Corso di laurea magistrale in Chimica dell'Ambiente

Fisica dell’Atmosfera

Anno accademico 2012/2013

Sommario insegnamento

• Obiettivi formativi
• Risultati dell'apprendimento attesi
• Programma
• Testi consigliati e bibliografia
• Strumenti didattici

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire una panoramica delle principali branche delle scienze atmosferiche.

Gli argomenti considerati basilari, dopo una preliminare descrizione del Sistema Terra inquadrato nel suo contesto astronomico, sono la Termodinamica dell’atmosfera, elementi di Microfisica atmosferica (formazione delle nubi e delle precipitazioni), i fenomeni radiativi (come la radiazione elettromagnetica di origine solare e quella infrarossa di origine terrestre interagiscono con l’atmosfera e la superficie del pianeta) e la Dinamica dell’atmosfera.

Questi argomenti sono trattati in maniera moderatamente quantitativa.

Seguono proposte di altri argomenti: concetti e fenomeni più propriamente meteorologici (quali masse d’aria e fronti, cicloni delle medie latitudini, fenomeni di convezione profonda, cicloni tropicali); lo strato limite planetario; elementi di dinamica del clima (il clima di oggi ed il bilancio energetico globale, fenomeni di variabilità climatica, equilibri climatici, sensitività climatica e feedbacks, previsione climatica, evidenze attuali e proiezioni modellistiche di riscaldamento globale).

Questi argomenti sono trattati in modo essenzialmente qualitativo-descrittivo e fra essi verrà fatta una scelta di aspetti da presentare a lezione, a seconda degli interessi espressi dagli studenti.

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza di base dei principali fenomeni termodinamici, microfisici, radiativi e dinamici in atmosfera.

Programma

1)      Introduzione al Corso

Le scienze atmosferiche e la loro suddivisione: la meteorologia e la climatologia – Coordinate geografiche e sistema di riferimento solidale con la Terra rotante –  Componenti della velocità usate nel descrivere i moti atmosferici – Grandezze fisiche fondamentali per l’atmosfera e loro derivata locale e totale – Il tempo atmosferico ed il clima.

2)      Panoramica dei principali argomenti del corso

Proprietà ottiche dell’atmosfera – Massa – Composizione chimica attuale – Struttura verticale (altezza di scala e classificazione degli strati atmosferici in base al rimescolamento, alla ionizzazione, alla distribuzione di temperatura con la quota) –  Venti (definizione di circolazione atmosferica generale, correnti a getto, onde barocline, cicloni extratropicali, zone frontali, cicloni tropicali; il campo di pressione al suolo ed in quota nelle mappe meteorologiche, moti ciclonici ed anticiclonici, flusso attraverso le isobare alla superficie; principali caratteristiche della circolazione generale in un modello semplificato di  “pianeta d’acqua in perpetuo equinozio” e nell’atmosfera reale; circolazioni monsoniche; circolazioni a piccola scala;  definizione di strato limite planetario, turbolenza) – Precipitazioni e loro distribuzione media climatologica, ecc…

3)      Il Sistema Terra o Sistema climatico

Nozioni astronomiche: Il Sole – Caratteristiche dei moti terrestri di rotazione e rivoluzione – Geometria terrestre rispetto al Sole (distanza Terra-Sole, angolo solare zenitale, azimutale e di declinazione, angolo orario,  casi particolari quali ora dell’alba e del tramonto e lunghezza del dì) – Insolazione giornaliera media in funzione della stagione e della latitudine.

