774SM - FISICA DELL'ATMOSFERA 2023
Section outline
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Fisica dell'Atmosfera è un corso a scelta del percorso formativo di Fisica Terrestre e dell’Ambiente, nell'ambito della laurea magistrale interateneo in Fisica (LM-17).
Lo scopo del corso e' quello di insegnare agli studenti il metodo per la costruzione di modelli concettuali e matematici che descrivano lo stato dei fenomeni atmosferici e che ne permettano la previsione dell'evoluzione, dalla scala planetaria alla scala scale locale.
Tale metodo si basa sull'applicazione dei principi fisici fondamentali al sistema atmosfera terrestre. -
Caratteristiche generali dell'atmosfera terrestre
Andamento termico medio in funzione della quota. Classificazione dell'atmosfera in funzione del profilo termico verticale. Composizione chimica dell'atmosfera e abbondanze relative dei componenti in funzione della quota. Circolazione planetaria generale. Il fronte artico, il fronte polare, il fronte subtropicale, il fronte intertropicale; le masse d'aria artica, quelle polari, quelle delle medie latitudini, quelle tropicali e quelle equatoriali. Sezioni verticali del campo termico planetario e di quello dei venti lungo i meridiani. Caratteristiche elettriche dell'atmosfera terrestre.-
L'animazione mostra la direzione e l'intensità media mensile dei venti alla superficie del pianeta terra, vettori, sovrapposti ai campi medi mensili di pressione ridotta al livello del mare. Ciascuna immagine mensile è la media si misure, integrate da simulazioni numeriche, eseguita sup periodo 1959-1997. Dati cortesemente messi a disposizione dal NOAA/ESRL (NCEP/NCAR reanalisis)
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Scale tipiche dei moti atmosferici
La scala planetaria, la scala sinottica, la mesoscala e la microscala. Fenomeni tipici di ciascuna scala: onde planetarie, sistemi frontali, monsoni, cicloni tropicali e extra tropicali, sistemi convettivi alla mesoscala, venti locali: brezze, venti catabatici (bora), Stau e Fohn. Vortici intensi nell'atmosfera: tornado e dust devils. Indici climatici e caratteristiche climatiche planetarie ENSO e NAO. Teleconnessioni. -
Durante queste lezioni viene completata la derivazione delle equazioni di Navier-Stokes nella forma generale, inoltre vengono analizzati gli addendi che la compongono giungendo alla forma classica per un fluido newtoniano, isotropo, omogeneo e non comprimibile. Le equazioni vengono espresse in forma adimensionale e incluse le accelerazioni derivanti dalle forze di volume, compresa l'accelerazione di Coriolis. Sono definiti i numeri di Reynolds, di Rossby, di Froude e di Mach. Infine si discutono i risultati di alcuni esperimenti, oramai considerati classici, giungendo alla conclusione che è definibile il regime turbolento. Allo studente viene suggerita la visione di alcuni filmati, disponibili in rete, che riguardano lezioni sulla dinamica dello strato limite tenute da Ascher Herman Shapiro.
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In questa serie di lezioni si porta lo studente a comprendere che cos'è la turbolenza nei fluidi e la turbolenza nello strato limite atmosferico. Viene descritta la caratteristica stocastica della turbolenza e l'ipotesi di G. I. Taylor, inoltre si analizza il ruolo della turbolenza nello strato limite atmosferico. Richiami di statistica utili alla trattazione della turbolenza vengono fatti sistematicamente prima di passare alla parte riguardante le equazioni fondamentali per la descrizione dei moti turbolenti nello strato limite atmosferico.
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In questa sezione sono presenti dei documenti e delle immagini che hanno lo scopo di contestualizzare l'applicazione delle equazioni fondamentali della fisica dell'atmosfera ai fenomeni atmosferici tipici della scala planetaria e sinottica.
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La regola di Buys Ballot permette di criticare la soluzione geostrofica, delle equazioni per la conservazione della quantità di moto, applicata a regioni atmosferiche prossime alla superficie del pianeta. Si tratta di una regola empirica, che fornisce elementi fondamentali per comprendere i limiti del modello geostrofico.
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Per evidenziare il contributo di forze apparenti che sono preponderanti alla mesoscala e alla microscala atmosferica, è molto utile scrivere l'equazione per la conservazione della quantità di moto nel sistema di coordinate naturali.
