La radiazione solare
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Corso di Fisica Tecnica Ambientale –Architettura-energia-ambiente: introduzione alla sostenibilità Clima e parametri climatici 1 Università IUAV - Venezia Clima e scelte progettuali Un possibile metodo di elaborazione di un progetto climaticamente compatibile dovrebbe prevedere almeno 4 fasi: • • • • analisi del clima nel luogo scelto per la realizzazione dell’edificio valutazione degli effetti del clima sul comfort umano analizzando l’influenza dei diversi elementi climatici ed individuando le eventuali criticità, individuazione delle soluzioni passive o attive applicabili, analisi del clima analisi delle condizioni di comfort tecniche conoscenze tecniche combinazione di tali soluzioni in unità architettoniche e elaborazione di un progetto architettonico Progetto Tempo atmosferico e clima Ogni regione terrestre al passare del tempo è caratterizzata da specifiche condizioni meteo. Il tempo atmosferico (Weather) è una combinazione locale e momentanea dei fattori meteorologici. L’insieme delle condizioni meteorologiche che si verificano in una regione mediate su lungo periodo (usualmente 30 anni) è detto clima (Climate). Fattori che determinano il clima Fattori astronomici La radiazione solare che è condizionata da: • • • inclinazione asse terrestre moto di rotazione forma sferica della Terra eccentricità dell’orbita Latitudine distribuzione masse terrestri e marine moto di rivoluzione terrestre • • • • Fattori geografici • • • • • • distanza dal mare correnti marine e venti prevalenti rilievo e esposizione topografica presenza di laghi e corpi idrici tipo di suolo presenza o meno di vegetazione Fattori astronomici Fattori che determinano il clima Fattori astronomici Fattori geografici • Radiazione solare • temperatura e umidità aria • venti • precipitazioni • pressione atmosferica Scale climatiche Clima scala [m] Esempio Macroclima 105 107 Clima del bacino mediterraneo, del continente europeo, dei paesi nordici Mesoclima 103 105 Nei paesi nordici mesoclimi che caratterizzano le zone costiere e quelle montane. Clima locale 102 103 Nelle zone montane è possibile definire un clima locale delle valli ed un clima locale delle vette. Microclima 10-2 102 le situazioni climatiche che, all’interno del clima locale di una singola valle, caratterizzano uno dei suoi versanti o una data località Sfericità della superficie terrestre La sfericità della superficie terrestre fa si che nello stesso istante in parti diverse della terra la radiazione solari incida sul suolo con angoli diversi. La stessa potenza incidente si distribuisce su aree diverse. L’intensità è maggiore intorno all’equatore e minore intorno ai poli. La stessa energia si distribuisce su aree diverse Fattori astronomici Inclinazione della radiazione solare L’intensità della radiazione su di una superficie, I [W/m2], dipende dall’angolo di incidenza dei raggi solari. A An cos n Maggiore è l’angolo di incidenza e minore è l’intensità. La stessa energia si distribuisce su di una superficie più grande. I W An cos W cos I n cos An A A·cos La legge del coseno Il moto di rivoluzione e inclinazione asse terrestre Fattori astronomici Radiazione solare: il moto di rivoluzione L’eclittica è l’orbita che la terra compie attorno al sole. Si chiama così perchè il piano che la contiene è quello in cui si verificano le eclissi. L’eclittica è inclinata rispetto al piano dell’equatore di circa 23°,27. Questo angolo (assieme al suo complementare pari a 66°,33) sono significativi per l’identificazione del parallelo che definisce i Tropici ed i Circoli polari. Inclinazione dell’asse terrestre Il moto di rivoluzione solistizio invernale equinozio Il moto di rivoluzione fa si che nello stesso luogo si abbiano diverse condizioni di incidenza della radiazione in tempi diversi dell’anno Fattori astronomici Eccentricità dell’orbita L’eccentricità dell’orbita terrestre fa si che i tratti di orbita siano percorsi con velocità diverse (leggi di Keplero): • le stagioni hanno durate diverse nei due emisferi; • la terra si trova al perielio durante l’inverno boreale. emisfero Boreale primavera estate autunno