CAPITOLO 10 AMBIENTE ATMOSFERICO E CLIMA · Come osservato, il bilancio energetico complessivo...

Corso di Fisica tecnica e ambientale ndash aa 20112012 - Docente Prof Carlo Isetti

CAPITOLO 10 Ambiente atmosferico e clima

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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

temperatura e umiditagrave dellrsquoaria radiazione solare vento 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 dai seguenti fattori

- astronomici

- 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

a 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 d = 0 in corrispondenza degli equinozi d = 23deg 27rsquo al solstizio

drsquoestate e d = ndash 23deg 27rsquo al solstizio drsquoinverno



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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



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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]

- μ 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


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

Meridiano di Greenwich

Equatore

Meridiano del punto P

Raggi solari

P

O

ω

μ

λ

d

Latitudine declinazione e angolo orario

Nord



4

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) egrave β = 69deg 02rsquo

La declinazione d durante lrsquoanno puograve essere calcolata con sufficiente

approssimazione mediante la

d = 2345 sin

284g

365

360

ove

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(μ ndash μo)]

ove

τ = tempo in ore scandito da un orologio

= longitudine del punto P

μo = 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 μo = -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

essendo w lrsquoangolo giornaliero

w = 360

g2 [rad]

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

seguente



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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



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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

terrestreerficiesupsulla51

nubimentoreirraggiacomp8

diffusacomp17

direttacomponente26

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

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



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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 4μm)

In condizioni di regime stazionario il bilancio termico dellrsquointero pianeta impone che

la Terra scambi per irraggiamento verso lo spazio un flusso termico 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-Universo e per il 33 conseguente allo scambio Atmosfera-Universo



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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] ossia 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 questrsquoeffetto 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)

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

solare incidente sulla superficie terrestre



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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 come 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

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



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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

- lunghezza drsquoonda della radiazione

- spessore e natura fisico-chimico degli strati attraversati



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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 ad 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

Brezza di mare e di terra

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)

Impatto dei venti sugli edifici



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ESERCIZI ED ESEMPI

1) Si valuti per Napoli (λ = 40deg 51rsquo) e 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

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



3


















Equatore


Raggi solari

P

O

ω

μ

λ

d


Nord



4










d = 2345 sin

284g

365

360

ove




5




ove











w = 360

g2 [rad]


seguente



6

Equazione del tempo






7











diffusacomp17

direttacomponente26





8





















9























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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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Equatore


Raggi solari

P

O

ω

μ

λ

d


Nord



4










d = 2345 sin

284g

365

360

ove




5




ove











w = 360

g2 [rad]


seguente



6

Equazione del tempo






7











diffusacomp17

direttacomponente26





8





















9























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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







4










d = 2345 sin

284g

365

360

ove




5




ove











w = 360

g2 [rad]


seguente



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Equazione del tempo






7











diffusacomp17

direttacomponente26





8





















9























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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







5




ove











w = 360

g2 [rad]


seguente



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Equazione del tempo






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diffusacomp17

direttacomponente26





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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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Equazione del tempo






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diffusacomp17

direttacomponente26





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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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diffusacomp17

direttacomponente26





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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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9























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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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venti e correnti






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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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dipendenti da





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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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1044 Venti














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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)







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ESERCIZI ED ESEMPI











β = 90deg - (λ - d)





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