Componenti del Sistema Terra: Atmosfera, idrosfera e criosfera, Terra solida, biosfera  – Oceani (caratteristiche generali, composizione e struttura verticale,  densità, temperatura e salinità, mixed layer oceanico, fenomeni di upwelling e downwelling, circolazione oceanica dovuta ai venti e circolazione termoalina profonda, biosfera marina, distribuzione climatologica della temperatura superficiale) – Criosfera (ice sheets continentali, ghiaccio marino, ghiacciai montani, copertura nevosa su terra, permafrost) – Biosfera terrestre (biomi e loro classificazione) – La crosta ed il mantello terrestre (la tettonica a placche e la deriva dei continenti) – Ruolo delle varie componenti del Sistema Terra nel clima, concetto di retroazione climatica (feedback) – Cenni sul ciclo idrologico.

4)      Termodinamica dell’atmosfera “secca”

Pressione di un gas su una superficie  –  Modello del gas perfetto  – Temperatura –  Legge dei gas perfetti  – Equazione di stato per una miscela di gas come l’aria  – Distribuzione di velocità di Maxwell-Boltzmann  – Pressione all’interno di un fluido  – Equilibrio idrostatico  – Geopotenziale, altezza e spessore di geopotenziale  – Altezza di scala ed equazione ipsometrica  – Effetto orografico sulla pressione e riduzione al livello del mare – Perché l’atmosfera non si disperde nello spazio  –  Energia interna ed esterna di un gas – Capacità termica e calore specifico a volume costante – Calore, lavoro ed il I° Principio della Termodinamica, trasformazioni ideali reversibili –  Calore specifico a pressione costante – Entalpia – Energia statica secca – Entropia e II° principio della Termodinamica – Trasformazioni adiabatiche – Trasformazioni irreversibili – Formulazione del secondo principio in termini di entropia – Applicazione dei Principi della Termodinamica all’atmosfera: concetto di particella d’aria – Direzionalità dei processi naturali – Ciclo di Carnot – Temperatura potenziale – Lapse rate adiabatico secco –  Diagrammi termodinamici (carta pseudoadiabatica, carta skew T – ln p, tefigramma) – Il concetto di stabilità statica per aria secca – Forze di galleggiamento o buoyancy – Frequenza di Brunt-Väisäla  – Convective Available Potential Energy (CAPE).

5)      Termodinamica dell’atmosfera umida

Pressione di vapore – Temperatura virtuale – Misure assolute di contenuto di umidità dell’aria (mixing ratio in massa, umidità specifica) – Forze intermolecolari e condensazione – Liquido in equilibrio col suo vapore – Pressione di vapore di saturazione ed equazione di Clausius-Clapeyron – Temperatura potenziale dell’aria umida insatura – Mixing ratio di saturazione – Stabilità statica dell’aria umida insatura – Specifiche del contenuto di umidità dell’aria in rapporto alla saturazione (umidità relativa, temperatura di rugiada, di brina) – Calore latente di vaporizzazione – Temperatura di bulbo bagnato – Variazione di energia libera di Gibbs nell’evaporazione a temperatura e pressione costante – Altezza di scala del vapore d’acqua – Livello di formazione delle nubi (lifting condensation level) – Processi adiabatici saturi e pseudo-adiabatici – Entropia umida satura – Temperatura potenziale equivalente – Temperatura equivalente – Temperatura potenziale di bulbo bagnato – Energia statica umida – Gradiente adiabatico umido saturo – Connessione tra le varie temperature termodinamiche (regola di Normand) – La stabilità in atmosfera umida (instabilità condizionale e convettiva) – CAPE e Convective Inhibition Energy (CINE).

6)      Formazione delle nubi e delle nebbie

Nucleazione di gocce d’acqua: Nucleazione omogenea – Effetto di curvatura per gocce sferiche (variazione di energia nella formazione di una goccia embrionale in funzione del raggio, equazione di Kelvin, umidità relativa di equilibrio e sovrasaturazione) – Nucleazione eterogenea (aerosoli nella troposfera, cloud condensation nuclei o CCN, legge di Raoult, relazione di Köhler, esempi con le curve di Köhler, gocce di foschia e gocce attivate) – Ascesa di aria umida: formazione di una nube – Proprietà dei CCN e differenza tra aria marina e continentale – Formazione della nebbia (nebbia radiativa o da irraggiamento, avvettiva, da evaporazione, orografica o di pendìo) –Meccanismi di salita dell’aria che portano alla formazione delle nubi.

