METEOROLOGIA e TERMODINAMICAMETEOROLOGIA e TERMODINAMICAdidattica della fisica – SSIS 2008/9didattica della fisica – SSIS 2008/9

Al servizio di una fisica “socialmente utile”

meteorologia: bastano i proverbi o c’è di meglio?

statistica: la scienza delle previsioni ci azzecca di più di maghi ed indovini?

Meteorologia in breveMeteorologia in breve

• considerazioni preliminari: approcci deterministici e stocastici

• motivazioni di fondo: aspetti climatologici, ecologici, protezione civile, aereonautici, marittimi …

• meteo casalinga e professionale• grandezze fisiche di interesse• strumentazione, osservazioni, elaborazioni• modellizzazione di base• meteorologia ed internet

Rilevazione Rilevazione sinotticasinottica dei dati dei dati meteorologicimeteorologici

• nuvole: tipologia, copertura• vento al suolo: velocità e direzione• pressione e tendenza• temperatura: attuale, min/max• punto di rugiada ed umidità• visibilità orizzontale• precipitazioni: qualità, quantità• stato del suolo e del mare, fenomeni speciali

Strumentazione di baseStrumentazione di base

• anemometro vento

• termometro temperatura

• barometro pressione

• psicrometro umidità

• pluviometro precipitazioni

• radiometro irraggiamento

• eliografo esposizione

Postazione meteorologica: Postazione meteorologica: capanninacapannina

• gli standard di acquisizione di dati meteorologici

• posizionamento• errori da minimizzare:

esposizione solare diretta e mancata ventilazione (errore di capannina)

Atmosfera terrestreAtmosfera terrestre

• troposfera• composizione• modello base:

collegamenti alla teoria cinetica dei gas

• grandezze in gioco: importanza dei valori numerici

Misure di pressioneMisure di pressione

• pressione esercitata da un gas: peso o urti?

• esperienze per la caratterizzazione fisica della pressione

• barometria: gravitazionale ed aneroide

• unità di misura (Pascal, Torr, bar)

• riduzione della misura (QNH, QFE, QNE)

• tendenze barometriche

Variazione di pressione e Variazione di pressione e temperatura con la quotatemperatura con la quota

• povera conduzione di calore

• adiabaticità

• densità decrescente con la quota

• utilizzo della legge dei gas ideali

• utilizzo di calcolo differenziale/integrale

• verifica sperimentale

• una simulazione

Misure di temperaturaMisure di temperatura

• concetto di temperatura equilibrio termico• termometria di base: termometro ideale a gas,

elementi termosensibili• termometri a mercurio/alcool• scale e tarature• campi di temperatura• variazioni/escursioni• temperature estreme e medie• gradienti verticali

Richiami di termodinamica classicaRichiami di termodinamica classica

• legge di Stevino, dP=gdz;• legge di stato per i gas ideali, =M/V=MP/nRT=mP/RT;• dipendenza della pressione dalla quota, dP/P= (mg/RT)dz;

• ipotesi isoterma, T=cost=25°C

P(z)=P0exp(Az), A= mg/R=3103 K/m.• Ipotesi adiabiatica: variazione della temperatura

con la quota: P1T=cost,

• T(z)=T0Bz, B=(1)mg/( R)=6.1103 Km1 (gradiente verticale di circa 6°C per km di altezza).

• Variazione integrata di pressione/temperatura:

dz

zdz

RT

mg

T

dT

P

dP

1

1

00 1)(

z

T

BPzP

Umidità atmosfericaUmidità atmosferica

• quantità di vapore d’acqua nell’aria• e’ il gas (4% di volume in media, Pg=40 hPa)

fondamentale per i fenomeni di evaporazione e condensazione.

• equazione di Clausius-Clapeyron

S

L Gcond/evap

fus/solid subl

0.3 MJ/kg 2.8 MJ/kg

2.5 MJ/kg

)( ji

ijij

vvT

q

dT

dP

T

P

S

L

VPT

PC

pressione - tensione di vapore acqueo (pressione - tensione di vapore acqueo (ee))

• collegamento con il modello microscopico, forze intermolecolari di natura dipolare.

• dipendenza di e* dall’interfaccia: curvatura, purezza, dimensioni, stato-fase dell’acqua.

