L’ATMOSFERA TERRESTRE
La composizione dell’aria
Nei primi 100 Km di altezza, ciò che chiamiamo “aria”
risulta costituito da un miscuglio di gas, alcuni dei
quali, come l’azoto, l’ossigeno ed i gas nobili, sono
presenti ovunque in percentuali fisse; altri, come
l’anidride carbonica, presentano piccole variazioni
percentuali in tempi lunghi; altri ancora, come l’ozono,
il vapore d’acqua ed il cosiddetto “pulviscolo
atmosferico”, oltre ad essere presenti in quantità
variabili, hanno anche quote di esistenza preferenziali.
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• tra 0 e 100 km
– gas presenti ovunque in percentuali fisse
• azoto, ossigeno, gas nobili
– gas con variazioni percentuali in tempi lunghi
•
anidride carbonica
– gas in quantità variabili ed a quote preferenziali
• ozono, vapore acqueo, pulviscolo atmosferico
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• tra 100 e 130 km
– stessi gas, diverse percentuali
– maggior presenza di ossigeno
• tra 130 e 1100 km
– prevalenza di azoto e ossigeno atomico
• oltre 1100 km
– prevalenza di elio ed idrogeno
LA COMPOSIZIONE DELL’ARIA
COMPONENTI PERMANENTI DELL’ARIA
Componenti
Simbolo
Azoto
N2
O2
A
CO2
Ne,Kr,Xe
H
He
Ossigeno
Argon
Anidr. Carb.
Gas nobili
Idrogeno
Elio
% Vol.
78,08
COMPONENTI VARIABILI DELL’ARIA
Componenti
Ozono
Formula
Quote di
concentrazione
O3
da 25 a 70 Km
H2O
fino ai 12-18 Km
NaCl, C,
nei primi Km
20,94
0,93
Vapor d'acqua
0,03
Pulviscolo
Tracce
ecc.
Tracce
AZOTO e OSSIGENO costituiscono insieme circa il 99% dell’aria.
Nonostante ciò non hanno alcun ruolo nella produzione e evoluzione
dei fenomeni meteorologici. Fondamentale è invece il VAPORE
ACQUEO.
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• azoto ed ossigeno
– costituiscono oltre il 99% dell’atmosfera
– non hanno alcun ruolo nei fenomeni meteorologici
• grande importanza meteorologica
– componenti variabili
• vapore acqueo
• pulviscolo atmosferico
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• vapore acqueo
– primi km di altezza (fino a 12-18 km)
– evaporazione da superfici liquide
– percentuali variabili (pochi gr/kg di aria)
– importanza meteorologica dovuta a
• scambi energetici (600 cal/g acqua)
• limite alla dispersione del calore irradiato dalla Terra
sottoforma di radiazione infrarossa (effetto serra)
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• pulviscolo atmosferico
– particelle sospese nei bassi strati
– hanno origine:
• naturale (sale marino, ceneri vulcaniche)
• artificiale (residui processi di combustione ⇒ smog)
– importanza meteorologica dovuta a:
• proprietà igroscopiche (nuclei di condensazione)
• ⇒ formazione delle nubi
PROPRIETA’ DELL’ATMOSFERA
• pressione e densità
– diminuiscono con l’altezza
• temperatura
– variabilità di comportamento
– alternanza di massimi e minimi
– serie di strati a profilo termico uniforme
(sempre crescente o decrescente)
– strati di transizione a temperatura costante
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• strati a profilo termico uniforme
– troposfera
• temperatura decrescente
– stratosfera
• temperatura crescente
– mesosfera
• temperatura decrescente
– strati esterni: termosfera, ionosfera, esosfera
• temperature crescenti (superiori al migliaio di gradi)
• approssimazione gas perfetti
• strati di transizione a temperatura costante
– tropopausa
– stratopausa
– mesopausa
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
STRATI A PROFILO TERMICO UNIFORME E COSTANTE
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• troposfera
– altezza variabile per rotazione terrestre
• 8 km ai poli
• 11 - 12 km latitudini intermedie
• 17 km all’equatore
– temperatura diminuisce con la quota
• valore medio s.l.m. : 15°C
• valore medio a quota massima: - 55°C
– sede di tutti i fenomeni meteorologici
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• tropopausa
– spessore dell’ordine di una decina di km
– temperatura costante - 55°C
– presenza delle correnti a getto
• stratosfera
– altezza massima circa 50 km
– temperatura aumenta con la quota
• massima concentrazione ozono
