Vai al contenuto principale
Oggetto:
Oggetto:

FISICA DELL'ATMOSFERA

Oggetto:

Physics of athmosphere

Oggetto:

Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN0257
Docente
Prof. Silvia Maria Alessio (Titolare del corso)
Corso di studi
Laurea Magistrale in Chimica dell'Ambiente D.M. 270 (1° anno)
Anno
1° anno
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/06 - fisica per il sistema terra e per il mezzo circumterrestre
Lingua di insegnamento
Italiano
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Fisica (cinematica, statica, termodinamica, dinamica)
Analisi matematica (funzioni, limiti, derivate e differenziali per funzioni di una o più variabili, equazioni differenziali ordinarie e alle derivate parziali, integrali indefiniti e definiti)
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il corso è composto da lezioni frontali, in cui vengono esposti gli argomenti teorici e vengono forniti esempi numerici ed effettuate esercitazioni, nelle quali vengono affrontati e risolti problemi di interesse pratico. Il ciclo di lezioni, tenute in lingua italiana, è costituito da sei parti fra loro integrate: • Elementi di Fisica dell’Atmosfera, di Meteorologia Dinamica e di Climatologia • Modelli di formazione dell’atmosfera e della successiva evoluzione della sua composizione fino alla forma odierna • Elementi sulle tecniche di campionamento dei dati atmosferici effettuati dalle stazioni meteorologiche e sul loro utilizzo a fini ambientali (rose dei venti, piovosità, nuvolosità, distribuzione verticale della temperatura e dei venti sulla Terra). • I processi fisici della dispersione degli inquinanti atmosferici (gas e polveri finemente suddivise) • Modelli matematici (analitici e numerici) della diffusione e diluizione degli inquinanti in atmosfera che verranno presentati in successione.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova orale.

Oggetto:

Programma

Principali caratteristiche dell'atmosfera terrestre Forze attive, apparenti e dissipative agenti sugli elementi fluidi. L'equilibrio statico. Circolazioni atmosferiche indotte da disuniformità orizzontali di temperatura. Circolazioni di brezza. Il miscuglio gassoso atmosferico. L'aria come miscuglio della frazione non condensabile e del vapore. Equazione di Clapeyron. Legge di stato dei gas per l'aria. Costanti specifiche dei gas e volumi specifici del miscuglio non condensabile,del vapor d'acqua e dell'aria. Relazioni fra i volumi specifici. Temperature convenzionali. Galleggiamento idrostatico relativo. Il geopotenziale. Coordinate "geometriche","isobariche" e ”isentropiche” in uso nella meteorologia- L'equazione dell'equilibrio statico in coordinate isobariche (o di pressione). Formula barometrica generale nella densità e nella temperatura dell'aria. .Rappresentazioni di superfici isoparametriche in coordinate geometriche(isobare) e isobariche (equipotenziali). Trasformazione del gradiente orizzontale di pressione nel gradiente isobarico di geopotenziale. La trasformazione adiabatica "non satura" connessa ai moti verticali dell'aria. Trasformazioni adiabatiche "sature" e non sature in coordinate geometriche e isobariche. Equazione differenziale di Poisson delle variazioni di temperatura nelle trasformazioni adiabatiche non sature dell'aria. Temperatura convenzionale "potenziale" dell'aria. Integrazione dell'equazione di Poisson. Il "lapse-rate" per processo adiabatico. Analisi della stabilità dell'aria. Moto verticale accelerato, stabilità "condizionale" dell'aria "satura" per rilasci di calore latente. Processi pseudoadiabatici con e senza precipitazione del "condensato". Temperature convenzionali pseudoequivalente e pseudopotenziale. Le temperature convenzionali di "rugiada, di "bulbo bagnato"e "equivalente". Grandezze idrometriche (umidità specifica, relativa e assoluta; mixing-ratio). Struttura verticale dell'atmosfera (troposfera,stratosfera, mesosfera, termosfera) definita in base ai gradienti medi verticali della temperatura-Struttura verticale dei venti e delle correnti a getto. Circolazione generale dell'atmosfera (Celle di Hadley, Ferrel, Walker e vortice polare). Cenni di dinamica atmosferica -Il ruolo delle forze apparenti di Coriolis. Approssimazione di equilibrio geostrofico (traiettorie dell'aria parallele alle isobare e moti uniformi. Moti ageostrofici (accelerati) a scala sinottica e a mesoscala. Cenni alle equazioni generali del moto dell'atmosfera sulla Terra rotante (equazioni di Navier-Stokes). Il bilancio radiativo e termico della Terra. Scenari di emissioni di gas serra e di variazioni climatiche nel futuro. Controreazioni del sistema climatico terrestre tendenti a bilanciare le variazioni climatiche. Lo strato limite planetario dell'atmosfera(SLPA). Origine meccanica e termica della turbolenza atmosferica nel SLPA. La misura superficiale di vento, temperatura, umidità, torbidità, ecc. in ambienti urbani. Modelli empirici di variazione verticale della velocità del vento nel SLPA. Profili verticali della temperatura e dell'umidità nel SLPA urbano. Coefficienti di diffusione turbolenta di massa, calore e quantità di moto. Nomogrammi e relazioni empiriche (di Pasquill-Gifford) per la dispersione atmosferica in funzione delle condizioni meteo-sinottiche (vento, nubi, insolazione, periodo dell'anno). Modelli gaussiani di dispersione di effluenti in atmosfera (emissione continua, o "plume"). Modelli di innalzamento di "plume" caldi in diverse condizioni di stabilità dell'aria. Formule di Briggs, Moore e del CONCAWE. Emissioni istantanee e discontinue (puff). Modelli di dispersione di rilasci accidentali singoli o multipli.

1) Introduction
Meteorology and climatology – Rotating reference frame of the Earth –
Fundamental physical quantities – Local and total derivatives.
2) Overview of the main course topics
Optical properties of the atmosphere – Mass – Present chemical
composition – Vertical structure – Winds – Precipitation – Average
climatological distributions, etc.
3) The Earth System (Climate System)
The Sun – Earth rotation and revolution motions – Mean daily insolation of
the Earth’s surface as a function of season and latitude. The various
components of the Climate System and their roles in determining Earth’s
present 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 hypsometric equation –
Orographic effect on atmospheric pressure and pressure reduction to sea
level – Why do the Earth's atmosphere gases not escape into the nearvacuum
of space – Energy and the 1st Lawof Thermodynamics – Enthalpy
– Dry static energy – Entropy and the 2nd Principle of Thermodynamics –
Concept of an “air particle” – 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 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 fogs. Homogeneous and
heterogeneous nucleation of ice crystals. International classification of
clouds. Formation of precipitation in “warm” and “cold” clouds. Types of
precipitation.
8) Radiative tranfer
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.

9) Atmospheric Dynamics
Kinematics of the large-scale horizontal flow. Dynamics of horizontal flow:
real forces and apparent forces in a rotating reference frame –
Meteorological charts and main pressure structures – Lagrangian and
Eulerian approaches - 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.
10) Meteorological concepts and phenomena
Air masses – Fronts – Extratropical cyclones and the polar front theory.
11) Elements of Climate Dynamics
Climate variability and climate change – The present-day climate – Global
energy balance – Radiative-convective equilibrium model. Climate
equilibria, sensitivity, and feedbacks - Projections of future greenhouse
warming.

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Ultimo aggiornamento: 15/05/2015 16:03
Non cliccare qui!