inverno emisfero Australe autunno inverno primavera Estate dal al durata 21 marzo 21 giugno 23 settembre 22 dicembre 21 giugno 23 settembre 22 dicembre 21 marzo 92 giorni 21 ore 92 giorni 9 ore 90 giorni 89 giorni Fattori astronomici La radiazione a diverse latitudini L’insolazione dell’emisfero settentrionale a varie latitudini durante il corso dell’anno (Strahler 1971) Insolazione annuale 45°N Diverse giaciture Insolazione annuale per diversi orientamenti di una superficie verticale Clima di Venezia - Energia Solare giornaliera media mensile su una superficie piana [Wh/(m2·giorno]) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 S 5 E-O 6 SE-SO 7 8 N 9 orizzontale 10 11 12 variazione giornaliera intensità della radiazione solare 800 solistizio estivo - 21 giugno 2 radiazione su superf icie orizzontale [ W/m ] 700 equinozi - 23 marzo, 21 settembre solistizio invernale - 21 dicembre 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 ore del giorno Radiazione a livello del mare per le medie latitudini - emisfero boreale 24 Radiazione solare incidente sulle pareti esterne di un edificio di forma allungata in senso orizzontale per diversi orientamenti dell’asse maggiore (nel clima di Venezia) Guadagni solari medi superficiali pareti perimetrali [Wh/(m2*giorno)] Guadagni solari medi superficiali pareti perimetrali [Wh/(m2*giorno)] 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic asse N-S asse E-O Edificio isolato 3000 gen feb mar apr mag giu lug ago set asse N-S asse E-O ott nov dic In presenza di ostruzioni urbane costituite da edifici simili disposti parallelamente ad una distanza pari all’altezza Energia annua incidente (Wh/m2) su un pannello orientato a Sud con varia inclinazione (senza vetro di copertura), nel clima di Venezia. Il bilancio di energia del pianeta Le diverse aree della superficie terrestre ricevono annualmente diverse quantità di insolazione. Le fasce equatoriale e tropicali hanno un surplus di energia. L’atmosfera L’atmosfera è l’involucro gassoso che avvolge il pianeta Terra. Essa è costituita da una serie di strati con caratteristiche diverse. La sua parte più bassa “troposfera” è la sede dei fenomeni meteorologici. E’ questa che ha un ruolo fondamentale nel trasporto di energia e materia tra punti diversi della superficie terrestre. L’atmosfera I diversi strati e i profili di temperatura e pressione Il gradiente adiabatico secco Altitudine Monte Bianco 4382 m vulcano Cotopaxi in Mexico vicino al tropico, il limite delle nevi perenni è intorno ai 5000 m. La temperatura diminuisce di circa 0,6 - 1°C in 100m. Come risultato si possono avere coperture nevose permanenti sulle cime, mentre più in basso si hanno foreste in cui raramente si vede la neve. Altitudine � � In Italia nelle zone alpine che variano da 500 a 3000 m si hanno climi che vanno dal temperato al nivale. Temperature basse sono causa di saturazione del suolo; l’altitudine inoltre aumenta le precipitazioni (e rende prevalente la neve sulla pioggia). A elevate altezze la stagione di crescita delle piante è più breve, il ghiaccio è più frequente e solido, l’inverno è più lungo e rigido. � � Un frutteto sotto un bosco nel Devon (UK) Una fattoria di montagna Snowdonia (UK) L’agricultura è fortemente colpita. Alcune coltivazioni sono possibili a bassa quota e nei fondovalle. Più in alto si hanno i pascoli e oltre la brughiera. Le colture più delicate (frutteti e vigneti) possono esistere solo in zone riparate, lontano dalle cime fredde e ventose a causa delle frequenti gelate primaverili. Le aree in cui può ristagnare aria fredda sono ugualmente da evitare. La composizione della troposfera I moti dell’aria in atmosfera Le masse d’aria si spostano da zone a alta pressione a zone a bassa pressione. I moti dell’aria in atmosfera Le masse d’aria si spostano da zone a alta pressione a zone a bassa pressione. I moti dell’aria in atmosfera Moti atmosferici verticali e orizzontali tra zone ad alta pressione e zone a bassa pressione Fattori geografici La forza di Coriolis Le masse fluide in moto lungo i meridiani subiscono una deviazione verso destra nell’emisfero boreale e verso sinistra nell’emisfero australe. Il