58357 - FISICA DELL'ATMOSFERA E METEOROLOGIA

Anno Accademico 2022/2023

  • Docente: Tiziano Maestri
  • Crediti formativi: 6
  • SSD: FIS/06
  • Lingua di insegnamento: Italiano
  • Moduli: Tiziano Maestri (Modulo 1) Natale Alberto Carrassi (Modulo 2)
  • Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1) Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2)
  • Campus: Bologna
  • Corso: Laurea Magistrale in Fisica del sistema Terra (cod. 8626)

    Valido anche per Laurea Magistrale in Physics (cod. 9245)

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente: - applica la conoscenza dell'elettromagnetismo per l’interpretazione dei processi di assorbimento e di emissione della radiazione da parte dei gas atmosferici; - 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 i processi che sono alla base dell’effetto serra, la forzatura radiativa dovuta ai gas ed alle nubi; - è capace di costruire un modello analitico di bilancio radiativo per lo studio del profilo di temperatura atmosferico; - è capace di stimare le costanti temporali radiative e la sensibilità climatica di semplici modelli unidimensionali - conosce la struttura atmosferica e le caratteristiche termiche, chimiche e statiche degli strati che la compongono; - conosce ed utilizza i principali sistemi di riferimento usati in meteorologia; - conosce le leggi di conservazione alla base della dinamica e della termodinamica dell'atmosfera e le principali forme di instabilità; - conosce le caratteristiche principali delle più frequenti strutture sinottiche presenti alle medie latitudini e le riconosce nei dati d satellite e da misure al suolo; - 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; - sa applicare alcuni concetti appresi teoricamente all’analisi di radiosondaggi e cartine meteorologiche.

Contenuti

Il corso è organizzato in 2 moduli. Il modulo A (28h, formalmente Modulo2) tratta i fondamenti della Meteorologia Sinottica ed il modulo B (24h, formalmente Modulo 1) riguarda le basi del trasferimento radiativo e i bilanci energetici in atmosfera.

 

Il modulo A (Prof. Carrassi) si articola come segue:

Introduzione alla meteorologia sinottica;

Termodinamica dell'atmosfera:

- Equazione Hypsometrica

- Processi adiabatici e Dry Adiabatic Lapse Rate

- Processi umidi

- Diagrammi termodinamici

- Stratificazione termica statica: neutrale, stabile e instabile

- Instabilità condizionale e convettiva

- Inibizione convettiva (CIN)

- Convective Available Potential Energy (CAPE)

Dinamica dei sistemi alla scala sinottica:

- I sistemi sinottici

- Equazione del moto in forma vettoriale e in vari sistemi di coordinate

- Equazione di continuità

- Equazione per l'energia

- Analisi di scala delle equazioni del moto

- Analisi di scala dell'equazione di continuità

- Moti verticali

- Equazione per la tendenza di pressione

- Soluzioni delle equazioni per il vento di gradiente; vento inerziale; vento ciclostrofico

- Approssimazione geostrofica

Elementi di sinottica:

- Fronti

- Cicloni

- Mappe meteorologiche e loro interpretazione

 

Il Modulo B (Prof. Maestri) si articola come segue:

1 Radiative transfer in atmosphere: basic definitions

  • Thermal and chemical structure of the atmosphere
  • Radiatively active gases
  • Electromagnetic spectrum
  • Sun solid angle
  • Monochromatic and total radiance and irradiance

2 The Sun

  • Sun luminosity and solar constant
  • Solar spectrum
  • Natural variation of solar total irradiance
  • Insolation

3 Black body and thermodynamic equilibrium

  • Maxwell Boltzmann’s distribution
  • Derivation of the Planck’s equation
  • Features of the black body model
  • Local thermodynamic equilibrium in the atmosphere

4 Absorption of radiation in the atmosphere

  • The law of absorption
  • Monochromatic transmissivity, absorptivity and reflectivity
  • Measures of solar radiation from the ground: Smithsonian method

5 Emission of radiation in the atmosphere

  • The source function
  • The Schwarzschild’s equation
  • Brightness temperature

6 Introduction to scattering

  • Scattering regimes
  • A simple scattering model

    7 Measuring trace gases in the atmosphere

  • Ozone total column from ground
  • Differential absorption spectroscopy
  • Scattered light DOAS

8 Energy balance 1-D models

  • Radiative heating in the atmosphere
  • BDRF and spherical albedo
  • Earth emission
  • Radiative equilibrium of a planet

9 Greenhouse effect

  • Greenhouse parameter
  • Radiative equilibrium in a window black/grey atmospheric model
  • Greenhouse model and climate sensitivity

10 Radiation and Temperature profile

  • Multiple layers window gray model
  • Equiibrium temperature profile
  • Runaway greenhouse

11 Climate sensitivity and feedbacks

  • Climate radiative forcing: external and anthropogenic
  • Equilibrium response to radiative forcing (i.e. Volcanic eruption)
  • Equilibrium Climate sensitivity
  • Feedbacks

12 Radiative time constant

  • Dark side temperature
  • Adiabatic and radiative lapse rate

13 Energy balance

  • Global energy balance and Trenberth plot
  • Cloud forcing and feedback
  • Latitudinal mean distribution of radiative fluxes
  • Mean energy balance at the surface

Testi/Bibliografia

Le dispense dei docenti (in lingua inglese) 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 utilizzo di materiali multimediali.

Esercitazioni in aula con intervento attivo degli studenti e distribuzione di materiale supplementare.

Esercitazioni più complesse sul clima in condizioni di equilibrio, sulla termodinamica dell'atmosfera e sui sistemi alla scala sinottica sono svolte durante il corso.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica è affidata ad un esame orale unico per i due moduli, consistente in domande libere sugli argomenti del programma.

Strumenti a supporto della didattica

Gli studenti avranno a loro disposizione:

* Appunti delle lezioni (formato elettronico pdf)

* Articoli scientifici utili all'approfondimento di alcune tematiche

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 Tiziano Maestri

Consulta il sito web di Natale Alberto Carrassi

SDGs

Lotta contro il cambiamento climatico

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.