Schema della sezione

  • Introduzione

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    Il corso di fisica dello strato limite atmosferico ha lo scopo di fornire allo studente l'autonomia necessaria ad intraprendere approfondimenti ed 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.

    Questo corso complementa quello di fisica dell'atmosfera in quanto tratta i problemi e la modellazione dell'atmosfera che sono dipendenti anche dalla presenza della superficie solida o liquida del pianeta. Lo studente che ha seguito le lezioni di fisica dell'atmosfera troverà continuità negli argomenti trattati.

    Mentre il corso di fisica dell'atmosfera trascura gli effetti della superficie planetaria e si occupa di modelli atmosferici e di circolazione che sono realizzabili applicando i principi della fluidodinamica geofisica, quindi il set completo di equazioni derivanti dai principi di conservazione della quantità di moto, della massa, dell'energia e l'equazione di stato, il corso di fisica dello strato limite atmosferico aggiunge alle leggi fondamentali, le leggi empiriche e gli approcci tipici della fluidodinamica sperimentale, per esempio la teoria della similarità e l'idrodinamica. Infine il corso introduce elementi di modellazione della dispersione degli inquinanti in atmosfera.

  • Introduzione al corso, concetti fondamentali e motivazioni

    In questa serie di lezioni vengono illustrati i concetti fondamentali che portano alla definizione di strato limite atmosferico. Inoltre vengono illustrati  i probelmi pratici e teorici che stimolano la società, non solo la comunità scientifica, ad investire risorse per comprendere, modellizzare e prevedere l'evoluzione dello strato limite atmosferico. 

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      Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
      Introduzione al corso,concetti fondamentali e motivazioni

  • Caratteristiche generali e fenomenologia dello Strato Limite Atmosferico

    In questa serie di lezioni sono trattate le osservazioni e le misure che permettono di evidenziale l'esistenza dello strato limite atmosferico. Si definisce l'ABL stabile, instabile e neutro, l'evoluzione tipica del ABL alle medie e basse latitudini. Sono descritti i  fenomeni di entrainment e detrainment. Vengono individuati: il roughness layer e l'inertial layer. Il surface layer e l'outer layer. La capping inversione e l'entrainment layer. Si valuta i budget energetico giornaliero alla superficie planetaria. Si analizzano i profili verticali delle principali grandezze cinematiche e termodinamiche durante un giorno soleggiato e durante una notte serena e con calma di vento. Vengono individuati gli attori fondamentali che determinato lo stato del ABL. Si introduce il concetto di turbolenza ed i meccanismi di formazione della turbolenza nello Strato Limite Atmosferico. Infine è sinteticamente descritto l'approccio ai processi di boundary layer nei modelli meteorologici e climatici.

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      Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
      Caratteristiche generali e fenomenologia dello Strato Limite Atmosferico

  • L'origine delle forze di superficie e le equazioni di Navier-Stokes

    In questa serie di lezioni vengono illustrati gli elementi essenziali che caratterizzano i fluidi confinati. In particolare sono trattate le interazioni tra superficie confinante e fluido partendo da una descrizione microscopica basata sulle attuali conoscenze dell'interazione atomico molecolare per giungere alla descrizione continua tramite gli sforzi di superficie. Infine sono derivate le equazioni di Navier-Stokes sottolineando quali sono i principi fisici e le considerazioni di fisica matematica che sono utilizzate nel percorso logico che le definisce. Quest'ultima  parte viene trattata alla lavagna e lo studente trova i riferimenti bibliografici utili allo studio in fondo alla presentazione.

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      Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico
      L'origine delle forze di superficie e le equazioni di Navier-Stokes

  • Considerazioni sui regimi di flusso a partire dalle equazioni di Navier-Stokes e da esperimenti

    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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      Corso di Fisica dello Strato Limite Atmosferico 
      Considerazioni sui regimi di flusso a partire dalle equazioni di 
      Navier-Stokes e da esperimenti
    • Osservazioni sul moto di un fluido nei pressi di un corpo immerso URL

      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

    • Per distrarsi un po' imparando, seguite le lezioni filmate negli anni 60.

      In quel periodo Ascher Herman Shapiro (1916 — 2004), Prof al MIT.  istituì il  National Committee for Fluid Mechanics Films (NCFMF) che realizzò una serie di 39 filmati corredati anche da testi per l'insegnamento della meccanica dei fluidi. 


      Qui di seguito ne vengono riportati alcuni che lo studente può trovare utili per integrare quanto appreso a lezione. La serie completa del materiale è accessibile alla pagina web del NCFMF.

      Resistenza in fluidodinamica, la serie delle quattro lezioni:

      Part I  

      Part II      

      Part III      

      Part IV      



      Si prenda visione anche di questo video di Frederick Abernathy della , Cambridge

      Fundamentals of Boundary Layers

  • La turbolenza e il suo ruolo nello Strato Limite Atmosferico

    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.

  • Le equazioni fondamentali dello strato limite atmosferico ed il problema della chiusura

    In questa serie di lezioni  vengono derivate le equazioni fondamentali che descrivono l'evoluzione dello strato limite atmosferico. Sono considerati nel dettaglio i concetti che portano alle equazioni per i campi medi e per le deviazioni e viene messo in evidenza il problema della chiusura dell'insieme di equazioni,  definendo il grado di chiusura. La necessità di parametrizzare alcuni dei termini presenti nelle equazioni viene sottolineata e vengono descritte le principali tecniche. Si definisce l'energia cinetica turbolenta e i parametri si stabilità analizzando il contenuto fisico di ciascuno degli addendi che li compongono.

