00410 - FISICA DELL'ATMOSFERA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente: - conosce la struttura media dell'atmosfera (temperatura, concentrazione dei gas, componenti zonali e meridiane del vento); - applica la conoscenza dell'elettromagnetismo e della fisica quantistica ai processi di assorbimento della radiazione da parte di solidi e gas ed al processo di emissione della radiazione; - conosce gli effetti dello scambio radiativo, come il riscaldamento o raffreddamento della superficie e degli strati atmosferici; - conosce il bilancio energetico del pianeta con lo spazio esterno e le misure che sono utilizzate allo scopo, come pure le loro limitazioni intrinseche; - conosce le basi della fisica dello strato limite atmosferico, delle forzanti dinamiche e termiche e dei metodi di osservazione della dinamica e della composizione dello strato limite; - conosce la teoria di similarità ed i profili delle principali quantità medie (velocità, temperatura, vapor d'acqua) in funzione della quota, all'interno dello strato limite ed il bilancio di energia al suolo; - applica le conoscenze di termodinamica atmosferica allo studio della stabilità ed al ruolo delle variazioni di fase del vapore acqueo; - utilizza modelli semplificati ed è chiamato a svilupparli ulteriormente nella parte di laboratorio per interpretare il profilo di temperature in equilibrio radiativo al variare dei parametri fondamentali; - utilizza le conoscenze acquisite per interpretare dati misurati da sensori nell'infrarosso; - comprende alcuni comuni fenomeni atmosferici ed è in grado di interpretare dati multispettrali di elevata complessità ed estrarre da essi le informazioni di base; - 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; - svolge il laboratorio in gruppi di due studenti, per migliorare l'interazione con i colleghi e la capacità di condurre attività in collaborazione; - predispone una relazione al termine del laboratorio del corso e la espone durante la prova finale.

Contenuti

Complementi di termodinamica: legge dei gas perfetti, aria secca e suo peso molecolare; equazione idrostatica, geopotenziale e altezza di geopotenziale.processi adiabatici; concetto di particella d'aria; variazioni di temperatura durante processi adiabatici; moti adiabatici verticali e gradiente verticale (lapse rate) di temperatura adiabatico secco. Invariante per moti adiabatici secchi: la temperatura potenziale. Equazione di Poisson.
Diagrammi termodinamici. Curve di temperatura potenziale costante e di rapporto di mescolanza a saturazione costante. Spessore di strati compresi tra superfici equipotenziali; dipendenza dello spessore dalla temperatura media dello strato: equazione ipsometrica. Esercizi quantitativi utilizzando diagrammi termodinamici.
Stabilità per moti verticali in atmosfera in assenza di condensazione. Instabilità convettiva. Miscugli di aria secca e vapore acqueo; temperatura virtuale; vapore d'acqua in atmosfera; rapporto di mescolanza, pressione parziale di vapore e di saturazione; calori latenti. Rapporto di mescolanza in condizioni di saturazione ed umidità relativa.
Processi adiabatici saturi e processi pseudoadiabatici. Lapse rate saturo. Temperatura potenziale equivalente. Temperatura di rugiada e temperatura di bulbo bagnato. Stabilità verticale in presenza di condensazione, instabilità condizionale (CAPE) e convettiva.

Meccanismi che influenzano il comportamento dell'atmosfera: gravità, comprimibilità, rapporto di mescolanza e trasformazioni di fase, trasformazioni chimiche e processi di fotodissociazione; interazioni diabatiche ai confini ed all'interno del fluido ed effetto della rotazione della terra.
Profilo verticale (in funzione dell'altezza) medio di pressione densità e cammino libero medio. Altezza di scala. Media di variabili geofisiche: media di quantità scalari e vettoriali. Media temporale e globale. Sistema osservativo per la meteorologia: distribuzione delle osservazioni alla superficie ed in quota. Osservazioni da aereo e da satellite.
Profilo verticale della temperatura media ed introduzione ai fenomeni fisici che la generano. Struttura termica della stratosfera: assorbimento da parte di O2 ed O3. Relazione tra profilo di ozono e profilo della temperatura. Mesosfera e termosfera. Variazioni latitudinali del profilo medio zonale di temperatura. Variazioni temporali dei profili medi zonali.
Profilo verticale medio della concentrazione dei costituenti gassosi principali e del peso molecolare medio. Omosfera ed eterosfera: ruolo dei processi di convezione e di diffusione.
Sezione verticale della struttura della temperatura media di lungo periodo per i mesi di gennaio e luglio. Andamento latitudinale dell'altezza della tropopausa. Struttura latitudinale del profilo di vento medio zonale. Circolazione meridiana. Montgomery streamfunction. Introduzione alla circolazione diretta della cella di Hadley.

