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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


• 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

Componenti Simbolo % Vol.

Azoto N2 78,08

Ossigeno O2 20,94

Argon A 0,93

Anidr. Carb. CO2 0,03

Gas nobili Ne,Kr,Xe

Idrogeno H Tracce

Elio He Tracce

COMPONENTI PERMANENTI DELL’ARIA

Componenti FormulaQuote di

concentrazione

Ozono O3 da 25 a 70 Km

Vapor d'acqua H2O fino ai 12-18 Km

Pulviscolo NaCl, C, nei primi Km

ecc.

COMPONENTI VARIABILI DELL’ARIA

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.

LA COMPOSIZIONE DELL’ARIA


• 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


• 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)


• 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

• 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

PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERASTRATI A PROFILO TERMICO UNIFORME E COSTANTE


• 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


• 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


STRATOSFERA: LO STRATO DI OZONO

PROCESSO DI DISTRUZIONE DELL’OZONO

UN PROCESSO CONTINUO


• 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


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’ATMOSFERATERMOSFERA 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’ATMOSFERAESOSFERA

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.

0

200

400

600

800

1000

Km 0 5,5 10 20 40

Hpa/mb 1000 500 250 50 2,7

P. riduz.% 100% 50% 25% 5% 0,27%

1 2 3 4 5

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.

l.m.m

15 °C0-55-85

1420

50

60

7580

120

km T=1400°C

(600km)

Tropopausa

Stratopausa

Mesopausa

TROPOSFERA

STRATOSFERA

MESOSFERA

TERMOSFERA

4.Struttura termica verticale dell’atmosfera

(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)

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.

La radiazione solare

LE CAUSE DEL TEMPOIn definitiva la causa principale è:

• Diversa distribuzione

dell’energia solare in

seno al sistema

terra-atmosfera.

• 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°).

Dovuta a:

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

• 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)


• caso ipotetico– Terra in lenta rotazione

• ancora unica circolazione convettiva

• deviazione di Coriolis

– Emisfero Nord: flusso in superficie nord-orientale

flusso in quota sud-occidentale

– Emisfero Sud: 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


• 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


• 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


• 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

Distribuzione circumpolare

delle fasce bariche dinamiche


• 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


Distribuzione dei centri barici

dinamici di alta e bassa pressione


• 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)

CIRCOLAZIONE INTERTROPICALE

contributo al fine ultimo della circolazione generale:

ridistribuzione del calore solare

riduzione del divario termico tra equatore e polo

• 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


EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL

SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME:

AVVIO DI CIRCOLAZIONE TERMICA IN QUOTA


EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL

SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME:

CIRCOLAZIONE TERMICA COMPLETA


• 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


ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A MESOSCALA:

BREZZE DI MARE E BREZZE DI VALLE


ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A SCALA SINOTTICA:

I MONSONI


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