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FISICA DELL'ATMOSFERA

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Atmospheric Physics

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Anno accademico 2015/2016

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
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/06 - fisica per il sistema terra e per il mezzo circumterrestre
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
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)
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Sommario insegnamento

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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,  focussing on thermodynamics, on hygrometric variables, on atmospheric stability, on the formation of clouds and precipitations, on the energy balance of the Earth’s system and the role of solar and terrestrial radiation, and, at last, 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 statica, 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 statics, dynamics and thermonidynamics of the atmosphere, and to master the most important equations that describe such phenomena.

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Modalità di insegnamento

Lezioni in aula
Lectures

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova orale. Durante la prova d'esame, della  durata tipica di 30 minuti,  lo studente dovrà affrontare due o tre argomenti tra quelli trattati nelle lezioni, almeno dal punto di vista qualitativo-descrittivo, e preferibilmente in modo moderatamente quantitativo.
The final test will consist of an oral exam in which the student will be requested to illustrate two or three topics  among those included in the syllabus, at least in a descriptive-qualitative manner, and preferably in a moderatey uantitative way.

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Attività di supporto

Nessuna.
None.

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Programma

 

1)     Introduzione
Meteorologia e climatologia – Sistema di riferimento rotante con la Terra – Grandezze fisiche fondamentali – Derivate totali e locali.


2) Panoramica dei principali argomenti del corso
Proprietà ottiche dell’atmosfera – Massa – Composizione chimica attuale – Struttura verticale – Venti – Precipitazioni – Distribuzioni climatologiche medie, etc.

3)     Il sistema Terra o sistema climatico.

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 – Temeperature 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 radiativoTrasferimento 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. Dinamica dei flussi orizzontali: forze reali ed apparenti nel sistema terrestre rotante – Carte meteorologiche e principali strutture bariche – Approccio Lagrangiano ed Euleriano – 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.

 

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.


7) 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.

8) 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.


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

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

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

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, though not mandatory, is highly recommended.

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Ultimo aggiornamento: 18/05/2016 09:42
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