58357 - FISICA DELL'ATMOSFERA E METEOROLOGIA

Anno Accademico 2022/2023

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

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