AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA - architettura.unige.it · AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA Capitolo 10 6...

Corso di Impianti Tecnici ndash aa 20092010 ndash Docente Prof C Isetti

AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA Capitolo 10

1

CAPITOLO 10

AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA 101 Fattori astronomici Col termine clima si intende il complesso delle condizioni meteorologiche che

interessano una porzione della superficie terrestre sul lungo periodo Per definire le

condizioni climatiche si fa usualmente riferimento allrsquoandamento di parametri quali la

temperatura e lrsquoumiditagrave dellrsquoaria la radiazione solare il vento le precipitazioni

Il clima puograve essere definito in corrispondenza a diverse scale spaziali eo

temporali ad esempio dal clima dellrsquointero pianeta al clima di una regione fino al

microclima di una valle alpina da variazioni climatiche della durata di milioni drsquoanni a

variazioni orarie Lrsquoandamento dei parametri climatici in una localitagrave dipende sia da

fattori astronomici che geografici

102 Fattori astronomici

Il movimento di rivoluzione della Terra intorno al Sole avviene lungo una

traiettoria ellittica con i due fuochi ravvicinati Pertanto la traiettoria del sole puograve

essere assimilata con ottima approssimazione a una circonferenza di raggio r = 150middot106

[km]

Il piano ove si svolge il movimento orbitale terrestre (comprendente il Sole) egrave

detto piano dellrsquoeclittica Il moto di traslazione della Terra intorno al Sole si verifica

con velocitagrave angolare pressocheacute costante e il periodo di tempo richiesto per la

rivoluzione completa egrave pari ad un anno Oltre al moto di traslazione la Terra compie una

rotazione completa in 24 ore Lrsquoasse di rotazione (asse terrestre) non egrave

perpendicolare al piano dellrsquoeclittica ma egrave inclinato di un angolo che si mantiene

sempre costante durante il moto di traslazione I cambiamenti climatici stagionali

conseguono proprio alla citata inclinazione dellrsquoasse terrestre rispetto al piano

dellrsquoeclittica Le seguenti figure mostrano come lrsquoangolo d tra la congiungente Terra-

Sole e il piano dellrsquoequatore terrestre (declinazione del Sole) vari durante lrsquoanno

In particolare risulta



2

d = 0 in corrispondenza degli equinozi

d = 23deg 27rsquo al solstizio drsquoestate

d = ndash 23deg 27rsquo al solstizio drsquoinverno



3

In conclusione lrsquoinclinazione dellrsquoasse terrestre il moto di rivoluzione e quello di

rotazione danno luogo ai seguenti effetti principali

cambiamenti di stagione

variazione della lunghezza del giorno e della notte durante lrsquoanno

distribuzione dellrsquoenergia solare sulla Terra

Egrave opportuno ricordare gli angoli fondamentali che permettono di stabilire la

posizione del Sole rispetto ad un generico punto P della superficie terrestre

- λ latitudine del punto P (angolo compreso tra il segmento OP ed il piano

equatoriale [positivo a N e negativo a S ]

- micro longitudine del punto P (angolo formato sul piano equatoriale tra la

proiezione di OP e la proiezione del meridiano di Greenwich [positivo verso

W negativo verso E]

- d declinazione del Sole (angolo formato con il piano equatoriale dalla

congiungente i baricentri della Terra e del Sole)

- ω angolo orario del Sole (angolo sul piano equatoriale tra la proiezione di OP

e la proiezione della congiungente i baricentri della Terra e del Sole [positivo

verso W negativo verso E]

Meridiano di Greenwich

Equatore

Meridiano del punto P

Raggi solari

P O

ω

micro

λ

d

Latitudine declinazione e angolo orario

Nord



4

Quando lrsquoemisfero N egrave rivolto verso il Sole in Italia egrave estate in questo periodo

vi egrave la maggiore estensione del periodo drsquoinsolazione e lrsquoaltezza angolare del sole

sullrsquoorizzonte β (altezza solare) cresce fino a giungere al suo massimo valore al solstizio

drsquoestate In inverno succede il contrario

Come si puograve osservare in figura a mezzogiorno del solstizio drsquoestate un

osservatore che si trovasse sul tropico del cancro vedrebbe il Sole esattamente sulla

sua perpendicolare (altezza angolare sullrsquoorizzonte pari a β = 90deg) nello stesso istante

invece un osservatore nel punto P alla latitudine λ (maggiore di d = 23deg 27rsquo) vedrebbe

il Sole raggiungere una massima altezza angolare sullrsquoorizzonte β pari a

β = 90deg - (λ ndash d)

