2 Atmosfera e principali parametri

Atmosfera e principali parametri
• Meteorologia e climatologia
• L’atmosfera
• La temperatura
• La pressione
• L’umidità
• “Indice di calore” ed effetto “wind-chill”
• La radiazione
METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA
Meteorologia: si occupa di quelle che sono le condizioni atmosferiche in un determinato
luogo in un determinato momento.
Climatologia: si occupa di quelle che sono le condizioni atmosferiche “medie” in un
determinato luogo, registrate durante un determinato periodo sufficientemente lungo (di
solito minimo 30 anni).
Qui ci occupiamo di meteorologia…
L’ATMOSFERA
L’ATMOSFERA TERRESTRE È
SUDDIVISA IN 4 STRATI CON
CARATTERISITCHE TERMICHE E
CHIMICHE DIVERSE L’UNO
DALL’ALTRO. PARTENDO
DALL’ALTO VERSO IL BASSO
TROVIAMO:
LA TERMOSFERA
LA MESOSFERA
LA STRATOSFERA
LA TROPOSFERA - STRATO
ATMOSFERICO IN CUI SONO
CONFINATI I PROCESSI
METEOROLOGICI.
STRATO DI OZONO
STRATOSFERICO
L’atmosfera terrestre
Composizione (in volume)
Gas permanenti
N2
78%
O2
21%
A
1%
Gas variabili
H2O
0-3%
CO2
0.035%
O3
0.001% (stratosfera)
CH4, N2O, CO, NO, CFCCFC-11,
CFCtracce
CFC-12
N2
Aerosol
Press (hPa)
Altitudine (m)
200
12000
500
5700
700
3000
850
1500
925
700
1013 0
Ozono stratosferico assorbe i dannosi raggi UV del Sole e causa aumento T nella
stratosfera.
Ozono al suolo (si forma per reazioni che i raggi solari provocano nei gas di scarico delle
auto) è invece dannoso per la salute.
Anidride carbonica, metano e vapor acqueo sono i principali gas serra.
L’atmosfera terrestre
Si è creata ed evoluta nell’arco degli oltre 4 mld anni di vita della
Terra.
Il “tempo” sulla Terra è causato da ciò che succede nella troposfera,
dove vi è un continuo rimescolamento dell’aria ed un alto contenuto
di vapore acqueo.
La quota della tropopausa - brusca variazione di vapor
acqueo ed ozono e piega nella curva di T - è variabile in funzione di
latitudine e periodo dell’anno -> più fa caldo e più è alta…
Occasionalmente, in seguito di un passaggio di un fronte freddo
invernale, la vetta del Monte Bianco può trovarsi nella
stratosfera!
TROPOSFERA:
- Strato limite planetario (PBL): suolo – 0.3 / 3 km
Risente direttamente dei processi dinamici e termodinamici della
superficie terrestre -> forte escursione diurna T e umi
- Libera atmosfera: sopra il PBL
Kappenberger - Kerkmann
LA PRESSIONE
La densità è la massa d’aria contenuta nell’unità di volume [kg/m3].
La pressione è una forza esercitata su una superficie: P = F/s
Pressione dell’aria: forza esercitata su una superficie qualsiasi dal peso di tutte le
porzioni di aria sovrastante (pressione idrostatica). Nel caso di forti movimenti
verticali (temporali), la pressione può essere diversa da quella idrostatica.
1 hPa = 100 Pa = 1 mb = 0.001 Bar
1 Torr = 1 mm Hg = 4/3 hPa
1013 hPa = 760 mm Hg
Aria fredda -> più densa -> più pesante
Aria calda -> meno densa -> più leggera
La pressione ha variazioni diurne e stagionali.
LA PRESSIONE
Strumenti di misura
- Barometro a mercurio: Torricelli, 1643. Se p = 1013 hPa e T = 0°C -> altezza della colonnina di Hg =
760 mm
- Barometro aneroide: una o più capsule metalliche parzialmente vuote d’aria -> le loro superfici
elastiche si comprimono o dilatano
- Barometro a ebollizione: la T di ebollizione dell’acqua pura varia in relazione alla pressione
La temperatura
La T di un gas è proporzionale all’energia cinetica delle molecole -> più sono
veloci più fa caldo.
Noi utilizziamo la scala Celsius: 0°C = T congelamento e 100°C = T ebollizione
acqua (a 1013 hPa).
In generale T diminuisce con la quota a causa dell’espansione del gas atmosferico
e perché la Terra si scalda dal basso…
Temperatura dei versanti di montagna:
• Il sole scalda sempre a S, a E al mattino, a W al pomeriggio
• Di notte i versanti sono più caldi che il fondovalle
Come varia la temperatura con la quota ?