Nucleazione di cristalli di ghiaccio: Nucleazione omogenea ed eterogenea per immersione, contatto e deposizione – Ice nuclei – Composizione delle nubi fredde – Moltiplicazione dei cristalli di ghiaccio.

Classificazione internazionale delle nubi.

7)      Precipitazioni

Formazione della precipitazione in nubi “calde”: Crescita delle gocce per condensazione e per coalescenza o coagulazione (modello di collisione continua) – Come le gocce arrivano ad uscire dalla base della nube, divenendo precipitazione – Effetto della velocità delle correnti ascensionali nella nube sulle dimensioni finali delle gocce.

Formazione della precipitazione in nubi “fredde”: Crescita dei cristalli di ghiaccio per diffusione molecolare (processo di Bergeron-Wegener), brinamento (riming) o accrezione, aggregazione.

Tipi di precipitazione: pioggia, neve, pioggia che gela (freezing rain), nevischio, grandine.

8)      Fenomeni radiativi

Concetti di base: Onde elettromagnetiche e fotoni – Grandezze usate per descrivere l’energia trasportata dalla radiazione (flusso radiante, irradianza, radianza e corrispondenti quantità monocromatiche) – Irradianza solare sulla Terra (“costante” solare) – Radianza della radiazione solare incidente  – Radiazione diffusa e parallela – Radiazione di corpo nero, formula di Planck, temperatura di brillanza  – Legge di Wien, temperatura di colore – Legge di Stefan-Boltzmann, temperatura di emissione del Sole e della Terra – Il concetto di effetto serra – Spettri di corpo nero rappresentativi del Sole e della Terra – Emissività e assorbività – Legge di Kirchhoff e termalizzazione della radiazione – Corpi grigi ed assorbitori selettivi  – Riflessione e riflettività (albedo) – Trasmissione e trasmissività  – Diffusione (scattering) – Effetti atmosferici sulla radiazione solare incidente (scattering, riflessione, assorbimento) – Estinzione della radiazione – Coefficienti di scattering, assorbimento, estinzione.

Modello schematico dello scattering: cenno alla teoria di Mie.

Primo approccio all’effetto serra: semplici modelli multistrato di atmosfera in equilibrio radiativo.

Assorbimento ed emissione di radiazione solare e terrestre da parte di molecole di gas: Effetti quantistici (continua di assorbimento, linee di assorbimento, allargamento delle righe di assorbimento) – Spettri schematici di assorbimento ed emissione selettiva da parte dei gas atmosferici – Spettro della radiazione solare al livello del mare con cielo sereno.

Trasferimento radiativo in atmosfera: Radiazione solare (legge di Bouguer-Lambert-Beer, profondità ottica, rateo di riscaldamento radiativo del gas atmosferico, modello di Chapman e livello di profondità ottica unitaria, riduzione del flusso solare nell’atmosfera)  – Radiazione terrestre (equazione di Schwarzschild e sua integrazione approssimata, livello effettivo di emissione della Outgoing Longwave Radiation (OLR), integrazione formale dell’equazione di Schwarzschild nel caso generale)  – Passaggio dalla radianza all’irradianza (approssimazione piano-parallela, approssimazione a due flussi)  – Lo spettro misurato della OLR  – Integrazione sul numero d’onda  – Ratei di variazione di temperatura dovuti ad assorbimento ed emissione di radiazione da parte dei gas atmosferici  – Effetto radiativo delle nubi (effetto di albedo ed effetto serra)  – Profili di temperatura di equilibrio radiativo  – Bilancio radiativo al top dell’atmosfera.