Per Genova (λ = 44deg 24rsquo) si ha β = 69deg 02rsquo

La declinazione d durante lrsquoanno puograve essere calcolata con sufficiente approssimazione

mediante la

d = 2345 sin

284g

365360

g = numero drsquoordine del giorno a partire dal 1deg gennaio



5

Variazione annuale della declinazione solare d

Lrsquoangolo orario puograve essere calcolato alle varie ore del giorno con lrsquoespressione

seguente

ω = 15(12-τ) -025 [e ndash 4(micro ndash microo)]

ove

τ = tempo in ore scandito da un orologio

= longitudine del punto P

microo = longitudine del meridiano centrale del fuso orario in cui si trova P in altre

parole la longitudine del meridiano preso come riferimento per lrsquoora

convenzionale e che nel ldquonostro casordquo egrave il meridiano Europa Centrale la cui

longitudine egrave microo = -15deg

e = termine correttivo (equazione del tempo) che tiene conto delle anomalie

dellrsquoorbita terrestre per cui la lunghezza del giorno varia seppure di poco nel

corso dellrsquoanno I valori di e (espressi in minuti) si possono ricavare dalla

seguente espressione

e = 042cos w ndash323cos 2w -009 cos 3w ndash735sin w ndash 939sin 2w -034 sin 3w

ove w egrave lrsquoangolo giornaliero

w = 360g2 [rad]



6

Lrsquoandamento di e (equazione del tempo) durante lrsquoanno egrave rappresentata nella figura

seguente

Equazione del tempo

Si puograve osservare come lrsquoerrore massimo (cioegrave la massima differenza fra lrsquoora segnata

dallrsquoorologio e lrsquoora solare vera quella per cui a mezzogiorno il Sole si trova

effettivamente nel punto piugrave alto della traiettoria) che si possa commettere egrave pari a 16

minuti il 2 novembre



7

103 Fattori geografici Come si ricorderagrave il flusso drsquoenergia radiante solare che investe la Terra viene in

parte assorbito e in parte riflesso nello spazio Del flusso assorbito dalla Terra una

parte viene a sua volta riemesso sotto forma di radiazione infrarossa

Come schematizzato nella seguente figura sulla superficie terrestre mediamente

giunge in percentuale solo circa il 51 del totale flusso incidente Il flusso incidente

sulla superficie risulta inoltre mediamente distinguibile nelle seguenti percentuali

terrestreerficiesupsulla51nubimentoreirraggiacomp8

diffusacomp17direttacomponente26

La restante parte 49 del totale flusso incidente egrave respinto nello spazio esterno per

effetto di riflessioni e re-irradiazioni atmosferiche (25 + 9 + 15 )



8

La seguente figura mostra invece lo spettro solare al di fuori dellrsquoatmosfera e quello

invece che raggiunge la superficie terrestre

Si noti lrsquoassorbimento significativo della porzione ultravioletta dello spettro (UV)

dovuto alla presenza nellrsquoalta atmosfera di strati contenenti ozono O3 (stato allotropico

dellrsquoossigeno a molecola triatomica) gas capace di assorbire queste dannosissime

radiazioni Come noto alcuni inquinanti gassosi (ad esempio i freons) qualora dispersi

nellrsquoatmosfera terrestre possono esplicare una significativa attivitagrave di degrado catalitico

delle quantitagrave drsquoozono presenti nellrsquoalta atmosfera consentendo quindi lrsquoarrivo sulla

superficie terrestre di maggiori flussi di radiazione UV Il problema molto sentito ed

attuale egrave anche noto con lrsquoespressione pittoresca di buco dellrsquoozono Lrsquoesame della

figura mostra inoltre che la radiazione solare che giunge sulla superficie terrestre egrave

indicativamente ripartita in porzione di circa il 50 nello spettro visibile e di circa il

restante 50 nello spettro infrarosso ( lt 4microm)