• assorbimento radiazione solare UV
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
STRATOSFERA: LO STRATO DI OZONO
PROCESSO DI DISTRUZIONE DELL’OZONO
UN PROCESSO CONTINUO
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• stratopausa
– limite superiore della stratosfera
• mesosfera
– altezza massima circa 80 km
– temperatura diminuisce con la quota
– 1% massa atmosferica totale
– pressione compresa tra 1 e 0,01 hPa
– nubi nottilucenti (quota ≈ 80 km)
• formate da polveri cosmiche
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
MESOSFERA
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• mesopausa
– limite superiore della mesosfera
• termosfera e ionosfera
– predominano particelle ionizzate
• riflessione onde radio (strati di Heaviside)
• aurore polari
– temperatura aumenta con la quota
• temperatura in senso cinetico-statistico: T~Ecinetica~½mv2
• approssimazione con gas perfetto (elevato c.l.m. molecole)
• esosfera
– oltre 800 km di quota
– transizione tra atmosfera e spazio cosmico
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
TERMOSFERA e IONOSFERA
Le aurore, sono strati multicolore frequenti nei cieli a
latitudini molto alte nord e sud. La loro causa è l’interazione
tra il vento solare – un tenue flusso di particelle cariche
provenienti dal sole - ed il campo magnetico terrestre. Le
luci sono frutto dell’impatto degli elettroni e protoni con le
molecole dell’alta atmosfera.
Questa spettacolare immagine mostra un’aurora boreale su
di un campo coperto di neve ed alberi congelati in Alaska.
Le aurore difficilmente scendono sotto I 60 km e possono
salire fino a 1000 km. Vista dallo spazio un’aurora può
apparire come un cerchio attorno ad uno dei poli magnetici
terrestri.
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
ESOSFERA
Le forze:
• gravità terrestre (intesa come forza risultante della gravità e
della forza centrifuga, derivante dalla rotazione terrestre);
• pressione atmosferica (tenuto conto che i gas tendono ad
occupare tutto il volume) e che la pressione atmosferica tende
a distribuire questa massa gassosa addensandone di
più nei
bassi strati e via via in modo decrescente con l’altezza;
• l’ineguale distribuzione dell’energia solare (dovuta alle
caratteristiche astronomiche e fisiche del globo)
determina
differenze di pressione tra punti posti alla stessa
altezza, e
mette l’aria in movimento rispetto alla terra.
Se ne deduce che mentre il 50% della massa atmosferica
totale è concentrata nei primi 5,5Km circa, il 99,7% di essa
non va oltre ai 40Km.
1000
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
0
5,5
10
20
40
Hpa/mb
1000
500
250
50
2,7
P. riduz.%
100%
50%
25%
5%
0,27%
Km
4.Struttura termica verticale dell’atmosfera
T=1400°C
(600km)
km
120
TERMOSFERA
80
75
Mesopausa
MESOSFERA
60
50
Stratopausa
STRATOSFERA
20
14
Tropopausa
TROPOSFERA
l.m.m
-85
-55
0
15
°C
(1) nella Troposfera la temp. diminuisce con h (var. con LATITUD. e STAGIONI)
(2) nella Stratosfera la temp. aumenta (inv.term. Impedisce mov.verticali quindi le nubi)
(3) nella Mesosfera la temp. diminuisce nuovamente
(4) nella Termosfera la temp. aumenta in modo esponenz. (concetto cinetico-statistico)
La radiazione solare
Tutti i corpi con temperatura maggiore dello zero assoluto (-273°C)
hanno la proprietà di irraggiare nello spazio “granuli d’energia”
sotto forma di onde elettromagnetiche. Questi granuli sono detti
“fotoni”o “quanti” e presentano un contributo energetico
inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda.
Il sole, radiatore ideale, ha una temp. superficiale di 6000°C ed
emette radiazioni su un vastissimo spettro: dai raggi gamma (10-6
micron) fino a radiazioni con lunghezze d’onda di qualche Km.
Soltanto quella con spettro compreso tra 0,15 e 14 micron (tra U.V.
e I.R.) giunge ai confini con la mesosfera. Quella con lunghezza
d’onda inferiore a 0,15micron (alto contenuto energetico) raggiY,
raggi X e parte degli U.V. vengono assorbite nella termosfera (ecco
una spiegazione delle alte temp). La radiazione oltre i 14micron, a
basso contenuto energetico) viene riflessa nella ionosfera.