9)      Dinamica dell’atmosfera

Cinematica del flusso orizzontale a grande scala: Sistema di coordinate sferico rotante con varie coordinate verticali (geometrica, altezza di geopotenziale, pressione, coordinata σ, temperatura potenziale) – Coordinate naturali  – Proprietà cinematiche elementari del flusso (shear, curvatura, diffluenza, stretching, vorticità, divergenza, deformazione)  – Deformazione del campo di un tracciante passivo e ruolo della deformazione nella formazione di zone frontali  – Linee di flusso e traiettorie.

Dinamica del flusso orizzontale: Forze apparenti in un sistema di riferimento rotante (forza centrifuga e gravità effettiva, forza di Coriolis)  – Forze reali (forza di gravità, di gradiente di pressione e di attrito)  –  Forza orizzontale P_h dovuta al gradiente di pressione  – Gradienti di uno scalare su superfici orizzontali e su superfici isobariche  – P_h in funzione della pendenza delle superfici isobariche e in funzione del geopotenziale  – P_h nel sistema di coordinate naturali  – Carte meteorologiche  – Principali strutture bariche  – L’equazione per il moto orizzontale (forma lagrangiana)  – Il vento geostrofico  – Scala dei venti di Beaufort  – Effetto dell’attrito presso la superficie  – Il vento di gradiente  – L’equilibrio ciclostrofico  – Il numero di Rossby  – L’equazione del moto verticale (forma lagrangiana)  – Il vento termico  – Atmosfera barotropica e baroclina  – Avvezione geostrofica di temperatura  – Relazione tra l’avvezione e la rotazione del vento con la quota  – Influenza della rotazione planetaria sui moti a grande scala  – La vorticità nei moti atmosferici  – Equazione della vorticità  – Conservazione della vorticità assoluta  – Vorticità relativa geostrofica  – Vorticità potenziale e sua conservazione  – Equazione per l’energia termodinamica (forma lagrangiana)  – Approccio lagrangiano ed approccio euleriano  – Equazione dell’energia termodinamica in forma euleriana  – L’equazione di continuità  – Deduzione del campo di moto verticale  – Equazione di Margules  – L’equazione per il moto orizzontale in forma euleriana  – L’equazione verticale del moto sostituita nel caso di moti a grande scala con quella del bilancio idrostatico in coordinate di pressione  – Considerazioni conclusive sul sistema delle equazioni primitive.

La circolazione atmosferica generale: Come nasce la circolazione generale (i primi passi temporali dell’evoluzione di un semplice modello atmosferico basato sulle equazioni primitive con condizioni equinoziali in assenza di contrasti terra-mare)  – Celle meridionali di Hadley, Ferrel e polare, alisei e westerlies delle medie latitudini  – Origine delle correnti a getto  – Genesi delle onde planetarie e delle onde corte (instabilità barotropica e baroclina)  – Trasporto di calore verso i poli  – Ciclo dell’energia cinetica (equazione per la variazione temporale dell’energia cinetica, circolazioni termicamente dirette e inverse, schema del ciclo dell’energia cinetica).

10)    Concetti e fenomeni meteorologici

Masse d’aria (luoghi di origine, classificazione, fattori di modificazione, caratteristiche principali, proprietà delle masse d’aria calde e fredde) – Fronti e superfici frontali –  Classificazione dei fronti e loro proprietà (fronti freddi, caldi, occlusi, stazionari) – Segni meteorologici del passaggio di un dato tipo di fronte – Fronti permanenti e temporanei – Definizione di frontogenesi e frontolisi.

I cicloni delle medie latitudini (o extratropicali): Teoria del fronte polare (modello norvegese) – Ciclo vitale di un ciclone delle medie latitudini – Tempo atmosferico tipico associato al passaggio della perturbazione ciclonica – Sviluppo e rafforzamento di un ciclone delle medie latitudini in relazione alle condizioni necessarie in quota (divergenza e convergenza, avvezione calda e fredda e moti verticali) – Modello a conveyor belts – Connessione tra vorticità e divergenza – Moto dei cicloni – Blocchi anticiclonici – Polar lows.