In condizioni di regime stazionario il bilancio termico dellrsquointero pianeta

impone che la Terra scambi per irraggiamento verso lo spazio un flusso termico



9

complessivo pari al flusso solare assorbito e cioegrave un flusso pari al 51 del totale

flusso solare incidente

Il flusso emesso verso lo spazio egrave per circa il 18 conseguente allo scambio

diretto Terra ndash Universo e per il 33 conseguente allo scambio Atmosferandash

Universo Le radiazioni emesse dalla superficie terrestre possono essere considerate

almeno in prima approssimazione come radiazioni infrarosse emesse da un corpo nero

alla temperatura di 288 [K] e cioegrave corrispondenti ad una temperatura media della

superficie terrestre di 15 [degC]

Si puograve precisare che se lrsquoatmosfera terrestre fosse totalmente trasparente e cioegrave

non esistesse alcun effetto ldquoserrardquo atmosferico il bilancio termico del nostro pianeta

verrebbe ldquosoddisfattordquo in corrispondenza ad una temperatura media pari a circa ndash 54

[degC] e cioegrave drammaticamente bassa

Come osservato il bilancio energetico complessivo della Terra e dellrsquoatmosfera

determina la temperatura globale media in superficie e la temperatura effettiva

drsquoirraggiamento della Terra

Il soddisfacimento del bilancio energetico appena descritto valido per la Terra

nel suo complesso non egrave identicamente valido per ogni latitudine alle latitudini piugrave

basse come risulta evidente dallrsquoesame della seguente figura si riceveragrave per ragioni

geometriche piugrave energia di quanta non ne sia emessa e viceversa

Oltre a questo effetto geometrico si osservi sempre in figura come alle

latitudini maggiori la radiazione solare debba attraversare uno strato drsquoatmosfera via via

di maggiore spessore (si parla di massa drsquoaria attraversata ad esempio MA = 1 per

incidenza normale MA progressivamente crescente per minori angoli di incidenza)



10

In generale quindi tanto maggiore egrave la latitudine tanto minore saragrave il flusso

drsquoenergia solare incidente sulla superficie terrestre

Queste differenze negli apporti di energia alle varie latitudini sono in parte

compensate da meccanismi convettivi su larga scala (venti e correnti oceaniche) che

trasferiscono calore dallrsquoequatore ai poli come schematizzato nella figura sottostante

Egrave perograve necessario osservare che alla stessa latitudine lrsquoassorbimento drsquoenergia

solare da parte della superficie terrestre dipende anche da ulteriori elementi e cioegrave da

anche da fattori geografici quali

coefficiente drsquoassorbimento della superficie stessa (una zona ricca di vegetazione

assorbe in modo diverso da una arida)

presenza di superfici liquide (mari fiumi laghi) a causa della maggiore capacitagrave

termica la superficie liquida si riscalda molto meno di quella solida

presenza ed orientamento di rilievi montuosi che proteggono od espongono vaste

aree a venti e correnti

deforestazione ed urbanizzazione di vasti territori con conseguenti cambiamenti

climatici



11

Il CNR ha elaborato una proposta di suddivisione del territorio italiano in 7

aree climatiche omogenee per la stagione fredda e per la stagione calda



12



13

104 Ulteriori considerazioni su alcuni fattori climatici

1041 Temperatura dellrsquoaria

Egrave il risultato di un complesso bilancio che dipende in primo luogo dallrsquointensitagrave

e dalla durata della radiazione solare ma egrave anche condizionato come giagrave osservato dalle

caratteristiche termofisiche del luogo dalla vicinanza di grandi masse ad alta inerzia

termica dalle correnti e movimenti drsquoaria Su scala locale si registrano anche effetti

dovuti alla configurazione orografica ed alla presenza di contesti urbani

Andamento della temperatura su aree rurali ed urbane

La temperatura superficiale del terreno puograve raggiungere valori molto elevati od

estremamente ridotti con escursioni termiche giornaliere elevate In ogni caso lrsquoaria

calda presente al suolo tende a sollevarsi provocando cosigrave una diluizione e dispersione

degli inquinanti oppure puograve bloccarsi a causa drsquoinversioni termiche

1042 Umiditagrave relativa

Dipende dalla temperatura dellrsquoaria i valori piugrave elevati si registrano allrsquoalba