Per atmosfere ben rimescolate ove non si abbia condensazione il
raffreddamento medio con la quota è di:
• 1°C ogni 100m
se si ha condensazione:
• circa 0.5°C ogni 100m
media globale:
• 0.65°C ogni 100m
LA TEMPERATURA
Strumenti di misura
- Termometro a liquido: a mercurio, si usa alcool etilico per T < -38.8°C
- Termometro a bimetallo: basato su diversa capacità dilatazione termica di due strisce di metallo
incurvate e saldate una sull’altra
- Coppie termoelettriche: sfruttano la tensione elettrica che si sviluppa nel punto di giunzione fra due
fili di metalli diversi -> dipende da T
- Termometro a resistenza: la resistenza elettrica di conduttori e semiconduttori è funzione di T -> si
misura la resistenza di un filo di platino esposto all’aria. Molto preciso, usato nelle stazioni
automatiche
Isole di calore urbane
• Formazione di un velo di polvere, fumo, smog, foschia sopra le città in presenza
di venti deboli
• In media ∆T = Tcentro città – Tperiferia ~ 1°C, ma in alcuni casi ∆T ~ 10°C
• ∆T ∝ urbanizzazione vi è un tasso di crescita di ∆T negli anni
• Tcentro città > Tperiferia a causa dell’elevata capacità termica di cemento ed asfalto,
del calore emesso da case, industrie ed auto (anche 100 W/m2) e delle riflessioni
multiple fra edifici
GRADIENTI VERTICALI DELLA
PRESSIONE E DELLA TEMPERATURA
LA TEMPERATURA DIMINUISCE IN MODO LINEARE DI 0.65°C/100 m, DI 6.5°C OGNI 1000 m
LA PRESSIONE DECRESCE DI 1 hPa/8 m NEI BASSI STRATI
DI 1hPa/12 m A 3000 m DI QUOTA (LIVELLO 700 hPa)
DI 1hPa/16 m A CIRCA 5500 m DI QUOTA, DOVE LA PRESSIONE È DIMEZZATA RISPETTO
AL LIVELLO DEL MARE (LIVELLO 500 hPa)
GRADIENTI VERTICALI DELLA
PRESSIONE E DELLA TEMPERATURA
LA TEMPERATURA SCENDE IN MODO
LINEARE SU TUTTO LO SPESSORE
DELLA TROPOSFERA 6.5°C/1000 m
DA 15°C AL SUOLO A – 50°C A 10.000 m
SONO 65°C DI SCARTO
BAROMETRO - ALTIMETRO
Se stiamo fermi e la quota indicata aumenta
significa che la pressione sta diminmuendo ->
cambiamento del tempo?
NEI PRIMI 1000 m VI SONO 114 hPa DI
SCARTO;
FRA 5000 E 6000 m LO SCARTO SCENDE
A 68 hPa IN RELAZIONE ALLA
RIDUZIONE DI PRESSIONE STESSA E DI
DENSITÀ DELL’ARIA
GRADIENTE VERTICALE DELLA PRESSIONE
GRADIENTE VERTICALE DELLA PRESSIONE
UMIDITÀ ASSOLUTA ED UMIDITÀ RELATIVA
PIÚ
PIÚ L’ARIA È FREDDA E MINORE E’ IL CONTENUTO IN VAPORE D’ACQUA (ASSOLUTO) CHE
CHE PUO’ CONTENERE
PIÚ
PIÚ L’ARIA È CALDA E MAGGIORE E’ IL CONTENUTO IN VAPORE D’ACQUA (ASSOLUTO) CHE
CHE PUO’ CONTENERE
L’UMIDITÀ RELATIVA E LA SATURAZIONE
L’ARIA SI RAFFREDDA SALENDO, SE IL SUO TASSO DI UMIDITÀ È
SUFFICIENTEMENTE ELEVATO PER CONDENSARE (RAGGIUNGERE LA
SATURAZIONE = 100% DI UMIDITÀ RELATIVA) SI AVRÀ LA FORMAZIONE DI
UNA NUVOLA
UMIDITA’ ASSOLUTA: Kg vapor acqueo / m3 aria
UMIDITA’ RELATIVA: vapor acqueo contenuto nell’aria / vapor acqueo max possibile a
quella T (0 - 100%)
UMIDITA’ SPECIFICA: Kg vapor acqueo / kg aria
TEMPERATURA DI RUGIADA: T alla quale, raffreddando l’aria, si arriva al 100% di
umidità relativa -> inizia la condensazione. E’ sempre minore o al limite uguale a T aria
L’UMIDITA’
Strumenti di misura
- Igrometro a capello: il capello umano varia la sua lunghezza fino al 2.5% in funzione dell’umidità
relativa - non molto preciso ma semplice e quindi molto utilizzato
- Psicrometro: due termometri ventilati, uno misura T aria e uno T bulbo umido -> più alta è l’umidità
relativa e meno acqua evapora -> tanto più la T bulbo umido è minore di T aria, tanto più bassa è
l’umidità relativa – preciso (T bulbo umido è diversa da T rugiada!)
