Indice degli argomenti

  • Introduzione

  • Fondamentali e argomenti del corso

    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.

    • I principali argomenti trattati sono:

      • Caratteristiche generali dell'atmosfera terrestre
      • Scale tipiche dei moti atmosferici
      • Termodinamica atmosferica
      • Dinamica atmosferica
      • Moti convettivi, precipitazioni e bilancio radiativo
      • Onde nell'atmosfera
      • Modelli numerici di atmosfera
      • Rudimenti di meteorologia e previsioni meteorologiche


      Nel seguito viene presentato il materiale del corso in funzione dei principali argomenti trattati.
      Nell'introduzione al corso, si propone agli studenti lo spirito con il quale affrontare lo studio della materia.

      Tale spirito viene illustrato richiamando i contenuti presentati dal premio Nobel per la fisica (1979) Steven Weinberg in un articolo pubblicato nel 2003 sulla rivista Nature (Nature 426, 389).

  • Caratteristiche generali e fenomenologia dell'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 dei moti atmosferici

    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.
  • Principi fondamentali e equazioni di conservazione

  • Equazioni per la scala sinottica e la scala planetaria

  • Esempi di campi atmosferici e di fenomeni alla scala sinottica e planetaria

    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. 

  • Modelli di circolazione atmosferica nel sistema di coordinate naturali

    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. 

  • Onde nell'atmosfera

    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.
  • L'atmosfera dal punto di vista del campo della vorticità

    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.

  • I movimenti dell'aria lungo la verticale e la loro importanza

    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.  

  • Termodinamica atmosferica

    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

    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

    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 Climatologia e cambiamenti climatici

    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.

  • Considerazioni generali sulla predicibilità del sistema atmosfera

    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.

  • Bibliografia e Programma

    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.
  • Argomenti di tesi

    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)


    • Icona Risorsa

      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

  • Preparazione all'esame

    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.

    Esempio di scheda libro con commenti del servizio BiblioEST 

  • Approfondimenti

    • Icona Libro

      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