In questa sezione viene definito il sistema di coordinate naturali e sono analizzati i moti di tipo ciclostrofico, inerziale, oltre che a ritrovare il modello di circolazione geostrofica. Viene definito il numero di Rossby che sarà impiegato per distinguere i processi alla scala sinottica da quelli alle scale inferiori.
Infine viene affrontata l'analisi delle soluzioni del modello di vento in cui tutti gli addendi dell'equazioni per la conservazione della quantità di moto hanno lo stesso ordine di grandezza.
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Onde nell'atmosfera
Onde planetarie e onde di Rossby. Analisi svolta a partire dalle equazioni fondamentali. In questa serie di diapositive sono presentati i passaggi fondamentali che portano alle soluzioni delle equazioni per la conservazione della quantità di moto e di continuità. Si veda la bibliografia di riferimento per ulteriori approfondimenti. -
La vorticità è un campo derivato dal quello della velocità del fluido atmosferico e permette di indagare l'origine e alcune delle caratteristiche dei moti atmosferici, a tutte le scale spaziali e temporali, da quella sinottica alla microscala.
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L'equazione per la conservazione della quantità di moto, nella sua componete verticale, ammette una soluzione semplice, ma aderente alla realtà alla scala sinottica e planetaria, che va sotto il nome di equilibrio idrostatico. Ad ogni modo questa soluzione non permette di spiegare evidenze osservative, che sono presenti a tutte le scale, cioè le nubi. Sono le deviazioni rispetto all'equilibrio idrostatico che danno la possibilità di includere la formazione delle nubi. Queste considerazioni portano a sviluppare modelli, concettuali e matematici, che spieghino i moti ascendenti e discendenti dell'aria, a tutte le scale atmosferiche.
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Termodinamica atmosferica
Derivazione cinematica della equazione di stato (comportamento ideale) e della prima legge della termodinamica, significato fisico di temperatura e pressione. Seconda legge della termodinamica, significato fisico del calore, energia interna, entalpia ed entropia. Calori specifici.
Trasformazioni adiabatiche (relazioni di Poisson). Il gradiente verticale adiabatico secco. Introduzione alla stabilità atmosferica. Temperatura potenziale ed entropia.
Comportamento non ideale degli aeriformi ed equazione di van der Waals. Isoterme critiche, gas e vapori, passaggi di fase. -
Dinamica atmosferica
L'equazione di conservazione del momento forze a corpo e forse di superficie. Equazione di conservazione della massa.
Le altre equazioni necessarie alla descrizione completa dell'atmosfera terrestre: equazione di stato ed equazione di conservazione dell'energia.
Equilibrio idrostatico, la frequenza di Brunt Vaisala.
Definizione di vorticità, vorticità relativa e vorticità assoluta. Equazione di vorticità, termini di stretching, tilting , convergenza e baroclino.
Numero di Rossby e numero di Reynolds.
Sistemi di coordinate per i moti atmosferici: coordinate naturali, coordinate isobariche.
Vento geostrofico, vento termico, modelli ciclostrofico, inerziale. Instabilità barotropica e baroclina. I sistemi frontali nelle medie latitudini, Cicloni extratropicali, cicloni tropocali. -
Modelli numerici di atmosfera
Modellistica numerica applicata al sistema atmosferico.
Simulazioni di clima globale: IPCC. Simulazioni di clima regionale: ReGCM.
Previsioni del tempo, fino a 10 giorni: ECMWF, GFS, ensemble forecast.
Simulazioni ad area limitata: consorzi COSMO, ALADIN HIRLAM; modelli numerici per la ricerca: WRF. -
Definizione di clima e di sistema clima. Le forzanti del sistema clima e le risposte di ciascun elemento componente il sistema. Cenni di paleoclimatologia: le fonti e l'andamento della temperatura media planetaria negli ultimi 300 milioni di anni. La tesi antropogenica dei cambiamenti climatici nell'olocene. Evidenze dei cambiamenti climatici nell'ultimo secolo e loro cause. Il ruolo dei gas serra nel bilancio energetico globale. Proiezioni sull'evoluzione climatica per il secolo XXI e strumenti modellistici adottati per la generazione degli scenari.