  • Trasporto radiativo e bilancio energetico nel surface layer

    In questa serie di lezioni si affronta la descrizione del trasporto energetico tramite radiazione con applicazioni allo strato superficiale. Viene trattata l'equazione del trasporto radiativo e sono descritti gli effetti dell'assorbimento e della emissione energetica da parte della materia presente nello spazio in cui si propaga la radiazione. Il ruolo dello strato superficiale nella modellazione dello strato limite atmosferico viene esaminato dal punto di vista energetico.

  • Analisi dimensionale e di scala: le grandezze scala tipiche dell'ABL

    Le lezioni di questa parete del corso introducono all'analisi dimensionale e di scala come approccio descrittivo dei sistemi fisici. La costruzione di modelli della realtà vien classificata in modelli esplicativi e modelli descrittivi e le differenze tra i due approcci spiegata anche tramite degli esempi. La sinergia costruttiva tra tra i due tipi di modelli viene naturalmente dedotta studiando gli esempi presenti nell'ambito dello strato limite atmosferico.

  • Diagrammi termodinamici e approfondimenti di termodinamica atmosferica

    In queste lezioni la termodinamica applicata alle proprietà dell'atmosfera vengono utilizzate per lo studio del profilo verticale della temperatura e dell'umidità dell'aria. In particolare il diagramma SkewT, ampiamente diffuso nell'ambito della meteorologia operativa e della ricerca, viene descritto nei dettagli ed applicazioni a situazioni reali sono analizzate per individuare le regioni stabili ed instabili della colonna d'aria descritta dal diagramma.

  • Casi particolari di Strato Limite Atmosferico e argomenti di punta della ricerca e dell'appplicazione

    In questa lezione sono descritti alcuni strati limite particolari e che rivestono un notevole interesse, nell'ambito dell'applicazione modellistica e nella ricerca.

    In particolare vengono trattati gli effetti dell'orografia sullo strato limite atmosferico e l'interazione tra flussi a scala sinottica, lo strato limite e i rilievi orografici. Sono inoltre considerati gli strati limite in prossimità delle transizioni tra terra e mare. 

  • Modello di strato limite superficiale: il surface layer

    In questa serie di lezioni vengono illustrati i principali modelli di strato limite superficiale, in particolare sono descritti in dettaglio gli elementi fenomenologici e concettuali che portano alla realizzazione di profili verticali delle principali grandezze meteorologiche, nei pressi della superficie terrestre.

  • Supplementi al corso e materiali aggiuntivi

    In questa sezione sono disponibili dei materiali che sono da considerare come supplementi agli argomenti trattati nel corso. Non sono oggetto di domande all'esame. 

  • Bibliografia e Sitografia

    Bibliografia


    [1] The atmospheric boundary layer, by Garratt, J. R. Cambridge University Press – 1994 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS BS/04./M / 0011)

    [2] An introduction to boundary layer meteorology, by Stull, Roland B., Springer - 2009 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS BS/44/0032)

    [3] An introduction to fluid dynamics, by Batchelor, George Keith, Cambridge University Press - 2000 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS BS/02./B/0006)

    [4] Boundary-layer theory, by Schlichting, McGraw-Hill - 1979 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS 26/0024)

    [5] Atmospheric thermodynamics, by Bohren, Craig F. xford University Press – 1998 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS BS/44/0033 )

    [6] Scaling, by Barenblatt, G. I., Cambridge University Press, 2003, (Collocazione Biblioteca B. S.GIOVANNI-GEOSCIENZE E PSICOLOGIA UniTS G/27./0076, oppure Biblioteca ICTP 51-72 BAR)

    [7] Topographic effects in stratified flows, by Baines, Peter G. Cambridge University Press – 1995 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS BS/04./L/0030)

    [8] Atmospheric chemistry and physics : from air pollution to climate change, by Seinfeld, John H., Wiley - 2006 (Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS BS/04./M/0013)

    [9] Handbook of environmental fluid dynamics, Vol. 1: Overview and fundamentals, CRC press - 2013,(Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS 26/0060 (v.1))

    [10] Handbook of environmental fluid dynamics, Vol. 2: Systems, pollution, modeling, and measurements, CRC press - 2013,(Collocazione Biblioteca Tecnico-Scientifica UniTS 26/0060 (v.2))

    [11] Atmospheric Science: An Introductory Survey, J. M.Wallace and P. V. Hobbs, 2nd Edition, 2006


  • Descrizione del significato delle icone guida per lo studente

    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.


    Icona che individua un argomento di punta nella ricerca o nell'applicazioneL'icona riguardante un argomento di punta nella ricerca o nelle applicazioni
    Icona che individua un possibile argomento da presentare all'esame        Icona che individua un possibile argomento da esporre all'esame
    Icona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea - TeoriaIcona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea     
     Approccio prevalente: Teorico.





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    Icona che individua un possibile ambito in cui svolgere al tesi di laurea: approccio computazionale
     


    Approccio prevalente: Computazionale
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    AIcona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea pproccio prevalente: teorico.

    Approccio prevalente: Analisi Dati


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  • Esercizi ed approfondimenti