58357 - FISICA DELL'ATMOSFERA E METEOROLOGIA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente: - applica la conoscenza dell'elettromagnetismo e della fisica quantistica ai processi di assorbimento e di emissione della radiazione da parte di solidi e gas; - conosce il bilancio energetico del pianeta,gli scambi energetici con lo spazio esterno e le misure che sono utilizzate per determinarli, come pure le loro limitazioni intrinseche; - conosce le leggi di conservazione alla base della dinamica e della termodinamica dell'atmosfera e le principali forme di instabilità; - conosce le caratteristiche e le proprietà delle onde di gravità, barocline e delle onde di Rossby; - conosce le principali tipologie dei modelli numerici di previsione del tempo e le problematiche relative alle parametrizzazioni utilizzate; - utilizza le conoscenze acquisite per interpretare dati misurati da sensori per lo studio dell'atmosfera e per interpretare i prodotti dei modelli di previsione allo scopo di prevedere il tempo; - utilizza testi e appunti di lezione del docente scritti in lingua inglese ed acquisisce abilità nella comunicazione sulla materia venendo a conoscenza della terminologia inglese in uso; - sviluppa modelli semplici (termodinamica, effetto serra) durante le esercitazioni; - predispone una relazione al termine delle esercitazioni e la espone durante la prova finale.

Contenuti

Modulo 1: Fisica dell'atmosfera 3 CFU (18 ore frontali, 10 ore di laboratorio)

Introduzione alla fisica dell’atmosfera ed alla meteorologia (storia, applicazioni trasversali, problemi aperti, opportunità offerte dalla LM FST). Il sistema osservativo per l’atmosfera (misure in situ e da remote sensing).

Definizione base delle variabili radiometriche, relazione tra radianza ed irradianza. Radianza ed irradianza spettrale. Richiami di radianza di corpo nero. Temperatura di brillanza con esempi. Sensitività della funzione di Planck in vari intervalli spettrali. Assorbimento ed emissione. Legge di Kirckhoff; equilibrio termodinamico locale (LTE) e limiti di applicazione.

Irradianza spettrale del sole alla sommità dell'atmosfera. Insolazione istantanea e giornaliera: distribuzione dell'insolazione in funzione della latitudine e del tempo.

Modello base di equilibrio energetico planetario: temperatura di emissione in funzione della irradianza solare e dell'albedo planetario. Ruolo dei gas atmosferici nel modulare l'emissione di onda lunga, l'effetto serra naturale e forcing radiativo dei gas serra.

Equazione differenziale per l'estinzione. Cammino ottico e trasmissività. Estinzione della radiazione solare diretta: equazione di Bouguer. Rilevanza dei fenomeni di assorbimento e diffusione in atmosfera in funzione della lunghezza d'onda.

L'equazione differenziale di trasferimento radiativo in presenza di processi di assorbimento ed emissione. Derivazione della soluzione di Schwarzschild nel caso generale e per una atmosfera piano-parallela. Simulazione della radianza misurata al suolo e da satellite. Misure di radianza spettrale da satellite attorno alla Terra ed attorno a Marte. Ruolo della spettroscopia nella derivazione delle informazioni da misure di radianza spettrale.

Proprietà radiative di superfici naturali ed artificiali. Presentazione del satellite MSG e del radiometro SEVIRI. Discussione approfondita delle immagini SEVIRI e di sequenze di immagini multispettrali. Fenomeni tipici della meteorologia alle medie latitudini nelle immagini da satellite: cicloni extratropicali. Modello della scuola di Bergen.

Bilancio energetico della Terra nello spazio. La misura della irradianza solare totale: introduzione alle tecniche di misura e limitazioni. Misure giornaliere di TSI da parte di vari sensori. Errori sistematici e correlazioni tra serie di dati diversi. Bilancio energetico alla sommità della atmosfera: definizioni, tecniche di misura e limitazioni. Esempi di misure di budget radiativo (CERES) e budget radiativo zonale.

Bilancio energetico globale medio dell'atmosfera.

Laboratorio di analisi dati: esercitazioni complesse sul clima in condizioni di equilibrio (10 ore).