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Il problema della predicibilità del sistema atmosfera. Dai primi esperimenti computazionali di E. Lorenz alle attuali tecniche di ensemble per la valutazione delle incertezze nelle simulazioni numeriche.Esempi di evoluzione con diversi gradi di predicibilità nello spazio delle configurazioni del sistema dinamico di Lorenz e il ruolo degli attrattori. Esempi di attrattori nel caso di simulazioni meteorologiche a scala continentale.
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Bibliografia e programma
In questa sezione sono riportati i riferimenti bibliografici che lo studente deve considerare per un'adeguata preparazione all'esame, oltre a quanto disponibile sotto forma di diapositive e articoli messi a disposizione nelle sezioni precedenti.
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Gli argomenti ti tesi che sono qui proposti riguardano temi di interesse teorico ed applicativo in cui l'atmosfera terrestre è il sistema fisico principale. Le tesi si svolgeranno al Centro Regionale di Modellistica Ambientale (CRMA), che è ubicato presso la sede centrale dell'Agenzia Regionale per la Protezione dell'Ambiente del Friuli Venezia Giulia (ARPA FVG) in Palmanova (UD).
Le proposte sono suddivise per classi di tesi affini per metodo di indagine, di analisi dati e tipologia di risultati attesi. Il titolo preciso di ciascuna tesi sarà funzione dello specifico problema trattato nell'ambito della classe scelta e verrà concordato con lo studente.
Ogni classe è corredata da informazioni supplementari che intendono fornire allo studente elementi per la valutazione delle conoscenze, che gli saranno necessarie per affrontare rapidamente le fasi iniziali della tesi, e dei tempi medi richiesti per svolgere con profitto il lavoro. Inoltre vengono sintetizzate le competenze che saranno acquisite durante il periodo impiegato per il conseguimento degli obiettivi attesi, indicando i potenziali sviluppi post laurea.
Per tutte le proposte è estremamente utile, anche se non necessario, che il periodo di tirocinio venga svolto presso il CRMA in previsione della successiva tesi.
Le classi contengono una tabella che, molto sommariamente, indica il tipo di approccio prevalente che verrà adottato nell'indagine, il tipo di utilità dei risultati attesi, oltre a quello formativo e didattico dello studente coinvolto. L'indicatore di ciascun elemento della tabella è un numero reale che varia da 0 (marginale) a 1 (totalmente prevalente).
Ai laureandi, il CRMA metterà a disposizione una postazione di lavoro ed un account sul sistema di calcolo ad alte performance dell'ARPA FVG. Relatori delle tesi saranno i docenti Dario Giaiotti o Fulvio Stel, a seconda della tesi scelta e del periodo dell'anno in cui verrà svolta.
Contattati: Dario Giaiotti (dgiaiotti@units.it)
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Descrizione delle tesi proposte per gli studenti della laurea Magistrale interateneo in Fisica che seguono il Curriculum Fisica terrestre, dell’ambiente e interdisciplinare - Fisica dell'atmosfera e dello strato limite atmosferico
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In questa sezione trovate alcuni elementi che possono esservi utili per preparavi a sostenere l'esame di questo corso.
Ricordate che la quasi totalità dei testi indicati nelle diapositive del corso, tra la bibliografia citata, si trovano nella Biblioteca Tecnico Scientifica dell'Università, edificio C1.
Inoltre la ricerca dei testi è grandemente agevolata dall'uso del servizio BiblioEST.
Accedendo con i vostri identificativi della biblioteca, oltre a trovare le informazioni sulla collocazione del libro che cercate negli scaffali e la sua disponibilità per il prestito, potrete anche leggere i commenti che il docente ha postato, su quali parti del testo sono considerate rilevanti per la preparazione all'esame, inoltre voi stessi potete lasciare un commento sull'utilità o meno riscontrata nel consultare il testo. Ciò sarà sicuramente a beneficio degli altri studenti ed anche del docente. Qui di seguito trovare un esempio.
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In questa diapositiva sono riportate le informazioni fondamentali che descrivono come si svolgerà l'esame di questo corso.
L'esame è orale, non sono previste prove scritte.
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In questa sezione sono raccolte delle pagine di approfondimento, degli esercizi, dei grafici, file di misure e di simulazioni, che potrebbero essere utili allo studente per approfondire i temi trattati a lezione ed in preparazione dell'esame.
