METEOROLOGIA GENERALE La stabilità DellAtmosfera A cura del Prof. G. Colella a.s. 2004/2005.

METEOROLOGIA METEOROLOGIA GENERALEGENERALE

La stabilità La stabilità Dell’AtmosferaDell’Atmosfera

La stabilità La stabilità Dell’AtmosferaDell’Atmosfera

A cura del Prof. G. ColellaA cura del Prof. G. Colellaa.s. 2004/2005

ObiettivoObiettivo

Saper valutare i fattori che determinano i movimenti

verticali dell’aria. Capacità di individuare le condizioni meteorologiche prevalenti.

ARGOMENTIARGOMENTI ARGOMENTIARGOMENTI

•Variazione di temperatura con la quota

•Condizioni di equilibrio per aria secca, o umida ma non satura

•Condizioni di equilibrio per aria satura

•Sintesi e casi particolari

ΥΥ Variazione della Variazione della TEMPERATURATEMPERATURA con la quota Dell’con la quota Dell’atmosferaatmosfera

T1

T0 T

Z

T0

T2

T3

T1T2T3

Z0

Z3

Z2

Z1

ΥΥ = -T2 T1

Z2 Z1

Curva

Di stato

Υ: Gradiente Termico Verticale

Υ = - dt/dz (°C/100 m)

Variazione di temperatura per unità di distanza verticale dell’atmosfera.

Υ = 0 T = costanteΥ < 0 T aumenta con la quota

(inversione termica)Υ > 0 T diminuisce con la quota

ΥΥ** Variazione della Variazione della TEMPERATURATEMPERATURA con la quota di una con la quota di una particellaparticella

SECCASECCA

T0

T1

T2

T3

Z

TZ0

T0T1T2T3

Z1

Z2

Z3

Adiabatica

secca

ΥΥ**

Υ*: Gradiente adiabatico secco

Υ*= - dT/dZ = 1°C/100mVariazione di temperatura,

per unità di distanza verticale di una particella

d’aria secca

ΥΥss** Variazione della Variazione della TEMPERATURATEMPERATURA

con la quota di una con la quota di una particellaparticella SATURASATURA

T0

T1

T2

T3

Z

TZ0

T0T1T2T3

Z1

Z2

Z3

Adiabatica

satura

ΥΥss**

Υs*: Gradiente adiabatico

saturo

Υs*=-dT/dZ = 0,2 – 0,9 °C/100m

Variazione di temperatura, per unità di distanza

verticale, di una particella d’aria satura

UR

=100%

UR <100%

ΥΥ**

ΥΥss**

Moto di una particella d’aria Moto di una particella d’aria immersa in una colonna d’ariaimmersa in una colonna d’aria

TA

S

Tp

P

TA = temperatura dell’atmosfera

Tp = temperatura della particella

S = Spinta di Archimede

P = Peso della particella

Z


TA

S

Tp

P

La particella è in EQUILIBRIO se:

∑ F = S – P = 0

S = mA g = ρAVA g P = mP g = ρPVP g VA = VP

F = ρAVA g - ρPVP g =

= ρPVP g (ρA/ ρP ) – 1 =

F = mPaP

aP = g (ρA/ ρP) – 1 Accelerazione

Particella

ρA ρP


TA

S

Tp

P

La particella è in EQUILIBRIO se:

F = S P = 0

F>0 moto ascendente

F<0 moto discendente

F = mPaP aP = (ρA/ ρP – 1)

aP =0 ρA = ρP Particella in equilibrio

aP >0 ρA > ρP Particella sale

aP <0 ρA< ρP Particella scende

ρA ρP


TA

S

Tp

P

PV = RT

( ρA/ ρP ) = ( TP / TA )

ρA = ρP TP = TA Particella in

equilibrio

ρA > ρP TA < TP Particella sale

ρA< ρP TA > TP Particella

scende

ρPρA


TA

S

Tp

P

RIASSUMENDO

La particella è in equilibrio se la sua temperatura è uguale a quella dell’atmosfera

