679SM - FISICA DELLO STRATO LIMITE ATMOSFERICO 2020
Schema della sezione
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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.
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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
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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
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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
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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 -
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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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 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.
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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.
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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.
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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 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.
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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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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.
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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.
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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.
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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
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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.
Icona che individua un argomento di punta nella ricerca o nell'applicazione
Icona che individua un possibile argomento da presentare all'esame
Icona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea
Approccio prevalente: Teorico.
Icona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea
Approccio prevalente: Computazionale
Icona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea
Approccio prevalente: Analisi Dati
Icona che individua un possibile ambito in cui svolgere la tesi di laurea
Nessun approccio prevalente -
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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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