LE CAUSE DEL TEMPO
In definitiva la causa principale è:
• Diversa distribuzione
dell’energia solare in
seno al sistema
terra-atmosfera.
Dovuta a:
• Forma
geometrica
della terra. (sferoidale con
incidenza
della
radiazione più concentrata
all’equatore).
• Inclinazione dell’asse
di rotazione della terra
(il quale nel suo movimento
di rotazione intorno al sole
rimane inclinato di 23°).
CIRCOLAZIONE GENERALE
ATMOSFERICA
ANALISI DELLA C. G. A.
FORZA DEVIANTE DI CORIOLIS
CONSEGUENZE DELLA C.G.A.
CIRCOLAZIONI TERMICHE
CIRCOLAZIONE DELLE MEDIE LATITUDINI
DISTRIBUZIONE STAGIONALE DELLE CALORIE
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• cause fondamentali
– differente riscaldamento nelle diverse regioni del globo
• riscaldamento maggiore nelle zone tropicali, minore nelle polari
• necessità di trasferire calore da equatore verso poli
• caso ipotetico
– Terra non in rotazione e superficialmente omogenea (oceani)
⇒ unica circolazione convettiva meridiana a scala emisferica
⇒ Cella di Hadley:
•
•
•
•
salita di aria in quota all’equatore
flusso in quota verso i poli
discesa di aria al suolo ai poli
flusso in superficie verso equatore
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
La Cella di Hadley
(caso semplificato ipotetico)
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• caso ipotetico
– Terra in lenta rotazione
• ancora unica circolazione convettiva
• deviazione di Coriolis
– Emisfero Nord:
– Emisfero Sud:
flusso in superficie nord-orientale
flusso in quota sud-occidentale
flusso in superficie sud-orientale
flusso in quota nord-occidentale
• EMISFERO SUD
– DEVIAZIONE
CORIOLIS
AGISCE
IN
DIREZIONE
OPPOSTA
– CIRCOLAZIONE ATMOSFERICA SPECULARE EMISFERO
NORD
– A SEGUIRE SEMPRE RIFERIMENTO A EMISFERO NORD
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• caso reale
– Terra in rotazione con periodo 24 h
• modello a singola Cella di Hadley non più plausibile
– flusso superficiale completamente orientale prima equatore
– componente orientale vento ∼ centinaia nodi
– attrito equatoriale tale da rallentare rotazione terrestre
• modello complesso di circolazione atmosferica
• da unica circolazione meridiana a sistema di tre circolazioni:
– meridiana interpropicale o cella di Hadley 0° - 30°N
– extratropicale o cella di Ferrel
30°N - 60°N
– cella polare
60°N - 90°N
TRE CELLE DI CIRCOLAZIONE
IL “TEMPO” SI GENERA ALLE MEDIE LATITUDINI
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• scala moti atmosferici
– moti verticali
• massima estensione: intero spessore troposfera
– moti orizzontali meridiani
• forte componente in direzione meridiana
• massima estensione: fascia latitudinale di ∼ 30°
– moti orizzontali zonali
• forte componente in direzione paralleli
• massima estensione: intera circonferenza terrestre
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• conseguenze
– venti permanenti (superficie)
• nordorientali intertropicali (alisei)
• venti occidentali medie latitudini
• venti orientali polari
– sistemi barici dinamici
• basse equatoriali
• alte subtropicali
• basse polari
• alte artiche
VENTI PERMANENTI
• alisei
–
–
–
–
velocità e direzione costanti lungo tutto l’anno
tra latitudini Nord e Sud comprese tra 5° e 30°
quote inferiori a 1 - 2 km (venti al suolo)
caratteristiche:
• velocità media circa 13 nodi (molto regolari sul mare)
• secchi e freschi
– causati da:
• spostamento aria da fascia H subtropicale a L equatoriale
• Coriolis ⇒ provenienza nord-orientale
• convergenza all’equatore in fascia di 3° - 5° latitudine
⇒ calme equatoriali o convergenza intertropicale ITCZ
– circolazione invertita in quota ⇒ controalisei
– inversione periodica (scala diversi anni) alisei ⇒ El Niño
VENTI PERMANENTI
• venti occidentali
– zone temperate oceaniche entrambi emisferi
– tra latitudini 40° e 60°
– regolarità disturbate da depressioni mobili
⇒ perturbazioni