La particella è in movimento se la sua temperatura è diversa da quella dell’atmosfera

Stabilità dell’atmosferaStabilità dell’atmosfera

Stabilità per aria secca

Bisogna confrontare

ΥΥ Υ* Cioè:

La variazione di temperatura

dell’atmosfera con quella della

particella secca

Stabilità per aria satura

Bisogna confrontare

ΥΥ Υs*

CioèLa variazione di

temperatura dell’atmosfera con

quella della particella satura

UR

=100%

UR <100%

ΥΥ**

ΥΥss**

Stabilità per aria seccaStabilità per aria secca

Y<Y*Y<Y* : : Atmosfera SubadiabaticaAtmosfera Subadiabatica

Y=Y* : Y=Y* : Atmosfera AdiabaticaAtmosfera Adiabatica

Y>Y* : Y>Y* : Atmosfera Atmosfera Superadiabatica Superadiabatica

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP

Y<Y*Y<Y* Stabilità per aria secca Stabilità per aria secca

Caso termico: TTP P > > TTAA

Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dell’atmosfera (e quindi densità minore)

La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede.

A. Subadiabatica

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP

Y<Y* Y<Y* Stabilità per aria seccaStabilità per aria secca

Caso termico: TTPP > > TTAA

La salita prosegue

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP


Caso termico: TTPP >> TTAA

La salita prosegue

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP


Caso termico: TTPP > > TTA A

E si arresta alla quota Z alla

quale TTA A = = TTPP (densità uguali)

Z = Livello di equilibrio

Se allontaniamo la particella dalla quota Z

essa vi ritorna.

Z Livello di equilibrio

ZZ

TT

YYY*Y*

TTPP TTAA


Caso Dinamico: TTP P < < TTAA

Al punto di partenza la particella ha temperatura minore dell’atmosfera (densità maggiore) e quindi tende a rimanere nella sua posizione.

ZZ

TT

YYY*Y*

TTPP TTAA



La particella, spinta da una forza, sale dinamicamente . …

ZZ

TT

YYY*Y*

TTPP TTAA



…. fino a raggiungere una quota Z alla quale finisce la spinta dinamica.

Z

ZZ

TT

YYY*Y*

TTPP TTAA



Finita la causa che ha determinato la salita, la particella, torna nella posizione iniziale.Z

ZZ

TT

YYY*Y*

TTPP TTAA


Caso: TTP P = = TTAA

La particella ha stessa temperatura, e quindi

stessa densità, dell’atmosfera e di

conseguenza tende a rimanere nella posizione

iniziale.

=


Caso termico: TTP P > >

TTAA

Z

TTTPPTTAA

La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.



TTAA

Caso Dinamico: TTP P < <

TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP




TTAA

Caso Dinamico: TTPP < <

TTAA

Caso: TTPP = = TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP TTTAATTPP =


Z

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAA TTPP

Y>Y*Y>Y* Instabilità per aria Instabilità per aria seccasecca




La particella accelera

A. Superadiabatica

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP


Caso dinamico: TTP P < < TTAA

Al punto di partenza la particella ha temperatura minore dell’atmosfera

Livello di Equilibrio

ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP



Se viene spinta dinamicamente fino al

livello di equilibrio potrà proseguire termicamente

(per spinta di Archimede).


ZZ

TT

Y*Y*YY

TTAATTPP



La particella

Se viene portata sopra del livello di

equilibrio continuerà a salire;

Se viene portata sotto del livello di quilibrio continuerà a

scendere.


ZZ

TT

Y*Y*

YY

TTAA TTPP


Caso: TTP P = = TTAA

La particella sale termicamente accelerando.

==



TTAA

Z

TTTPPTTAA

La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando



TTAA


TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP




TTAA


TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP


Caso: TTPP = = TTAA

Z

TTPP TTAA=

ZZ

TT

Y*Y*

YY

TTAA TTPP

Y=Y*Y=Y* Equilibrio Indifferente Equilibrio Indifferente

Caso: TTP P > > TTAA

La particella sale termicamente a

velocità costante, mantenendo la differenza di

temperatura iniziale con l’atmosfera.