tutto dipende dalla diversa velocità tangenziale alle diverse latitudini: massima all’equatore, zero ai poli. La forza di Coriolis Le masse fluide in moto lungo i meridiani subiscono una deviazione verso destra nell’emisfero boreale e verso sinistra nell’emisfero australe. Il tutto dipende dalla diversa velocità tangenziale alle diverse latitudini: massima all’equatore, zero ai poli. I moti dell’aria in atmosfera L’aria nella troposfera è soggetta a moti convettivi. Il primo a mettere in luce il meccanismo fu Hadley studiando i fenomeni della fascia equatoriale. Egli osservò come le masse di aria equatoriale calda e umida e quindi meno densa tendono a salire, richiamando altra aria da latitudini maggiori. Risalendo per espansione adiabatica l’aria si raffredda perdendo la spinta verso l’alto. Si muove allora orizzontalmente verso latitudini maggiori. Le depressioni create dai moti dell’aria verso l’equatore a livello del suolo richiamano aria dagli strati più alti creano delle correnti discendenti . Si forma così una cella di circolazione detta “cellula di Hadley” Venti prevalenti Correnti oceaniche e venti prevalenti ridistribuisco no l’energia tra aree diverse della superficie terrestre. La circolazione atmosferica In conseguenza del diverso irraggiamento solare sulle diverse zone della superficie terrestre si vengono a creare aree ad elevata pressione e aree a bassa pressione. Le locali condizioni geografiche interferiscono con la circolazione generale. La radiazione solare: diretta, diffusa e globale Sulla superficie terrestre arriva radiazione diretta dal sole e radiazione diffusa dalla volta celeste. La somma di radiazione diretta e diffusa viene indicata come radiazione globale. Il rapporto diffusa diretta diffusa dipende e tra radiazione radiazione dalla globale copertura del cielo: • valori vicini a 1 con cielo coperto • valori 0,15-0,20 con cielo sereno. In ogni caso l’energia totale ricevuta dalla superficie terrestre in un giorno coperto (soprattutto diffusa) risulta molto più bassa di quella ricevuta in un giorno sereno (diretta+diffusa). L’interazione tra radiazione solare e atmosfera L’interazione tra radiazione solare e atmosfera Condizioni di stabilità e instabilità Una bolla d’aria calda che sale incontra pressioni più basse e si espande adiabaticamente. In tale espansione si raffredda. La variazione di temperatura per unità di altezza viene detta “gradiente adiabatico secco” e corrisponde a circa 1°C / 100 m. Se il gradiente reale in atmosfera è più grande l’aria intorno alla bolla calda rimane sempre più fredda e la bolla continua a salire: condizioni di instabilità. Viceversa se in gradiente reale è più piccolo la bolla si raffredda più velocemente dell’aria intorno e ad una certa altezza ne equaglierà la temperatura esaurendo la spinta verso l’alto: condizioni di stabilità. Stabilità e instabilità atmosferica Le classi di stabilità atmosferica I moti dell’aria negli stati prossimi alla superficie e il conseguente rimescolamento possono essere più o meno intensi. Il livello di turbolenza è comunemente descritto delle classi di stabilità di Pasquill, A, B, C, D, e F. La classe A denota le condizioni di maggior turbolenza o maggiore instabilità mentre la classe F definisce le condizioni di maggior stabilità o minore turbolenza. Le classi di stabilità atmosferica Le classi di stabilità sono funzione delle condizioni meteo, in particolare la stabilità dipende da: velocità del vento, radiazione solare, percentuale notturna di copertura nuvolosa Velocità del vento al suolo A Condizioni estremamente instabili Extremely unstable conditions B Condizioni moderatamente instabili Moderately unstable conditions C Condizioni leggermente instabili Slightly unstable conditions D Condizioni di neutralità Neutral conditions E Condizioni leggermente stabili Slightly stable conditions F Condizioni moderatamente stabili Moderately stable conditions G Estremamente stabile Estremely stable Radiazione solare diurna Copertura nuvolosa notturna (nubi basse) m/s Forte Moderata Debole Coperto o > 50% (> 4 / 8) < = 50% (< = 4 / 8) < 2 A A - B B E F 2 - 3 A - B B C E F 3 - 5 B B - C C D E 5 - 6 C C - D