VENTI PERMANENTI
DISTRIBUZIONE DEI SISTEMI BARICI
SISTEMI BARICI DINAMICI
• originati dai moti verticali aria
– anticicloni
• subsidenza
• divergenza al suolo, convergenza in quota
– cicloni
• salita aria in quota
• convergenza al suolo, divergenza in quota
• fasce circumpolari di:
–
–
–
–
bassa pressione equatoriale
alta pressione tropicale
bassa pressione polare
alta pressione artica
SISTEMI BARICI DINAMICI
Distribuzione circumpolare
delle fasce bariche dinamiche
SISTEMI BARICI DINAMICI
• nuclei barici dinamici
– punti di massimo e minimo barico relativo interni alle fasce
– in corrispondenza degli oceani
• temperatura e flusso del vento più uniformi lungo tutto anno
• attrito sui continenti effetti più marcati sul flusso geostrofico
– anticicloni rinforzati su Azzorre, Bermuda, Pacifico orientale
– cicloni accentuati su Aleutine e Islanda
SISTEMI BARICI DINAMICI
Distribuzione dei centri barici
dinamici di alta e bassa pressione
CIRCOLAZIONE INTERTROPICALE
• cella di Hadley confinata tra equatore e tropico
– salita in quota di aria calda a equatore
• fascia di bassa pressione al suolo
– in quota correnti meridiane verso polo
• intervento della forza deviante
• correnti divengono sudoccidentali (controalisei)
• tra 25°N e 40°N circolazione diviene zonale
– discesa di aria al suolo a latitudini subtropicale
• fascia di alta pressione subtropicale
• per divergenza, parte aria verso il polo, parte verso equatore
– al suolo correnti meridiane verso equatore
• intervento della forza deviante
• correnti divengono nordorientali (alisei)
contributo al fine ultimo della circolazione generale:
ridistribuzione del calore solare
riduzione del divario termico tra equatore e polo
CIRCOLAZIONE TERMICHE
• origina da gradiente orizzontali di temperatura
• inizialmente superfici isobariche parallele suolo
– in assenza di gradiente barico
• diverso riscaldamento del suolo a pressione costante
– l’aria scaldata si espande e diminuisce la densità
– l’aria raffreddata si contrae e diminuisce la densità
• superfici isobariche inclinate all’aumentare della quota
• si origina gradiente barico in quota
– alta pressione su zona calda
– bassa pressione su zona fredda
CIRCOLAZIONE TERMICHE
• aria fluisce in quota da zona calda verso zona fredda
• perdita di massa in colonna d’aria su zona calda
– diminuisce pressione al suolo su zona calda
• guadagno di massa in colonna d’aria su zona fredda
– aumenta pressione al suolo su zona fredda
• gradiente barico al suolo opposto a quello in quota
• aria fluisce al suolo da zona fredda verso zona calda
– circolazione al suolo come flusso di ritorno di quelle in quota
CIRCOLAZIONE TERMICHE
EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL
SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME:
AVVIO DI CIRCOLAZIONE TERMICA IN QUOTA
CIRCOLAZIONE TERMICHE
EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL
SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME:
CIRCOLAZIONE TERMICA COMPLETA
CIRCOLAZIONE TERMICHE
• stesso origine per fenomeni a scale molto diverse:
– mesoscala (centinaio di km): brezze
– sinottica (decine di migliaia di km): monsoni
• caratteristiche delle circolazioni termiche:
– i venti scorrono al suolo da zone fredde verso zone calde
– i venti invertono periodicamente la circolazione
• esempi di circolazioni termiche
– brezze: periodo di dodici ore
– monsoni: periodo di sei mesi
• circolazione monsonica:
–
–
–
–
ovunque ci sia vasto continente circondato da oceani
dipende da forma e morfologia del continente
dipende anche dalle variazioni in latitudine della ITCZ
è più forte ed incisiva nel sud est asiatico
CIRCOLAZIONE TERMICHE
ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A MESOSCALA:
BREZZE DI MARE E BREZZE DI VALLE
CIRCOLAZIONE TERMICHE
ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A SCALA SINOTTICA:
I MONSONI