quando la temperatura raggiunge il suo valore minimo i piugrave bassi nel pomeriggio in

corrispondenza alle piugrave elevate temperature pomeridiane La fluttuazione quotidiana

dellrsquoumiditagrave relativa egrave piugrave sensibile in estate che in inverno analogamente alla

temperatura dellrsquoaria

1043 Radiazione solare

Come giagrave precisato nellrsquoattraversare lrsquoatmosfera le radiazioni solari sono

soggette a fenomeni di riflessione assorbimento diffusione Questi fenomeni sono

fortemente dipendenti da



14

- lunghezza drsquoonda della radiazione

- spessore e natura fisico-chimico degli strati attraversati

In estrema sintesi pertanto lrsquoentitagrave della radiazione solare che giunge sulla superficie

terrestre e quindi anche sulle strutture verticali ed orizzontali degli edifici dipende non

solo dai fattori astronomici descritti ma anche dalle caratteristiche di

trasparenzaopacitagrave dellrsquoatmosfera Al riguardo dellrsquointerazione tra la radiazione solare e

le strutture verticali ed orizzontali degli edifici si forniranno nel prossimo capitolo

indicazioni quantitative

1044 Venti

Si precisa che per valori inferiori a 1 [ms] si parla di condizioni di calma e non

di vento Il regime dei venti condiziona la distribuzione delle temperature dellrsquoaria e

dellrsquoumiditagrave in ogni localitagrave ed egrave fortemente influenzato dalle specificitagrave locali Ad

esempio velocitagrave frequenza direzione dei venti dipendono da molti fattori quali ad

esempio esposizione altimetria tessitura del suolo ostacoli presenza di corpi idrici

ecc Egrave interessante citare il regime delle brezze tipico delle zone costiere come la

Liguria

Nelle figure seguenti a solo titolo esemplificativo srsquoillustra qualitativamente in

sezione e in pianta come la presenza di un ostacolo (edificio) possa modificare

significativamente la fluidodinamica di una corrente drsquoaria in moto (vento)



15



16

ESERCIZI ED ESEMPI

1) Si valuti per Napoli (λ = 40deg 51rsquo) e per Palermo (λ = 38deg 07rsquo) la massima altezza

angolare β raggiunta sul piano dellrsquoorizzonte dal sole a mezzogiorno del solstizio

drsquoestate (21 giugno) e del solstizio invernale (21 dicembre)

Facendo riferimento alla figura al solstizio drsquoestate d = 23deg 27rsquo si ha


Per Napoli si ottiene

β = 90deg - (40deg 51rsquondash 23deg 27rsquo)= 82deg 24rsquo

Per Palermo si ottiene


Al solstizio drsquoinverno si ha d = - 23deg 27rsquo

β = 90deg - (λ - d)


β = 90deg - (40deg 51rsquo+ 23deg 27rsquo)= 25deg 42rsquo





2

d = 0 in corrispondenza degli equinozi

d = 23deg 27rsquo al solstizio drsquoestate

d = ndash 23deg 27rsquo al solstizio drsquoinverno



3












W negativo verso E]







Equatore


Raggi solari

P O

ω

micro

λ

d


Nord



4













mediante la

d = 2345 sin

284g

365360




5



seguente


ove













w = 360g2 [rad]



6


seguente

Equazione del tempo







7













8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







3












W negativo verso E]







Equatore


Raggi solari

P O

ω

micro

λ

d


Nord



4













mediante la

d = 2345 sin

284g

365360




5



seguente


ove













w = 360g2 [rad]



6


seguente

Equazione del tempo







7













8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







4













mediante la

d = 2345 sin

284g

365360




5



seguente


ove













w = 360g2 [rad]



6


seguente

Equazione del tempo







7













8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







5



seguente


ove













w = 360g2 [rad]



6


seguente

Equazione del tempo







7













8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







6


seguente

Equazione del tempo







7













8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







7













8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







8


















9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







9


























10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







10
















climatici



11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







11





12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







12



13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







13

























14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







14









1044 Venti







Liguria






15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







15



16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







16

ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)





AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA - architettura.unige.it · AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA Capitolo 10 6...

Documents

Transcript of AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA - architettura.unige.it · AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA Capitolo 10 6...