2) Descrizione generale dell'atmosfera

3) Il sistema climatico terrestre
Il Sole - Moti terrestri di rotazione e rivoluzione - Insolazione media giornaliera della superficie terrestre in funzione della stagione e della latitudine - Componenti del sistema climatico e loro ruolo nel determinare il clima presente della terra.

4)  Termodinamica dell'atmosfera secca
Equazione di stato per una miscela di gas. Distribuzione di velocità di Maxwell-Boltzmann - Equilibrio idrostatico - Geopotenziale, altezza di geopotenziale, spessore di geopotenziale, altezza di scala ed equazione ipsometrica - Effetto orografico sulla pressione atmosferica e riduzione della pressione al livello del mare - Perché i gas atmosferici non sfuggono nello spazio - Energia e prima legge della termodinamica - Entalpia - Energia statica secca - Entropia e secondo principio della termdinamica - Concetto di particella d'aria - Temperatura potenziale - Gradiente adiabatico di temperatura - Diagrammi termodinamici - Stabilità statica dell'aria secca - Forze di galleggiamento.

5) Termodinamica dell'atmosfera umida
Pressione di vapore - Temperatura virtuale - Misure assolute di contenuto di umidità dell'aria - Equazione di Clausius-Clapeyron - Temperatura potenziale dell'aria umida insatura - Rapporto di mescolamento di saturazione - Stabilità statica dell'aria umida insatura - Misure del contenuto di umidità in apporto alla saturazione - Temperatura di bulbo bagnato - Energia statica umida - Gradiente di temperatura adiabatico saturo - Regola di Normand.

6) Microfisica delle nubi
Nucleazione omogenea ed eterogenea di goccioline d'acqua --  Nuclei di condensazione - Formazione delle nebbie -- Nucleazione omogenea ed eterogenea di cristalli di ghiaccio --
Classificazione internazionale delle nubi - Formazione di precipitazione in nubi "calde" e "fredde" -- Tipi di precipitazione.

7) Trasferimento radiativo
Grandezze fisiche per la descrizione dell'energia trasportata dalla radiazione - Irradianza e radianza solare sulla Terra - Temperature di brillanza e di colore - Temperature di emissione del Sole e della Terra - Effetto serra - Termalizzazione della radiazione solare - Corpi grigi ed assorbitori selettivi --
Riflessione della radiazione ed albedo - Trasmissione della radiazione - Diffusione - Semplice modello multistrato di equilibrio radiativo - Trasferimento della radiazione solare e di quella terrestre in atmosfera - Radiazione ad onda lunga uscente - Rateo di riscaldamento radiativo - Effetti radiativi delle nubi - Profilo di temperatura di equilibrio radiativo.

8) Dinamica dell'atmosfera
Cinematica dei moti orizzontali a grande scala - Avvezione - Approccio Lagrangiano ed Euleriano - Dinamica dei flussi orizzontali: forze reali ed apparenti nel sistema terrestre rotante - Carte meteorologiche e principali strutture bariche - L'equazione del moto orizzontale - Vento geostrofico - Effetto dell'attrito presso la superficie - Vento di gradiente - Equilibrio ciclostrofico - Numero di Rossby - Equazione del moto verticale - Vento termico - Atmosfera barotropica e baroclina - Avvezione geostrofica di temperatura - Vorticità assoluta e relativa - Vorticità potenziale - Equazione dell'energia termodinamica - Equazione di continuità - Inferenza del campo di moto verticale - Il sistema  delle equazioni primitive - Circolazione generale dell'atmosfera - Correnti a getto - Instabilità barotropica e baroclina - Trasporto di calore verso i poli.

9) Concetti e fenomeni meteorologici
Masse d'aria e fronti - Cicloni extratropicali e la teoria del fronte polare.

10) Osservazioni e modelli dell'atmosfera

1) Introduction

2) General description of the atmosphere

3) The Earth's climate system
The Sun - Earth's rotation and revolution motions - Mean daily insolation of
the Earth's surface as a function of season and latitude - Components of the climate system and their role in determining Earth's current climate.

4) Thermodynamics of a dry atmosphere
Equation of state for a mixture of gases - Maxwell-Boltzmann velocity
distribution - Hydrostatic equilibrium - Geopotential, geopotential height,
geopotential thickness - Scale height and the hypsometric equation -
Orographic effect on atmospheric pressure and pressure reduction to sea
level - Why do Earth's atmosphere gases not escape into the near vacuum
of space - Energy and the 1st law of thermodynamics - Enthalpy
- Dry static energy - Entropy and the 2nd principle of thermodynamics -
Concept of air parcel - Potential temperature - Dry adiabatic lapse
rate - Thermodynamic diagrams - Static stability of dry air - Buoyancy
forces.