Cenni su:

Effetti regionali su terreni complessi – Fenomeni di convezione profonda.

Depressioni, tempeste e cicloni tropicali.

Osservazione diretta e telerilevamento dell’atmosfera.

11)  Lo strato limite planetario

 Definizione e principali caratteristiche – La turbolenza nello strato limite – Comportamento dei fumi emessi da una ciminiera – Il bilancio energetico alla superficie – Struttura verticale del PBL – Evoluzione del PBL (processi che determinano lo spessore del PBL e ne causano l’evoluzione in risposta ai cambiamenti delle condizioni ambientali) – Il PBL su terreni complessi (effetti orografici, brezze marine, effetti urbani ecc…) – Le problematiche aperte nello studio del PBL – Alcuni noti dispositivi di remote sensing nel PBL.

12)  Elementi di Dinamica del Clima

 Il clima e la sua variabilità: Medie climatologiche ed anomalie – Variabilità climatica e cambiamento climatico – Il clima di oggi – Bilancio energetico globale (flussi radiativi e non radiativi) – Distribuzione media annuale latitudinale della radiazione netta al top dell’atmosfera da misure globali – I fattori che determinano la distribuzione verticale di temperatura nella troposfera – Modello di equilibrio radiativo-convettivo – Variazioni con l’ora del giorno: la marea termica atmosferica – Variazioni stagionali.

Modi di variabilità climatica: Variabilità climatica generata internamente  – La NAO (North Atlantic Oscillation) – Variabilità climatica accoppiata – Accoppiamento atmosfera-oceano tropicale – El Niño-Southern Oscillation (ENSO: climatologia media dell’atmosfera e dell’oceano sull’area pacifica tropicale e le modificazioni indotte da ENSO, il feedback di Bjerknes, la Southern Oscillation e l’indice SOI, altri indici di ENSO: le regioni NINO di SST, come si definiscono gli eventi di El Niño/La Niña, eventi di El Niño/La Niña dal 1950, il ciclo vitale degli episodi ENSO, impatto globale di ENSO, la teoria dell’oscillatore ritardato: come potrebbe nascere l’alternanza tra le fasi opposte di ENSO, il meccanismo di instabilità accoppiata, il ciclo interannuale di ENSO nella realtà, l’esempiodi El Niño 1997-98, le ragioni per cui soltanto il Pacifico ha ENSO) – Siccità e desertificazione (accoppiamento clima-biosfera terrestre, clima-criosfera e clima-crosta terrestre) – Variabilità solare – Impatto climatico delle eruzioni vulcaniche.

Equilibri climatici, sensitività climatica, feedbacks: I principali feedback cimatici ed il grado al quale attualmente sono conosciuti ed inclusi nei modelli – Forcing radiativo di una perturbazione del sistema climatico –  Sensitività climatica – Tempo richiesto per la risposta di equilibrio del sistema climatico  – Feedback del vapore acqueo, delle nubi e di ice-albedo più in dettaglio – Riscaldamento per aumentato effetto serra (greenhouse warming) –  Gli scenari per la previsione climatica: emissioni e concentrazioni di gas serra – Greenhouse warming potential (GWP) – Esistono già evidenze di un riscaldamento globale di origine antropica? – Proiezioni modellistiche di riscaldamento globale – Monitoraggio del clima.

Dispense fornite dal docente.

Atmospheric Science – An Introductory Survey (2nd Edition) di John M. Wallace, Peter V. Hobbs
Academic Press (2006)
ISBN: 012732951X

Meteorology Today - International Edition di Donald Ahrens
Thomson Brooks/Cole (2008)
ISBN: 0495555746

Dispense di Fisica dell'Atmosfera del Prof. Arnaldo Longhetto

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