Definizione base delle variabili radiometriche (lavoro, potenza, radianza, irradianza, quantità spettrali). Relazione tra radianza isotropa ed irradianza. Radianza come funzione di distribuzione. Radianza ed irradianza spettrale. Sviluppo storico della problematica legata alla radiazione emessa dai solidi. Radianza di corpo nero in funzione della lunghezza d'onda e del numero d'onda.Legge di Wien. Legge di Stefan-Boltzmann.
Modello base di equilibrio planetario. Temperatura di emissione per variazioni della costante solare e dell'albedo planetario. Temperature di emissione di Terra, Marte, Venere e Giove. Temperatura media superficiale e temperatura di emissione. Ruolo dei gas atmosferici nel modulare l'emissione di onda lunga. Assorbimento, riflessione e trasmissione per uno strato.
Modello 1-d dell'effetto serra per uno strato atmosferico che si comporta come un corpo nero. Estensione al caso di uno strato con assorbanza diversa da 1. Assorbanza e parametro serra (greenhouse parameter - g)

Assorbimento, riflessione e trasmissione per uno strato. Equazione differenziale per l'estinzione. Definizione delle sezioni d'urto spettrali per processi di assorbimento e
diffusione. Cammino ottico trasmissività.
Metodo di Langley per la stima della irradianza solare spettrale al di fuori dell'atmosfera. Irradianza spettrale solare alla sommità dell'atmosfera.
Legge di Kirckhoff ed emissività spettrale. Distribuzione della energia di Boltzmann per le molecole di un gas. Equilibrio termodinamico locale (LTE). Limiti all'applicazione del LTE all'atmosfera.
L'equazione differenziale del trasferimento radiativo in presenza di processi di assorbimento ed emissione. Derivazione della soluzione di Schwarzschild nel caso generale per una atmosfera piano-parallela. Funzione peso e suo significato. Applicazioni a radianza misurata al suolo e da satellite.
Equazione differenziale generale di trasferimento radiativo. Funzione sorgente completa: significato dei singoli termini. Soluzione formale generale e limiti di applicazione.
Calcolo della irradianza a cielo sereno. Tassi di raffreddamento e riscaldamento: esempio di calcolo nel visibile (modello di Chapman). Profili medi globali dei tassi di riscaldamento e raffreddamento e gas responsabili.

Bilancio energetico (radiativo) della Terra nello spazio. Le misure di irradianza solare e limitazioni. Distribuzione geografica dell'insolazione. Bilancio energetico alla sommità dell'atmosfera (TOA). Tecniche di misura e limitazioni. Discussione dei dati globali al TOA di lungo periodo di albedo planetario, irradianza di onda lunga uscente, irradianza netta di onda corta.

Turbolenza in atmosfera. Velocita', temperatura, contenuto di vapor d'acqua e concentrazioni come variabili stocastiche: funzione di distribuzione della probabilita', momenti, correlazioni e spettri.
Operazioni di media e formulazione delle equazioni: equazioni filtrate, equazioni alla Reynolds.
Proprieta' universali della turbolenza e intervallo inerziale (Kolmogorov, 1941). Dissipazione. Diffusione turbolenta.
Lo strato limite planetario in condizioni di omogeneita' orizzontale. Introduzione alla teoria di similarita' per lo strato superficiale.

Testi/Bibliografia

Atmospheric Science, An introduction John M. Wallace e Peter V. Hobbs Academic Press.

Dispense in lingua inglese contenenti il materiale per le lezioni (disponibili via web)

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni in aula. Esercitazioni più complesse di termodinamica e bilancio radiativo svolte durante il laboratorio finale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Relazione scritta su attività di laboratorio di analisi dati. Esame finale orale.

Strumenti a supporto della didattica

Pc e videoproiettore, esercitazioni ed attività più complesse in laboratorio.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Rolando Rizzi