1. ATMOSFERA -...

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1. ATMOSFERA

ARGOMENTI TRATTATI:

• Estensione e struttura dell’atmosfera • Composizione dell’aria• Principali parametri fisici (temperatura, pressione, umidità,

radiazione solare)• Principali inquinanti e sorgenti di inquinamento• Scale spaziali e temporali dei processi atmosferici• Definizione di Strato Limite Atmosferico (SLA)• La stabilità atmosferica e le classi di stabilità• Le inversioni termiche: andamento giorno-notte

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ESTENSIONE E STRUTTURA DELLESTENSIONE E STRUTTURA DELL’’ATMOSFERAATMOSFERALa stratificazione termica dell'atmosfera

fino a 110 km

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

-100

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Temperatura (°C)

Alte

zza

(Km

)

-100

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COMPOSIZIONE DELLCOMPOSIZIONE DELL’’ARIAARIA

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L’aria presente nell’atmosfera non è mai secca, ma vi si trova sciolta una frazione variabile talvolta anche ragguardevole, di vapor d'acqua in genere notevolmente surriscaldato (aria umida), in relazione al sito e alle circostanze meteorologiche.

L’aria per semplicità viene trattata come un gas perfettoQuando non vi sono cambiamenti di stato, anche il vapor d’acqua può essere

trattato come una gas perfetto. Maggiori problemi si hanno quando il vapor d’acqua è vicino alla saturazione.Un gas perfetto è un gas ideale le cui molecole hanno volume trascurabile e non interagiscono tra di loro se non con urti elastici.Per un gas perfetto vale la semplice ‘equazione di stato dei gas perfetti’:

che lega le variabili di stato: pressione P, temperatura T [Kelvin], volume VRu e’ la “costante universale dei gas perfetti” che vale 8.31 J K-1 moli-1

n è il numero di moli (1 mole contiene lo stesso numero di molecole per ogni gas: 6,02 1023 detto numero di Avogadro); n=m/M dove m è la massa del gas e M la massa di una mole, caratteristica di ogni gas.

Per l’aria secca Ma=28,965 g/mole Per il vapore d’acqua Mv=18 g/mole

TnRPV u=

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°

1. ATMOSFERA ARIA: ARIA:

RTTMR

Vm

VTnRP

a

uu ρ=⋅⋅==

RTP ρ=

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1. ATMOSFERAPRINCIPALI PARAMETRI FISICIPRINCIPALI PARAMETRI FISICI

L’atmosfera, oltre a variare la sua temperatura con la quota, non ha in tutti i suoi punti, ad un determinato istante, una temperatura nota e costante nel tempo, perché soggetta a riscaldamento differenziato da parte del sole dall’alto e a riscaldamento o raffreddamento dal basso operato dalla superficie terrestre.

Si definisce ESCURSIONE TERMICA la differenza tra la temperatura massima e la temperatura minima misurate in una data località in un certo intervallo di tempo. Così potremo parlare di andamento o escursione termica annuale, mensile, giornaliera.

Le scale termometriche

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1. ATMOSFERA PRINCIPALI PARAMETRI FISICIPRINCIPALI PARAMETRI FISICI

Le diverse temperature della superficie terrestre provocano un diverso riscaldamento dell'aria sovrastante, che fa nascere i moti convettivi dell'aria.

La convezione è la forma di propagazione del calore caratteristica dei liquidi e dei gas. L'aria calda (scaldata dal terreno) essendo meno densa di quella più fredda tenderà a salire per il principio di Archimede. Salendo quest'aria, lascia il posto a quella più fredda che le sta intorno, la quale viene così richiamata verso il terreno, ove a sua volta si scalda e sale.

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ρρρρ

gdzdp ρ−=

RTP ρ=

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−= RT

gzePP 0

−= RT

gze0ρρ

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.