D D D > 6 C D D D D Note: (1) La classe D (neutrale) si applica con cielo coperto da densa coltre nuvolosa, indipendentemente dalla velocità del vento sia di notte che di giorno e dalle condizioni del cielo durante l'ora precedente o seguente la notte come definita alla nota 3. (2) L'insolazione forte è riferita a giornate assolate di mezza estate; l'insolazione debole a condizioni similari a metà inverno. (3) Le ore notturne coprono l'arco di tempo che va da 1 ora prima del tramonto ad 1 ora dopo l'alba. L’inversione termica Nel caso di inversione termica l’aria è particolarmente stabile e non si ha rimescolamento. La massa d’aria inquinata staziona sopra le città con gravi problemi di igiene e sicurezza. L’aria più fredda staziona nelle valli con elevato valore di umidità con formazione di nebbie e foschie. Maurine Val Susa 2002 Topografia: accumulo aria fredda 1 Nuvole basse stratificate e nebbie nelle valli 2 Effetto di raffreddamento notturno per radiazione con cielo sereno. E’ frequente in montagna dove neve e ghiaccio mantengono freddo il terreno per lunghi periodi e possono generare venti freddi che scendono lungo le valli (Mistral in Francia). Nelle bassure l’umidità è usualmente alta (fiumi, estuari, paludi, zone umide). Questo favorisce la formazione di nebbie e nubi. 3 4 Topografia: accumulo aria fredda L’aria fredda: un fluido viscoso che si può accumulare nelle aree basse e chiuse; il raffreddamento radiativo notturno può portare a gelate locali (frost pocket). Topografia: accumulo aria fredda Altipiano del Cansiglio condensazione e formazione nebbie Stabilità e instabilità atmosferica inversione termica: la pianura trevigiana vista dal Monte Pizzoc visualizzazione della stabilità: nebbia che penetra attraverso una barriera collinare L’effetto serra L’involucro è trasparente alla radiazione a bassa lunghezza d’onda (in arrivo dal sole) e invece poco trasparente a quella a elevata lunghezza d’onda (emessa da superfici e oggetti dentro la serra) L’effetto serra e il vetro Correnti marine e venti prevalenti Correnti oceaniche e venti prevalenti ridistribuiscono l’energia tra parti diversi della superficie terrestre. Fattori geografici Correnti marine e venti prevalenti Correnti oceaniche e venti prevalenti ridistribuiscono l’energia tra parti diversi della superficie terrestre. Un esempio: corrente del golfo e del Labrador Un giorno d’estate a Tromsø in Norvegia (sopra) e a Nansenfjord nel sud-est della Groenlandia entrambi località a 70° latitudine nord. La differenza climatica è dovuta all’effetto mitigante della corrente del golfo sulla costa norvegese e all’effetto di raffreddamento della corrente polare sulla costa della Groenlandia. Un esempio: Atacama e Skeleton deserts Atacama e Skeleton Coast sono due dei luoghi più secchi della terra. Sono lambiti da correnti marine fredde. Presentano nebbie costiere ma scarsissime precipitazioni le quali invece si verificano in mare. Fattori geografici Clima secco ed escursione termica Clima umido ed escursione termica Diverso comportamento terra-mare Milano Venezia Località Venezia Milano latitudine 45° 30’ 45° 26’ temperatura media gennaio 3,4 °C 1,7 °C temperatura media marzo 8,6 °C 9,4 °C Diverso comportamento terra-acqua La massa d’acqua comporta temperature massime più basse e minime più alte, minori escursioni diurne e annuali (Timbuktu-Mali clima continentale e desertico, lontano dal mare) Diverso comportamento terra-mare Le diverse località riportate in tabella si trovano tutte intorno alla latitudine di 52° N, ma con diverso rapporto con le masse d’acqua e continentali. L’escursione termica annua può essere considerata un indice di continentalità del clima. Area geografica Escursione annuale Irlanda 7,8°C Oxford Inghilterra 13,4 °C Munster Germania 16°C Varsavia Polonia 21°C Kursk Russia 29,2 °C Russia (Urali) 36,9°C Siberia 39,8 °C Luogo Valencia Oremburg Barnaul Brezza di mare e di terra Brezza di mare e di terra Giorno: Brezza di mare Notte: Brezza di terra Diversa esposizione La temperatura varia con l’esposizione. Le associazioni vegetali possono essere molto diverse sui due versanti di un rilievo, così il livello vegetativo. Diversa