774SM - FISICA DELL'ATMOSFERA 2018
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. -
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. -
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. -
Moti convettivi, precipitazioni e bilancio radiativo
Equazione di Clausius-Clapeyron e pressioni di saturazione (equilibrio). Equazione di Kelvin e dipendenza della pressione di saturazione dalla geometria. Instabilità colloidale.
Il vapore acqueo in atmosfera. Umidità assoluta, specifica, rapporto di mescolanza, umidità relativa. Temperatura virtuale e di rugiada. Equazione psicrometrica e temperatura di bulbo bagnato.
Il gradiente verticale adiabatico umido, instabilità condizionale e potenziale. Energia potenziale cinetica convettiva (CAPE) e inibizione alla convezione (CIN). Teoria del volumetto sollevato e modelli di convezione. Temperatura equivalente potenziale.
Bilancio radiativo Terra-Sole. Effetto serra e ruolo dei costituenti minoritari nel bilancio radiativo. Formazione delle precipitazioni. -
Onde nell'atmosfera
Onde planetarie e onde di Rossby. Analisi svolta alla lavagna a partire dalle equazioni fondamentali. Si veda la bibliografia di riferimento per ulteriori approfondimenti. -
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. -
Cenni di meteorologia
Classificazione fisica dei fenomeni meteorologici:- temperatura,
- vento,
- precipitazioni,
- radiazione,
- campi elettrici.
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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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