• gradienti di pressione causati dalla differenza e*ghiaccio<e*acqua.

• Processo di condensazione a T assegnata a partire da Pcond(T)=e*.

• Variazione di e* con T:e*(20°C)=1.3 hPa; e*(0°C)=6.1 hPa; e*(+20°C)=23.4 hPa.T

P

e*

Umidità assoluta e Umidità assoluta e relativarelativa

• misura della quantità di vapore d’acqua in aria e valore riferito alla quantità massima alla stessa temperatura (saturazione):

f = 100 e/e* (%).• valore relativo dell’informazione “alta/bassa umidità”:

f=100% a =0°C vuole dire che e=e*(0°C)=6 hPa (frazione di vapore 0.6%), f=20% a 40°C vuole dire che e=0.2e*(40°C)=20 hPa (frazione di vapore 2%). L’aria con f=100% contiene meno vapore di quella con f=20%.

• valori “confortevoli” a 20°C da 40% a 70%.• dipendenza dalla temperatura: 90% a 0°C (umidità relativa esterna) implica a

20°C che fint=e/e*(20°C)= fexte*(0°C)/e*(20°C)=90(6.1/23.4)=23%

• temperatura di rugiada (dew point): avviene la condensazione a partire da condizioni di non saturazione a TR,

f = 100–5(T–TR)• sensazione di afa per TR>16°C, inibizione dei processi di

evaporazione corporea. Dipende sia dall’umidità che dalla temperatura. Per f=100% Tafa=16°C. Per T=40°C fafa=20%.

Misura di umidità e punto di rugiadaMisura di umidità e punto di rugiada

• Igrometro a capellirisposta non lineare (allungamento 2.5% per variazione di f da 0 a 100%)

• Psicrometrodifferenza di temperature di aria “secca” e “umida”: f 100k(T TB)

• rilevamento ottico della condensazione del vapore d’acqua

RadiazioneRadiazione

• emissione continua di radiazione e/m dal sole. massimo spettrale nel visibile;

• significativi scambi energetici nell’infrarosso dovuti alla terra ed alle nubi;

• scambi di calore con l’atmosfera dovuti a– radiazione– calore “sensibile” (conduzione+convezione)– calore latente (evaporazione+convezione)

• la radiazione emessa dalla terra è in gran parte assorbita dalle nubi (effetto serra);

• riscaldamento dell’atmosfera tramite i flussi termici terrestri.

VentiVenti

• elemento “attivo”, dinamico dell’aria• grandezza vettoriale• venti orizzontali (movimento di

masse d’aria, trasporto di sostanze, scambi convettivi orizzontali) dovuti a gradienti barici

• venti verticali (evoluzione delle nubi, precipitazioni) dovuti a gradienti termici

• forze di Coriolis agenti su masse in moto

• anemometria• effetti sul corpo umano (wind chill)

forza barica

forza di Coriolis

B

Agrado intensità vel (km/h)

1 debole 0-18

2 moderata 18-36

3 forte 36-60

4 molto forte 60-90

5 fortissima >90

Con vento debole, a 0°C la sensazione è di “fresco”, con vento molto forte la pelle esposta gela.

NuvoleNuvole• formazione per condensazione di vapore d’acqua: le

nuvole non sono vapore d’acqua – sono acqua o ghiaccio;

• necessità di nuclei di condensazione (pulviscolo atmosferico o sostanze in soluzione, minore pressione di vapore saturo e ricettori dell’energia di condensazione);

• dimensioni delle gocce in nube: da 1 a 50 m;

• Meccanismi della genesi:– riscaldamento locale e convezione verticale

– ascesa forzata da scontri di masse d’aria a diverse temperature (fronti)

– ascesa forzata da irregolarità orografiche

– raffreddamento locale per conduzione con il suolo freddo (nebbia)

Tipi di nuvoleTipi di nuvole

• classificazione in base alla forma:– nubi isolate

– strati interrotti

– strati ininterrotti

• classificazione in base alla quota:– strato basso (fino a 2-3 km, acqua)

– strato intermedio (fino a 5-7 km, acqua e ghiaccio)

– strato alto (oltre i 7 km, ghiaccio)

Piano superiorePiano superiore

Cirrocumuli – oltre i 7 km – segno di instabilità e peggioramento delle condizioni meteorologiche

Cirri e cirrostrati – segno di una perturbazione distante

Piano intermedioPiano intermedio

Altocomuli associati ad una depressione in avvicinamento

Altostrati associati ad una debole perturbazione ma con pressione elevata

Piano Piano bassobasso

Stratocumulo (sottile)

Nubi isolateNubi isolate

Cumulo “umile”

o del bel tempo.