A. Adiabatica


TTAA


TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP

La particella si muove con velocità costante TTP P > > TTA A e TTPP < < TTA A

Oppure ha sempre una posizione di equilibrio TTPP = = TTAA

Caso: TTPP = = TTAA

Z

TTPP TTAA=

Y=Y*Y=Y* Equilibrio Indifferente Equilibrio Indifferente

ZZ

TT

YY

YYss**

TTAA TTPP

Y<Y*Y<Y*SS Stabilità per aria saturaStabilità per aria satura




ZZ

TT

YY

YYss**

TTAA TTPP

Stabilità per aria saturaStabilità per aria satura


La salita prosegue

ZZ

TT

YY

YYss**

TTAA TTPP

Stabilità per aria saturaStabilità per aria satura


E si arresta alla quota Z alla

quale TTA A = = TTPP (densità uguali)

Z = Livello di equilibrio

Se allontaniamo la particella dalla quota

Z essa vi ritorna.

Livello di equilibrio

ZZ

TT

YYY*Y*SS

TTPP TTAA



Al punto di partenza la particella ha

temperatura minore dell’atmosfera (e

quindi densità maggiore)

ZZ

TT

YYY*Y*SS

TTPP TTAA



La particella, spinta da una forza, sale dinamicamente . …

ZZ

TT

YYY*Y*SS

TTPP TTAA



…. fino a raggiungere una quota Z.

Z

ZZ

TT

YYY*Y*SS

TTPP TTAA



Finita la causa che ha determinato la salita, la particella, torna nella posizione iniziale.



TTAA

Z

TTTPPTTAA




TTAA

Caso Dinamico: TTP P < <

TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP




TTAA


TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP



Caso: TTPP = = TTAA

Z

T TTTPP TTAA=

Y>Y*Y>Y*S S Instabilità per aria Instabilità per aria saturasatura


TTAA

Z

TTTPPTTAA




TTAA


TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP


T



TTAA


TTAA

Z

TTTPPTTAA

Z

TTAATTPP


Caso: TTPP = = TTAA

Z

T TTTPP TTAA=

Stabilità

Instabilità

Che cosa Che cosa succede, dal succede, dal

punto di vista punto di vista della della

temperatura, ad temperatura, ad una particella una particella

che sale che sale nell’atmosferanell’atmosfera??

UR

=100%

L. C.L C Livello di

Condensazione

La particella sale, si raffredda e diventa satura;

UR

=100%

L. C.

L C Livello di

Condensazione

La particella prosegue come aria satura e forma la nube.

Livelli di condensazioneLivelli di condensazione

• L. C. Livello di CondensazioneL. C. Livello di Condensazione

• L. C. F.L. C. F. LLivello di ivello di CCondensazioneondensazione FForzatoorzato

• L. C. T. LL. C. T. Livello di ivello di CCondensazioneondensazione TTermoconvettivoermoconvettivo


• L. C. Livello di CondensazioneL. C. Livello di Condensazione

Livello (quota) al quale la particella Livello (quota) al quale la particella diventa satura a causa di un diventa satura a causa di un raffreddamento adiabatico.raffreddamento adiabatico.


L. C. F.L. C. F. LLivello di ivello di CCondensazioneondensazione FForzatoorzato

Livello al quale la particella diventa Livello al quale la particella diventa satura, avendo subito un satura, avendo subito un raffreddamento adiabatico, a causa raffreddamento adiabatico, a causa di una di una salita dinamicasalita dinamica..


L. C. T. LL. C. T. Livello di ivello di CCondensazioneondensazione TTermoconvettivoermoconvettivo

Livello (quota) al quale la particella Livello (quota) al quale la particella diventa satura, avendo subito un diventa satura, avendo subito un raffreddamento adiabatico, a causa di raffreddamento adiabatico, a causa di una una salita termicasalita termica..

Livelli di CondensazionreLivelli di Condensazionre

T

Z

TPTd

Z

L. C. T.

L. C. F.

L.L.C.