La sezione va considerata sperimentale
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Lo strato limite atmosferico riveste un ruolo essenziale nell'evoluzione del sistema atmosferico a tutte le scale spaziali e temporali, inoltre è la regione dell'atmosfera in cui avvengono i processi fisico-chimici che determinano le modalità e le quantità di trasferimento dell'energia, della massa e della quantità di moto, tra l'atmosfera e la superficie planetaria.
Le diapositive e i manoscritti, che sono raccolti in questa sezione, hanno lo scopo di fornire allo studente l'autonomia necessaria ad intraprendere approfondimenti e tesi nell'ambito della fluidodinamica atmosferica, con particolare riguardo agli argomenti di punta della ricerca e dell'applicazione, in contesti di gestione e preservazione dell'ambiente, oltre che di comprensione di scenari climatici futuri e di valutazione dei conseguenti impatti sugli ecosistemi e le attività antropiche.
Questo materiale va considerato come un supplemento a al corso di fisica dell'atmosfera. Lo studente che ha seguito le lezioni di fisica dell'atmosfera troverà continuità negli argomenti trattati.
Mentre il corso di fisica dell'atmosfera trascura quasi completamente gli effetti della superficie planetaria e si occupa di modelli atmosferici e di circolazione, che sono realizzabili applicando i principi della fluidodinamica geofisica, per i modelli di strato limite atmosferico, al set completo di equazioni derivanti dai principi di conservazione della quantità di moto, della massa, dell'energia e l'equazione di stato, si aggiungono le leggi empiriche e gli approcci tipici della fluidodinamica sperimentale, per esempio la teoria della similarità e l'idrodinamica.
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Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
Introduzione al corso,concetti fondamentali e motivazioni -
Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
Caratteristiche generali e fenomenologia dello Strato Limite Atmosferico -
Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
L'origine delle forze di superficie e le equazioni di Navier-Stokes -
Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
Considerazioni sui regimi di flusso a partire dalle equazioni di
Navier-Stokes e da esperimenti -
Molti sono gli esperimenti svolti per mettere in evidenza i diversi regimi del moto dei fluidi: Gli esperimenti vengono svolti con opportune scelte della velocità, viscosità cinematica e dimensioni dei corpi immersi in modo da coprire il più ampio dominio di esistenza del numero di Reynolds
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In queste pagine di appunti sono riportate le evidenze osservative e sperimentali che hanno portato alla definizione del concetto di Strato Limite e al superamento dei limiti della fluidodinamica teorica applicata a fluidi caratterizzati da numeri di Reynolds >> 1.
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In questi appunti troverete i concetti ed il metodo che portano alla definizione delle equazioni per lo strato limite laminare. Inoltre ci sono alcune semplici considerazioni che mettono in evidenza i limiti di tale modello.
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Utilizzando le informazioni provenienti dagli esperimenti e applicando le ipotesi formulate da L. Prandtl, in questi appunti si deriva le equazioni per lo strato limite laminare, nella loro forma adimensionale.
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Documento che riporta la versione originale della costruzione del modello di strato limite atmosferico superficiale, formulato da A. S. Monin e A.M. Obukhov. Esempio di applicazione del principio di similarità
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In questi appunti vengono descritti i concetti fondamentali che sono alla base dei modelli di rimescolamento delle masse d'aria per processi convettivi. In particolare si definiscono l'entrainment ed il detrainment.
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Un semplice modello termodinamico per la spiegazione dei momenti della giornata in cui te temperature superficiali raggiungono il valore minimo e massimo
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Alcuni richiami sui concetti fondamentali del valore di aspettazione, di covarianza, di correlazione tra grandezze dipendenti da variabili casuali.
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Questi appunti descrivono il contenuto fisico delle equazioni scalari per la conservazione della quantità di moto e della massa, espresse nel formalismo tipico dell'analisi tensoriale.
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In questi appunti sono riportati i contenuti fondamentali che guidano allo sviluppo del modello di strato limite di Ekman
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Le diapositive ed i testi utilizzati durante le lezioni sono corredati da icone che hanno l'intenzione di guidare lo studente all'individuazione degli argomenti trattati che sono di punta nella ricerca e nell'applicazione. Inoltre ci sono delle icone che suggeriscono l'argomento come utilizzabile per la preparazione dell'esposizione a piacere che lo studente deve portare all'esame, oltre che ai possibili ambiti in cui orientare il lavoro per la tesi di laurea.