esposizione ai venti Il favonio La differenza di temperatura tra stau e fohn è dovuta ai processi di espansione e compressione adiabatica dell’aria. La presenza di catene montuose influisce non solo sul regime dei venti ma anche sul contenuto di vapore delle masse d’aria. Nell’Ovest degli USA avviene ad esempio questo fenomeno: • l’aria umida proveniente dall’Oceano Pacifico incontra la catena di monti, • Salendo di quota l’aria umida si raffredda (per espansione adiabatica) fino alla temperatura di rugiada, si formano quindi nubi ed hanno luogo precipitazioni, • Sull’altro versante della catena montuosa, l’aria ora deumidificata discende riscaldandosi, dunque non hanno luogo precipitazioni. Rilievi montuosi ed umidità Diversa esposizione ai venti Precipitazioni lungo la direttrice San Francisco-Reno: venti provenienti da O ed effetto fohn Brezza di monte e di valle Brezza di valle Brezza di monte Micro Clima Tipo di copertura del terreno L’isola di calore Fattori geografici Tipo di copertura del terreno L’isola di calore a Huston Texas il 30 agosto 2000 Azione del vento Profili di velocità nello strato limite atmosferico in funzione della rugosità superficiale Azione del vento Profili di velocità in corrispondenza di un rilievo Vento e architettura Linee di flusso in corrispondenza di un ostacolo Vento e architettura I restringimenti accelerano il vento Separazione del flusso lungo uno spigolo Vento e architettura Effetti dell’aumento di velocità del vento Azione del vento concentrazione del vento restringimento del passaggio accelerazione del flusso d’aria deviazione del vento Azione delle barriere naturali sul vento Azione del vento Barriere a protezione delle coltivazioni, limitano: evaporazione, gelate, erosione del suolo. Barriere a protezione delle coltivazioni e delle abitazioni in Giappone Muretti a secco di protezione nel Devonshire (UK) Tipo di copertura del terreno Diverse temperature nei dintorni di un edificio: calcestruzzo e prato erboso Tipo di copertura del terreno L’impronta termica di Huston Texas in agosto 2000 (NASA) Tipo di copertura del terreno • Pavimentazioni chiare e porose • Tetti riflettenti di colore chiaro • Piantumazione con alberi schermanti e ombreggianti Tipo di copertura del terreno La presenza di un bosco profilo di temperatura in un bosco memorial park – Huston Texas Anomalie climatiche la combinazione di: quota non elevata, inclinazione rivolta a Sud, Montagne a Nord, grande lago a Sud creano un clima subtropicale a Lugano, anche se la latitudine è quella del Quebec (46° N). Diverso comportamento terra-acqua Grandezze climatiche Per definire il clima di un luogo si devono considerare gli andamenti su lungo periodo (20-30 anni) dei parametri fisici che permettono di definire le condizioni in cui si trova l’atmosfera. E’ necessario analizzare statisticamente i dati rilevati per le seguenti grandezze: • • • • • • intensità della radiazione solare diretta e diffusa temperatura dell’aria umidità relativa dell’aria velocità e la direzione del vento intensità delle precipitazioni nuvolosità e copertura del cielo In particolare la analisi climatiche fanno riferimento a temperatura media annuale, temperature medie del mese più freddo e del mese più caldo, escursione termica annuale, precipitazioni medie annuali Grandezze climatiche Grandezze climatiche Grandezze climatiche Grandezze climatiche Classificazione dei climi di Koppen Climi caldi umidi, aridi, umidi temperati caldi, microtermici, polari Classificazione dei climi di Koppen DESERT RAINFOREST DESERT Si utilizza come indicatore base la distribuzione delle associazioni vegetali Classificazione dei climi di Koppen La classificazione I climi italiani Alpi: clima d'alta montagna con estate umida Appennini: temperato fresco sub-oceanico umido Bacino padano e fascia costiera adriatica settentrionale: temperato subcontinentale Costa ligure e tirrenica: temperato caldo con inverno umido ed estate secca Costa adriatica del sud e ionica: temperato caldo localmente arido con inverno umido e lunga estate secca Sicilia e Sardegna: da temperato caldo con estate secca ad arido con lunga estate secca. I climi d’Italia