’ λ à

’

’

èè

Tt.cos=λ

λυ c=

ν

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Principali inquinanti atmosfericiPrincipali inquinanti atmosfericiGli inquinanti, quale che sia la loro origine, vengono divisi in:• primari (immessi nell’ambiente direttamente a seguito del processo che li ha originati, naturale e antropico). • secondari (sostanze che si formano a seguito di modificazioni di varia natura, per reazioni chimico-fisiche tra

gli inquinanti primari stessi o con l’atmosfera, possono essere attivati dall’energia solare e coinvolgono spesso l’ossigeno atmosferico).

μ μ

μ

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Principali inquinanti atmosfericiPrincipali inquinanti atmosferici

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1. ATMOSFERA

Principali inquinanti atmosfericiPrincipali inquinanti atmosferici

Le unità di misura delle concentrazioni di inquinanti atmosferici sono generalmente espresse in:

• ppm (parti per milione) o ppb (parti per miliardo), considerando per essi il rapporto in volumi tra la frazione inquinante e il resto di gas contenuto nell'aria. I volumi di inquinante e aria sono determinati alla temperatura e pressione standard di 15°C e 760 torr (pressione atm osferica al livello del mare)

• μg/m3 (microgrammi al metro cubo), considerando il rapporto tra la massadi inquinante (espresso in milionesimi grammo) e il volume d'aria che lo contiene (espresso in m3). In zone fortemente inquinate, sono usati i milligrammi (10-3 grammi) al metro cubo

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Principali sorgenti di inquinamentoPrincipali sorgenti di inquinamento

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EMISSIONI DELLA “CO” NEGLI USA (da National Air Quality, Monitoring and Emission Trends Report, 1977, EPA-450/2-78-0.52,1978)

EMISSIONI DEGLI IDROCARBURI NEGLI USA (da National Air Quality, Monitoring and Emission Trends Report, 1977, EPA-450/2-78-0.52,1978)


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STIMA DELLE EMISSIONI DI OSSIDI DI ZOLFO NEGLI USA (1974) Da “Le riviste di combustibili”, Vol XXXVI, 7, 1982

STIMA DELLE EMISSIONI DI PARTICOLATO SOLIDO NEGLI USA (1974) Da “Le riviste di combustibili”, Vol XXXVI, 7, 1982


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Scale spaziali e temporali dei processi atmosfericiScale spaziali e temporali dei processi atmosferici

Nell’atmosfera i composti sono introdotti, rimossi ed evolvono su scale spaziali e temporali molto diverse.

SCALE SPAZIALISCALE SPAZIALI Si possono distinguere le seguenti categorie:

• La microscala (100 m microscala (100 m –– 1 km) 1 km) riguarda fenomeni che hanno una azione limitata a poche centinaia di metri;

• La scala urbana o locale (10 km scala urbana o locale (10 km –– 50 km)50 km) interessa aree metropolitane e/o industriali con un raggio di 10-50 km;

• La mesoscalamesoscala o scala regionaleo scala regionale (10 km (10 km –– 100 km)100 km) riguarda fenomeni che interessano aree da alcune decine a alcune centinaia di chilometri;

• La scala sinottica (100 km scala sinottica (100 km –– 5000 km)5000 km) descrive le dinamiche caratteristiche di scale che vanno dalle centinaia alle migliaia di chilometri;

• La scala globale (> 5 000 km) scala globale (> 5 000 km) comprende scale oltre i 5000 km.

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Scale spaziali e temporali dei processi atmosfericiScale spaziali e temporali dei processi atmosferici

SCALE TEMPORALISCALE TEMPORALI

• • ∼• •

• •

• • • •

• • • •

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1. ATMOSFERA STRATO LIMITE ATMOSFERICOSTRATO LIMITE ATMOSFERICO

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STABILITASTABILITA’’ ATMOSFERICAATMOSFERICA

Consideriamo una particella elementare di aria che si muove verticalmente in modo adiabatico. (ES. Particella immessa nell’atmosfera da camino)

Se si sposta verso l’alto, la pressione diminuisce, quindi questa si raffredda e si espande adiabaticamente.

