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