T

Livello di Libera ConvezioneLivello di Libera Convezione

L. L. C. L. L. C. Livello di Libera Convezione::

Livello fino al quale la particella sale per una spinta

dinamica e oltre il quale la particella salirà per una

spinta termica.

Instabilità Assoluta

Y>Y*>Y*Y>Y*>Y*SS

ZZ

TT

Y*sY*s

YY

Y*Y*

TTPP == TTAA

CbCb

L. C. T.L. C. T. BaseBase

SommitàSommità


Y>Y*>Y*Y>Y*>Y*SS

L’atmosfera è L’atmosfera è instabileinstabile sia per sia per l’aria secca l’aria secca Y>Y*Y>Y*

che per l’aria che per l’aria satura satura Y>Y*SY>Y*S..

ZZ

TT

Y*sY*s

YY

Y*Y*

TTPP == TTAA

CbCb

L. C. T.L. C. T. BaseBase

SommitàSommità


Y>Y*>Y*Y>Y*>Y*SS

Condizioni meteo generali:

Presenza moti convettivi

Formazione nubi cumuliformi

Presenza di turbolenza

Precipitazioni a carattere di rovescio

Buona visibilità.

CONCLUSIONI

ARIA INSTABILE NON esiste un punto di equilibrio stabile Se la particella è allontanata dal p.e. interverranno forze

che tenderanno ad allontanarla sempre di più dal p.e. SI moti termoconvettivi Nubi CUMULIFORMI Turbolenza Buona visibilità

Temporali

Stabilità Assoluta

Foto G. Colella

Y<Y*Y<Y*SS<Y*<Y*

ZZ

TT

Y*sY*s

Y*Y*

YY

L.C.FL.C.F

TTP P == T TAA

Stabilità Assoluta

Y<Y*Y<Y*SS<Y*<Y*

L’atmosfera è L’atmosfera è stabilestabile sia per sia per l’aria secca l’aria secca

Y <Y*Y <Y*

che per l’aria che per l’aria satura satura Y<Y*SY<Y*S..

ZZ

TT

Y*sY*s

Y*Y*

YY

L.C.FL.C.F

TTP P == T TAA

Stabilità Assoluta

Y<Y*Y<Y*SS<Y*<Y*

Condizioni meteo generali:

Assenza moti convettivi

Formazione nubi stratiformi

Assenza di turbolenza

Precipitazioni a carattere uniforme

Scarsa visibilità.

TTdd

CONCLUSIONI

ARIA STABILE Esiste sempre un punto di equilibrio stabile Se la particella è allontanata dal p.e. interverranno forze

che tenderanno a riportarla al p.e. NO moti termoconvettivi Possibilità moto verticale forzato Nubi STRATIFORMI Scarsa visibilità (Nebbia - foschia) NO Turbolenza (eventualmente di tipo dinamica)

Stabilità Condizionata

Y*Y*SS<Y<Y*<Y<Y*

YYY*Y*SS

Y*Y*

ZZ

L.L.CL.L.C

TTPP == TTAA


TT

L’atmosfera è: Stabile per l’aria secca Y<Y*Y<Y*

Instabile per aria satura Y>Y> Y*Y*SS

Y*Y*SS<Y<Y*<Y<Y*

YYY*Y*SS

Y*Y*

ZZ

L.L.CL.L.C

TTPP == TTAA


TT

La particella non può salire e quindi non si possono sviluppare moti convettivi.

Se interviene una causa dinamica che sposta la particella fino al LLCLLC allora i moti convettivi si svilupperanno con formazione di nubi cumuliformi.

++++

++++

++++

++++++

__-

-

---

--

-

YYY*Y*SS

Y*Y*

ZZ

L.L.CL.L.C

TTPP == TTAA


TT

L’area compresa tra la curva di stato e le adiabatiche, (evidenziata dai segni-) rappresenta l’energia che bisogna fornire alla particella per farla salire fino al L.L.C.

