Elementi di Fisica atmosferica

eClimatologia

Roma, 26/10/2007

Federico Angelinif.angelini@isac.cnr.it

PARTE PRIMA:

Struttura dell’atomosfera terrestre

Bilancio radiativo:Il motore dell’atmosfera

Il 99 % dell’energia entrante in atmosfera deriva dalla radiazione solare.

La rimanente proviene dall’energia interna della Terra, dalla dissipazione dell’energia cinetica da parte delle maree e dalla conversione di calore latente.

La Terra riceve energia ad onda corta dal Sole e riemette energia a onda lunga verso lo spazio.

Per la legge di Wien, il massimo dell’emissione solare è a 0.5 m (VIS), mentre quella terrestre è a circa 10 m (TIR).

Per Stefan-Boltzmann, la potenza irradiata è proporzionale a T4.

Le emissioni di Terra e Sole sono sostanzialmente disaccoppiate, per cui i processi possono essere interpretati separatamente.

Bilancio radiativo:Il motore dell’atmosfera

Intensità spettrale

Trasmittanza atmosferica

Bilancio radiativo terrestre

Equilibrio radiativo terrestre

Potenza intercettata dalla Terra:

Potenza emessa dalla Terra:

Il bilancio è allora:

42

22 A1 S

ST

STTI T

R

RRP

PE= 4 R2T T4

T

P= PI - PE

Se P =0 la Terra è in equilibrio termico: si può allora stimare la temperatura di equilibrio TT;

Se è >0 si ha riscaldamento

Se è <0 si ha raffreddamento

RT raggio terrestre

RS raggio solare

AT albedo terrestre

RST raggio Sole-Terra

TS temp. solare (superficie)

TT temp. terrestre

F costante solare (1340 W/m2)

=F

Bilancio radiativo ed effetto serra

Dalle formule enunciate si ricava la temperatura di equilibrio:

L’albedo media terrestre è circa 0.28, per cui si ha:

È più bassa di quella reale! L’effetto serra fa aumentare la temperatura al suolo, anche se in totale la temperatura ‘di brillanza’ della Terra è questa!

FT TT A14 4

KAF

Teq 2564

)1(4

Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Temperatura

Pressione

Grandezze in atmosfera

Composizione chimica Omosfera (da 0 a 100 km)

Eterosfera (oltre i 100 km)

Temperatura

Pressione

Grandezze in atmosfera

Composizione chimica Omosfera (da 0 a 100 km):

A causa della turbolenza non c’è separazione per gravità

O2 (21% volume, 23% massa) N2 (78% volume, 75% massa) H2O => molto variabile (0.4 - 400 ppm) Altri gas (Ar, Ne, He, O3, … )

Eterosfera (oltre i 100 km)

Temperatura

Pressione

Grandezze in atmosfera

Composizione chimica Omosfera (da 0 a 100 km)

Eterosfera (oltre i 100 km):

I gas si separano per gravità: la diffusione molecolare prevale su quella turbolenta

Temperatura

Pressione

Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Temperatura La temperatura mostra andamenti differenti con la quota

Pressione

Grandezze in atmosfera Composizione chimica Temperatura

La temperatura mostra andamenti differenti con la quota: Troposfera (0 - 8/14 km): temperatura decrescente linearmente, con

gradiente medio pari a -6.5 K/km. Trappola per il vapore acqueo. Stratosfera (10 - 50 km): temperatura cresce con gradiente inferiore.

Zona molto stabile. Ospita la fascia di ozono. Mesosfera (50 - 80 km): pressione bassissima e popolata da elettroni

liberi e ioni (ionosfera). Termosfera (80-200 km): temperatura alta ed atmosfera quasi libera Esosfera (200 - 2000 km): cammino libero medio lunghissimo:

atmosfera libera. Pressione

Grandezze in atmosfera

• Composizione chimica• Temperatura• Pressione

La pressione decresce monotonicamente e comanda anche la densità, in quanto le variazioni di temperatura sono meno importanti. L’eq. dei gas perfetti è pV=NkT, da cui:

M

kT

M

kT

V

NMp

kT

Mp

Grandezze in atmosfera

• Composizione chimica• Temperatura• Pressione

Per atmosfera isoterma in equilibrio idrostatico (convezione trascurabile) la pressione avrebbe andamento esponenziale, così come la densità: dall’eq. dp= - g dh con la condizione = p M/kT e si ottiene infatti:

che è facile da integrare se T è costante e si ha:

dzkT

gM

p

dp

e H

z

pzp )0()(

PARTE SECONDA:

Elementi di dinamica atmosferica

Il motore dell’atmosfera (2):introduzione alla dinamica atmosferica

I moti atmosferici sono originati dalle differenze di pressione (forze di pressione)

Tali differenze di pressione sono a loro volta originate dall’ascesa e discesa di masse d’aria a diversa temperatura (convezione)

Le differenze di temperatura dipendono dalla risposta

del suolo al bilancio radiativo locale.

Tutti i moti atmosferici sono dovuti all’energia ricevuta dal sole !