5) Thermodynamics of a moist atmosphere
Vapor pressure - Virtual temperature - Absolute measures of water vapor
content in air - Clausius-Clapeyron equation - Potential temperature of
unsaturated moist air - Saturation mixing ratio - Static stability of
unsaturated moist air - Measures of water vapor content in air with
respect to saturation - Wet-bulb temperature - Moist static energy -
Saturated adiabatic lapse rate - Normand's rule.

6) Cloud microphysics
Homogeneous and heterogeneous nucleation of water droplets - Cloud
condensation nuclei - Formation of fog - Homogeneous and
heterogeneous nucleation of ice crystals - International classification of
clouds - Formation of precipitation in "warm" and "cold" clouds - Types of
precipitation.

7) Radiative transfer
Physical quantities used to describe the energy carried by radiation -
Solar irradiance and radiance on Earth - Brightness temperature and
color temperature - Emission temperature of the Sun and of the Earth -
Greenhouse effect - Thermalization of solar radiation - Grey bodies and
selective absorbers - Reflection and albedo - Transmission - Scattering -
Simple multi-layer models of radiative equilibrium - Transfer of solar and
terrestrial radiation in the atmosphere - Outgoing longwave radiation -
Radiative heating rate - Radiative effects of clouds - Radiative
equilibrium temperature profile.

8) Atmospheric Dynamics
Kinematics of the large-scale horizontal flow - Advection -Lagrangian and
Eulerian approaches - Dynamics of horizontal flow:
real forces and apparent forces in a rotating reference frame -
Meteorological charts and main pressure structures - The horizontal equation of motion - The
geostrophic wind - The effect of friction near the Earth's surface - The
gradient wind - Cyclostrophic equilibrium - Rossby number - The vertical
equation of motion - The thermal wind - Barotropic and baroclinic
atmosphere - Geostrophic temperature advection - Absolute and
potential vorticity - The thermodynamic energy equation - The continuity
equation - Inference of the vertical motion field - The set of primitive
equations - The atmospheric general circulation - Jet streams - Barotropic
and baroclinic instability - Poleward heat transport.

9) Meteorological concepts and phenomena
Air masses - Fronts - Extratropical cyclones and the polar front theory.

10) Observation and modelling of the atmosphere

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Modalità di insegnamento

Il corso è erogato per l'A.A. 2021-2022 in modalità mista, in presenza e in contemporanea trasmessa online via piattaforma webex, con materiale elettronico di supporto, salvo nuovo aggravarsi dell'emergenza sanitaria. E' assicurata la modalità a distanza per tutto l'anno accademico con registrazioni caricate sulla pagina moodle del corso.

Le stanze virtuali webex di riferimento sono quelle personali dei docenti: 

https://unito.webex.com/meet/carla.taricco

https://unito.webex.com/meet/enrico.arnone


This course consists of lectures with the support of Power-Point slides, in the lecture room and streamed via the webex platform. Distance learning is ensured for the whole academic year uploading lecture recording on the moodle platform.

The virtual webex rooms are: 

https://unito.webex.com/meet/carla.taricco

https://unito.webex.com/meet/enrico.arnone

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento sarà verificato mediante esame orale in presenza o a distanza.
Learning verification will be carried out by means of oral examination (with the possibility of an online exam).

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Attività di supporto

Visite a laboratori o altre postazioni sperimentali.
Visits to laboratories or other experimental locations.

Testi consigliati e bibliografia

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Atmospheric Science - An Introductory Survey
Autore: John M. Wallace, Peter V. Hobbs Edizione: Seconda edizione (2006)
Casa editrice: Academic Press
ISBN: 012732951X

Atmospheric physics, D.G.Andrews, Cambridge Univ. Press
ISBN: 0521629586

Physics of climate - Peixoto, Oort
ISBN-10: 0883187124

Meteorology: Understanding the Atmosphere
Autore: Steven Ackerman, John KnoxEdizione: 2nd International Edition 2007
Casa editrice: Thomson Brooks/Cole
Url: http://0495112852



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Note

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria, ma fortemente consigliata.
Attending the lessons, although not mandatory, is highly recommended.

Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    01/03/2020 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/12/2022 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 28/06/2022 15:31