Modulo 2: Meteorologia sinottica e previsione del tempo 3 CFU (22 ore frontali, 6 ore di laboratorio)

Lecture 1: Introduction to synoptic meteorology
Lecture 2: Atmospheric thermodynamics (1st part)
- Ideal Gas Law
- Avogadro Assumptions
- Dry and Moist Air
- Virtual Temperature
- Hydrostatic Equation
- Geopotential
- Hypsometric Equation
Lecture 3 - Atmospheric thermodynamics (2nd part)
- First Law Of Thermodynamics
- Joule’s Law
- Specific Heats
- Enthalpy
- Adiabatic Processes
- Concept of an Air Parcel
- Dry Adiabatic Lapse Rate
-Potential Temperature
Lecture 4: Atmospheric thermodynamics (3rd part)
- Water vapor in the Atmosphere
-Saturation vapor pressure
- Humidity parameters
- Thermodynamic diagrams
- Lifting Condensation Level
-Wet-bulb Temperature
-Hydrostatic Stability Of Unsaturated Air
- Latent Heat
- Saturated Adiabatic and Pseudoadiabatic Process
- Saturated Adiabatic Lapse Rate
- Equivalent Potential Temperature
- Skew emagram (Skew(T-lnp ) diagram)
- Normand’s Rule
Lecture 5: Atmospheric thermodynamics (4th part)
- Stability Of saturated Air
- Conditional and Convective Instability
- Convective Inhibition (CINE)
- Convective Available Potential Energy (CAPE)
STABILITY EXERCISES
- The Carnot Cycle
- The Clausius-Clapeyron (C-C) equation
- Entropy
- The Second Law of Thermodynamics
- Skew-T log-P diagram
Lecture 6 : Dynamics of synoptic motions (1st part)
- Momentum Equation
- Vectorial Form – In Rotating Coordinates
- Scalar Components– In Spherical Coordinates
- Scale Analysis Of The Equations Of Motion
- Horizontal Motions: Geostrophic Approximation
- Horizontal Motions: Approximate Prognostic Equations
- Vertical Motions: The Hydrostatic Approximation
Lecture 7 Dynamics of synoptic motions (2nd part)
- The Continuity Equation
- Eulerian Derivation
- Lagrangian Derivation
- Scale Analysis of the Continuity Equation
- The Thermodynamic Energy Equation
- Scale Analysis of the Thermodynamic Energy Equation
Lecture 8 : Dynamics of synoptic motions (3rd part)
- Balanced Flow
- Geostrophic Flow
- Inertial Flow
- Cyclostrophic Flow
- The Gradient Wind Approximation
Lecture 9: Dynamics of synoptic motions (4th part)
- The Thermal Wind
- Vertical Motion
- The Kinematic Method
- The Adiabatic Method
- The pressunre tendency equation
Lecture 10 : Synpotic systems
- Fronts
- Frontogenesis
- The simpler 2-D problem
- Frontogenesis in 3 dimensions
- Secondary circulations
- Warm Front
- Cold Front
- Stationary and Occluded Front
- Warm Occlusion
- Cold Occlusion
- Ana-Fronts
- Kata-Fronts
- Mechanisms of frontogenesis
- Role of moisture in frontal circulation
Lecture 11 : Synpotic systems
Pressure Systems
Theory for extratropical cyclones
Cyclones
Weather maps
It will follow 2 laboratory demonstration (4 hours each)
Laboratory 1: Radiosounding interpretation
Laboratory 2: weather maps reading (fronts, pressure systems at 850mb, 500mb, 350 mb)

Testi/Bibliografia

Le dispense (in lingua inglese) del docente sono disponibili online.

Le dispense contengono inoltre una bibliografia estensiva.

Atmospheric Science, an introductory survey. John M. Wallace e Peter V. Hobbs, second edition Academic Press 2006.

Metodi didattici

Lezioni frontali con ampio utilizzo di materiali multimediali.

Esercitazioni in aula con intervento attivo degli studenti.

Esercitazioni più complesse sul clima in condizioni di equilibrio e sulla termodinamica dell'atmosfera sono svolte durante il laboratorio finale.

Le lezioni possono essere svolte in lingua inglese, se richiesto dagli studenti.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Relazione scritta sulle attività svolte durante il laboratorio.

La verifica è affidata ad un esame orale unico per i due moduli, consistente in una discussione sulla relazione del laboratorio del modulo 1 ed in domande libere sugli argomenti del programma che possono prevedere la risoluzione di esercizi.

Strumenti a supporto della didattica

Pc e videoproiettore.

Attività più complesse in aula possono essere svolte su pc o con un notebook personale.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Rolando Rizzi

Consulta il sito web di Silvana Di Sabatino