Equazioni del moto

• Forze agenti su una massa d’aria– Forza di pressione– Forza di Coriolis– Forza di gravità– Attrito

• Equazioni non lineari:

• Dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali

Fgvpvvt

v

21

Avt

A

dt

dA

Approssimazione geostrofica

Proiettando le equazioni vettoriali in un sistema di riferimento solidale con la superficie terrestre, con l’asse x tangente al parallelo, l’asse y tangente al meridiano e l’asse z diretto verso l’alto si ha:

Trascurando le accelerazioni e le forze di attrito,

si ha bilancio tra la forza di Coriolis e la forza di pressione:

A medie latitudini cos = sen per cui 2 sen è circa costante e lo chiamo f.

Per definizione la forza di Coriolis è ortogonale alla velocità.

Si vede che il gradiente di pressione è ortogonale al vento geostrofico: 0,),(

y

p

x

pvu

Vento geostrofico

Equilibrioidrostatico

Circolazione ciclonica e anticiclonica

Il vento a grande scala è sostanzialmente ortogonale alle isobare

(non è intuitivo!)

Effetto dell’attrito sul vento geostrofico

Circolazione generale La maggiore insolazione

all’equatore genera convezione;

La convezione si arresta e l’aria viaggia verso i poli, si raffredda e ridiscende (cella)

La forza di Coriolis fa sì che le celle si rompano e creino circolazioni da est e da ovest a seconda della provenienza del vento;

Si hanno così tre celle separate da zone di convergenza e divergenza tipiche.

B

B

B

H

H

PARTE TERZA:

Cenni di climatologia

Definizione di clima Il clima è la successione delle situazioni meteorologiche nei vari

punti della Terra. L’IPCC stabilisce che:

“Climate in a narrow sense is usually defined as the “average weather”, or more rigorously, as the statistical description in terms of the mean and variability of relevant quantities over a period of time ranging from months to thousands or millions of years. The classical period is 30 years, as defined by the World Meteorological Organization (WMO). These quantities are most often surface variables such as temperature, precipitation, and wind. Climate in a wider sense is the state, including a statistical description, of the climate system.”

Il clima è influenzato da vari fattori A monte di tutto c'è l'energia solare, o meglio il bilancio

energetico terrestre, come già visto (forcing radiativo)

Definizione di clima

Cause delle variazioni climatiche

Variazioni a lungo periodo (104-105 anni)

Determinate da fattori astronomici: Variazione eccentricità orbita terrestre (105~ anni) Precessione degli equinozi (~ 20000 anni) Nutazione asse terrestre (~ 40000 anni) Variazione geografia terrestre

Tutto ciò determina un forcing radiativo più o meno periodico: buona

concordanza con le glaciazioni

Cause delle variazioni climatiche

Variazioni a breve periodo (102-103 anni)

Di più difficile comprensione: Eruzioni vulcaniche Variazione composizione atmosfera (ozono,

vapore, gas serra) Variazione dell'albedo planetaria Processi casuali, risonanze stocastiche Interazione oceano-atmosfera (NAO, ENSO)

Attività umane?

Dati paleoclimatici dal Vostok Ice Core

Clima recente e CO2

Aumento delle emissioni gas serra dall’anno 0

Vari studi hanno mostrato che gran parte della CO2 immessa è di origine fossile

Un esempio di “guarigione”:il buco dell’ozono

Nel 1985 fu scoperto che lo strato di ozono stratosferico sull’Antartide si era assottigliato in estensione e concentrazione;

Si scoprì che la dinamica dell’abbassamento dell’ozono seguiva l’insolazione;

In seguito si scoprì che il responsabile era il cloro, che attraverso reazioni fotochimiche catalizzate dalla radiazione ultravioletto distruggeva grandi quantità di O3.

Il Cl originava dai CFC che, rilasciati in atmosfera, raggiungevano la stratosfera e, aiutati dalla radiazione solare, si scindevano e permettevano la realizzazioni di queste reazioni.

Il protocollo di Montreal (1987) ha bandito il rilascio dei CFC ed ora il ‘buco’ sembra essersi stabilizzato; ci si aspetta che con il tempo la radiazione solare permetta la ricostituzione della normale concentrazione di ozono!

Conclusioni

E’ unanimemente accettato ormai che l’attività umana stia modificando la composizione chimica dell’atmosfera;

E’ quasi unanimemente accettato che vi sia un riscaldamento globale terrestre;

Non ci sono prove inconfutabili che l’aumento di temperatura sia causato dall’aumento di gas serra, ma se così fosse potrebbe essere troppo ‘costoso’ rimediare a cambiamenti innescati, considerando l’imprevedibilità dei vari fenomeni di retroazione, molti dei quali ancora poco chiari.

PRINCIPIO DI PRECAUZIONE

Bibliografia essenziale

http://www.ipcc.ch/

http://www.metoffice.gov.uk/

http://www.noaa.gov/

Mario Pinna, “Le variazioni del clima”, Franco Angeli ed.

Guido Visconti, “Fondamenti di fisica e chimica dell’atmosfera” CUEN ed.