Analogamente accade se si sposta verso il basso.Il gradiente di temperatura di tale particella è pari a circa 1°C ogni 100 m:

Tale ritmo di raffreddamento e di riscaldamento, che vale unicamente per l’aria non satura, può essere rappresentato da una retta (adiabatica seccaadiabatica secca).

]/[0098.0_ mCzTtermicogradiente °≅

∂∂−=

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Possiamoindividuare

cinque distinte situazioni:

ATMOSFERA NEUTRA ATMOSFERA NEUTRA –– stabilitstabilitàà indifferente (caso 5):indifferente (caso 5):Gradiente della adiabatica secca = Gradiente termico effettivo dGradiente della adiabatica secca = Gradiente termico effettivo dellell’’atmosferaatmosfera.

(∂T/∂z)adiabatica secca = (∂T/∂z)atmosferaLa particella elementare di aria, se spinta verso l’alto o verso il basso, è sempre

in equilibrio, poiché la sua temperatura interna coincide con quella esterna.La dispersione verticale è determinata solo dalla turbolenza meccanica.

Stabilità atmosferica

0

50

100

150

0 1 2

temperatura (°C)

alte

zza

(m)

caso 1: Retta di inversione termica

caso 2: Retta superadiabatica

caso 3: Retta subadiabatica

caso 4: Retta di inversione termica

caso 5: ADIABATICA SECCA

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ATMOSFERA INSTABILE (caso 2):ATMOSFERA INSTABILE (caso 2):

Gradiente della adiabatica secca Gradiente della adiabatica secca >> Gradiente termico effettivo dellGradiente termico effettivo dell’’atmosfera. atmosfera.

(∂T/∂z)adiabatica secca >> (∂T/∂z)atmosfera

La particella elementare di aria, se spinta verso l’alto tende a salire (Tparticella > Tatmosfera) , mentre se spinta verso il basso tende a scendere.

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ATMOSFERA STABILE (caso 3):ATMOSFERA STABILE (caso 3):

Gradiente della adiabatica secca Gradiente della adiabatica secca << Gradiente termico effettivo dellGradiente termico effettivo dell’’atmosfera. atmosfera.

(∂T/∂z)adiabatica secca << (∂T/∂z)atmosferaLa particella elementare di aria, se spinta verso l’alto tende a scendere

(Tparticella < Tatmosfera), mentre se spinta verso il basso tende a salire. La dispersione verticale degli inquinanti è bassa.

INVERSIONE TERMICA (caso 1,4):INVERSIONE TERMICA (caso 1,4):La temperatura non varia o aumenta con La temperatura non varia o aumenta con la quota. la quota. Si ha una forte stabilitSi ha una forte stabilitàà verticale.verticale.

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∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂

∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂

∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂

∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂

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CLASSI DI STABILITACLASSI DI STABILITA’’ ATMOSFERICAATMOSFERICA

Per stimare la stabilità atmosferica è possibile utilizzare il criterio di criterio di classificazione di classificazione di PasquillPasquill--GiffordGifford, che esprime la classe di stabilità in funzione della velocità del vento, della radiazione solare totale e della copertura nuvolosa.

Velocità del vento a 10 m dal p.c. (m/s)

Radiazione solare Incidente (GIORNO)

Copertura nuvolosa (NOTTE)

Forte Moderata Debole ≥≥≥≥ 50 % < 50%calma -- -- -- -- G

< 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

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CLASSI DI STABILITACLASSI DI STABILITA’’ ATMOSFERICAATMOSFERICA

L’applicazione dello schema sopra riportato nelle ore notturne richiede la conoscenza della nuvolosità, non facilmente ottenibile nelle comuni stazioni di monitoraggio. In alternativa, si può quindi individuare la classe di stabilitla classe di stabilitààatmosferica in funzione del gradiente verticale della temperaturatmosferica in funzione del gradiente verticale della temperaturaa.

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1. ATMOSFERAInversioni termiche: Andamento giornoInversioni termiche: Andamento giorno--nottenotte

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