Cumulonembo

temporalesco

Lenticolare da ondulazione

orografica

PrecipitazioniPrecipitazioni• crescita di gocce o cristalli in nube e caduta per gravità

• tipi di precipitazione– pioggia (sottile, massiva, ghiacciata)

– neve (“asciutta”, bagnata)

– grandine

– fenomeni elettrici (temporali)

• formazione attraverso la fase ghiaccio: stato saturo rispetto l’acqua pura liquida ma sovrassatura rispetto il ghiaccio.

dinamica atmosferica: cicloni, anticicloni e frontidinamica atmosferica: cicloni, anticicloni e fronti

masse d’aria su scala continentale originate da vaste aree con condizioni stazionarie ed uniformi, modificazioni dovute a vari influssi locali nel loro moto.

Importanza dei venti in quota: dalle correnti a getto alla frammentazione in celle di instabilità

Ciclogenesi e Ciclogenesi e frontogenesifrontogenesi

• chiusura delle ondulazioni atmosferiche in celle depressionarie;

• scontro di masse d’aria di differente temperatura;

• nascita dei fronti e distinzione fra aree cicloniche ed anticicloniche

• valori della pressione relativi: P<1005 hPa è area B, P>1025 hPa è area A.

Dinamica dei fronti Dinamica dei fronti atmosfericiatmosferici

mescolamento verticale di masse d’aria con differenti temperature

Effetto della forza di Coriolis nel processo di mescolamento: creazione del fronte come superficie di passaggio fra le zone calde e fredde

Moto dei fronti vincolati al ciclone, rotazione antioraria.

Lettura di carte meteorologicheLettura di carte meteorologiche

Situazioni tipiche associate a fronti e Situazioni tipiche associate a fronti e ciclonicicloni

• il fronte freddo è seguito da aria fredda, quello caldo da aria calda in quota

• il fronte freddo è molto più rapido di quello caldo• il fronte occluso segna lo spegnimento del ciclone• le nubi prevalgono lungo i fronti ed al centro del ciclone (forti correnti

ascendenti)• a seguito del fronte freddo in estate si hanno annuvolamenti variabili o

intensi (temporali)• i fronti caldi invernali sono relativamente attivi (contrasto di

temperature)• in un anticiclone vi è calma relativa di vento ed è accompagnato da

inversione termica• sulla zona alpina vi è usualmente attenuazione dei fenomeni per effetto

della barriera orografica• le perturbazioni rilevanti provengono da ovest• sono rilevanti i fenomeni di sbarramento (Stau e Favonio - Foehn)

Risorse Internet (I)Risorse Internet (I)

weather.noaa.gov/weather/metar.shtmlweather.noaa.gov/weather/metar.shtml

Stato meteo attuale (METAR) e previsioni (TAF) con Stato meteo attuale (METAR) e previsioni (TAF) con cadenza di 20’ (codificato ed in chiaro)cadenza di 20’ (codificato ed in chiaro)

Risorse Internet (II)Risorse Internet (II)

Istituto S.Michele all’AdigeIstituto S.Michele all’Adige

database storici

Risorse Internet (III)Risorse Internet (III)

MeteotrentinoMeteotrentinoBollettino per la Protezione Civile

Risorse Internet (IV)Risorse Internet (IV)

RADAR METEO

Monte Macaion

Risorse Internet (V)Risorse Internet (V)

EUMETSAT (meteosat)

http://www.eumetsat.int/

Bibliografia essenzialeBibliografia essenziale

• Il tempo in montagna (G. Kappenberger e J. Kerkmann) – Zanichelli

• Corso di fisica generale – Termodinamica e Fisica Molecolare (D. V. Sivuchin) – EDEST

• Physical Principles of Micro-Meteorological Measurements (P. Schwerdtfeger) – Elsevier

• Meteorologia e Strumenti (A. Cicala) – Libreria Universitaria - Torino