L’area compresa tra la curva di stato e le adiabatiche, (evidenziata dai segni +) rappresenta l’energia che la particella ha a disposizione per salire termicamente

++++

++++

++++

++++++

__-

-

---

--

-

TTdd

Pratica di Mare

20 05 05

Radiosondaggio

TTdCurva di stato

Stuttgart

200505

Radiosondaggio

CASI PARTICOLARI

YY Y*Y*SS

Y*Y*

ZZ

L.L.CL.L.C

TTPP == TTAA


TT

++++

++++

++++

++++++

__-

-

---

--

-

TTdd

L.C

catena montuosacatena montuosa

Temporale Temporale OrograficoOrograficoLa catena montuosa fa sollevare dinamicamente la particella fino al LLC dal quale proseguirà termicamente sviluppando un CumulonemboCumulonemboCBCB

Effetto STAU e FOEHNEffetto STAU e FOEHN


Condizioni per lo sviluppo:Condizioni per lo sviluppo:

Atmosfera stabile (stabilità assoluta)

Catena montuosa

Aria che si muove ortogonalmente alla catena montuosa e la scavalca.



Ti

LC

La particella sale e raggiunge LC (Base Nube)



Ti

Si formano nubi che danno luogo a precipitazioni (EffettoEffetto STAUSTAU)

LC

Top salita



Ti

Scavalcato il rilievo la particella scende e le nubi si dissolvono (a quota maggiore di quella di formazione perché USE è diminuita)

LC

Livello di dissolvimento nube



Ti Tf

La discesa continua come aria secca e al suolo la particella avrà assunta una

Tf > Ti



Ti Tf


Causato dalle ALPICausato dalle ALPI

STAU e FOEHN

Aria fredda e umida proveniente dall’ Atlanticoscavalca le alpi.

Effetto stau:sopravvento aria umida in ascesa si raffredda, si formano nubi che perdono umidità sotto forma di precipitazioni.

Effetto foehn:sottovento aria secca in discesa si scalda di 1°C/100m e scende verso la Pianura Padana (vento di foehn)

Vento di foehn: vento di caduta caldo e secco (UR 18-20%)

Temperatura Temperatura POTENZIALE POTENZIALE θθ

E’ la temperatura che E’ la temperatura che assumerebbe una massa d’assumerebbe una massa d’ariaaria seccasecca, avente alla pressione , avente alla pressione pp

la temperatura la temperatura TT, se fosse , se fosse portata attraverso un portata attraverso un processo processo

adiabatico seccoadiabatico secco al livello di al livello di riferimentoriferimento 1000 hPa1000 hPa..

Temperatura POTENZIALE

θ = T2 = T1 1000

p1

K

T1 = temperatura della particella alla

quota di pressione p1


θ = T2 = T1 1000

p1

K

T

p

p1

T1

Adiabatica secca


θ = T2 = T1 1000

p1

K

T

p

p1

T1

Adiabatica secca

T2


Aumenta con la quota:

Atmosfera

Stabile(subadiabatica)


Diminuisce con la quota:

Atmosfera

Instabile(adiabatica)


Stabile

Indifferente

Instabile

1

2

3

Sintesi

Equilibrio Stabile

• Y<Y*• d θ

• Y<Y*S<Y*

La particella tende a ritornare nella posizione di equilibrio I moti convettivi sono assenti o cessano La particella ha sempre un punto di equilibrio

d z> 0

Equilibrio InStabile

• Y>Y*• d θ

• Y>Y*>Y*S

La particella tende ad allontanarsi sempre di più dalla sua posizione di equilibrio Moti convettivi presenti La particella non ha un punto di equilibrio stabile

d z< 0

1) Scrivere condizioni sui gradienti

2) Fare rappresentazione grafica

3) Verificare che 1) e 2) concordano

4) Illustrare le condizioni di stabilità

5) Specificare le condizioni meteorologiche generali caratteristiche della situazione in esame.

Guida per la discussione

G. Colella V Edizione, Meteorologia Aeronautica

IBN Editore, 2009, Cap 7.

BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

METEOROLOGIA GENERALE La stabilità DellAtmosfera A cura del Prof. G. Colella a.s. 2004/2005.

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