L’ANDAMENTO DIURNO DI TEMPERATURA E UMIDITA’
L’umidità relativa e la temperatura hanno un andamento giornaliero opposto fra di loro: la temperatura
generalmente aumenta nelle ore centrali della giornata, facendo di conseguenza diminuire il valore dell’umidità
relativa.
Al contrario, l’umidità assoluta ha spesso un andamento simile alla temperatura: min al primo mattino e max durante
il giorno.
Da notare anche l’andamento della pressione: in calo durante le ore più calde della giornata, con innesco della brezza
(anche in ottobre, seppur fortemente attenuata e per poche ore rispetto ai mesi estivi).
L’INDICE DI CALORE
La sensazione di afa dipende da una combinazione di T e umidità relativa. Il vento può
contribuire a mitigare l’afa… Più bassa è l’umidità relativa e più rapida è l’evaporazione
del sudore -> sottrazione di calore -> sensazione di raffreddamento.
L’EFFETTO WIND CHILL
IN CASO DI VENTO FORTE E DI BASSE TEMPERATURE, LA
TEMPERATURA AVVERTITA DALLE PARTI DEL NOSTRO CORPO
DIRETTAMENTE ESPOSTE ALL’ARIA È PIÙ BASSA DI QUELLA
MISURATA, IN QUANTO IL VENTO PROVOCA L’EVAPORAZIONE
DELLO STRATERELLO D’ARIA DIRETTAMENTE A CONTATTO CON LA
PELLE -> SOTTRAZIONE DI CALORE
Oltre 60 - 70 km/h di velocità del vento non si ha un ulteriore raffreddamento.
LE FASI DELL’ACQUA
L’acqua pura rimane allo stato liquido anche con T < 0°C, se non è a contatto con altri
oggetti -> acqua sopraffusa. Solo sotto i –40°C tutta l’acqua gela spontaneamente! Però
l’acqua sopraffusa gela all’istante se viene a contatto con altri oggetti freddi (galaverna: con
nebbia e vento si forma sopravvento). Per questo motivo gli aerei necessitano di sistemi di
sghiacciamento!
IL PUNTO TRIPLO CORRISPONDE
AL PUNTO DI EQUILIBRIO
DI TUTTE E TRE LE FASI. I DATI
DI TALE PUNTO SONO:
P = 6.11 hPa, T = 0.0074°C
LE FASI DELL’ACQUA
Durante i cambiamenti di stato vengono assorbite o cedute grosse quantità di
energia. Evaporazione: su superfici di mari, laghi, terreno bagnato…
Condensazione: nelle nubi, superfici fredde…
Kappenberger - Kerkmann
LA RADIAZIONE
Il sole è il motore di ogni movimento orizzontale o verticale dell’aria.
Senza la radiazione solare l’atmosfera si raffredderebbe molto rapidamente!
Onde elettromagnetiche: frequenza, lunghezza, intensità.
Intensità tot data da onde di tutte le lunghezze (es. emesse dal Sole) -> si misura
quantificando l’energia che viene trasmessa in un secondo a una superficie
perpendicolare al fascio dei raggi.
Misuriamo la radiazione in Watt/m2 (Watt = J/s)
Il Sole emette onde EM a tutte le frequenze -> spettro continuo -> luce bianca
(insieme di tutti i colori visibili). Il Sole emette anche onde non visibili all’occhio
umano.
LA RADIAZIONE
Le onde solari con intensità maggiore sono le “onde corte”: 0.5 micron (onde
visibili). In più vi sono ultravioletti e infrarossi.
La Terra invece emette soprattutto “onde lunghe”: 3-80 micron (infrarossi, non
visibili).
La neve, soprattutto se fresca, riflette la maggior parte della radiazione a onde
corte (solare), mentre assorbe quasi completamente la radiazione a onde lunghe
emessa dalle nubi o dal terreno -> la neve si fonde molto più rapidamente in una
giornata nuvolosa, se T > 0°C! Inoltre, la neve riceve radiazione da case, alberi ed
altri oggetti, quindi in loro vicinanza si fonde prima.
LA RADIAZIONE
Ozono assorbe parte ultravioletta della radiazione solare -> elevate T alla
stratopausa.
Nella troposfera l’aria non assorbe radiazione solare -> la Terra si scalda dal
basso, dal terreno… ecco perché salendo di quota fa più freddo!
Al contrario, anidride carbonica e vapor acqueo assorbono più di metà della
radiazione IR emessa dalla Terra -> “effetto serra”.
Scambi di energia tra la superficie della Terra e l’atmosfera:
-Radiazione
-Flusso di calore sensibile: il suolo dà calore all’aria sovrastante a diretto contatto
e mediante turbolenza raggiunge gli strati alti dell’atmosfera
-Flusso di calore latente: l’energia consumata per l’evaporazione viene liberata
nell’atmosfera durante la condensazione o sublimazione