Appunti di Fisica atmosfera

APPUNTI DEL CORSO

FISICA DELL'ATMOSFERA

ANNO 2017/2018

DOCENTE PROF MARCO CACCIANI

LINGUA: ITALIANO

(01/03/18)

La fisica dell'atmosfera fa parte delle GEOSCIENZE:

• Atmosfera - Fisica dell'atmosfera (Meteorologia e Clima)
• Chimica dell'atmosfera (Composizione dell'atmosfera, inquinamento)
• Terra Solida - Crosta interna della terra
  • Terremoti (Sismologia)
  • Vulcanologia
• Idrosfera - acque in superficie (Oceanografia)
• Criosfera - ghiaccio e neve in superficie (Glaciologia)
• Biosfera - Piante e animali

La meteorologia si occupa del tempo (meteorologico), essa studia le condizioni, e gli effetti istantanei o comunque riguardanti un breve arco temporale; la climatologia prende in considerazione le medie di una zona del pianeta e ogni informazione superficiale (atmosfera, precipitazioni, etc.). Il Meteo usa equazioni della fisica algoritmi che permettono di avere le condizioni finali in un dato momento: NUMERICAL WEATHER PREDICTION (NWP). Si nota che la predizione è numerica e non analitica, sostanzialmente si risolvono eq. diff. irrisolvibili analiticamente. Il clima non dipende solo dalle condizioni attuali ma anche da come il sistema terrestre si evolverà tra 100-1000 yrs, quello che possiamo fare sono delle PREDIZIONI ad esempio suppongo che la CO₂ resti costante nei prossimi 100 anni o fare previsioni in base a ciò.

Vogliamo stabilire un sistema di coordinate che ruoti insieme alla Terra: SISTEMA DI COORDINATE SFERICHE GEOCENTRICHE. Tale sistema ha due problemi:

1. Non è cartesiano, dobbiamo tener conto delle curvature

ATMOSFERA

Inquadriamo innanzitutto la Terra nel sistema solare:

• t_riv = 3.15 x 10⁷ s (Rivoluzione intorno al sole)
• t_rot = 86400 s (Rotazione intorno al proprio asse)

La Terra ruota intorno al Sole su un piano chiamato ECLITTICA

Il Sole è la fonte primaria di energia per la Terra; energia interna o proveniente da altre stelle risulta trascurabile, l'energia solare dipende dalla geometria dell'orbita.

S: definisce ε l'inclinazione dell'asse terrestre e in questo momento storico si ha ε = 23° 77'. Le oscillazioni di ε sono le responsabili dei cambiamenti climatici nelle varie epoche.

Indichiamo con r d la distanza Terra-Sole, essa cambierà durante l'orbita ellittica.

Chiamiamo con A l'afelio (distanza massima dal sole) e con P il perielio (distanza minima) allora l'eccentricità dell'orbita vale

e = ^SA-SP/_SA+SP x 0.00167 S: Sole

• SA = 153 x 10⁶ km
• SP = 147 x 10⁶ km

y₀ = 150 x 10⁶ km distanza media T-S (U.A)

DECLINAZIONE SOLARE:

latitudine del punto della Terra che a mezzogiorno ha il sole allo zenit.

- S₄ all'eq. mentre è minore ai poli.Si nota che il massimo è poco spostato a sx, questo perché quando al polo Sud è estate siamo al perielio, ossia nel punto più vicino al Sole.

Non tutta l'energia solare viene assorbita, una buona parte viene riflessa nello spazio, circa il 30% in media; tale caratteristica è chiamata ALBEDO.Ci sono degli elementi sulle superfici e sull'atmosfera che tendono a riflettere la radiazione solare:- Particelle dell'atm.- Nuvole- Ghiaccio e neveĀ = 0.3 mentre il valore locale A(λ, φ, t) dipende dal tempo e dalla posizione. Se integriamo su un anno.

L'immagine è una proiezione di Hammer dove le zone scure hanno A > 0.4 (ghiacciai perenni);le zone chiare A < 0.2 (sopra gli oceani, l'acqua riflette poco) mentre le zone grigie0.2 < A > 0.4

Riassumendo: l'insolazione dipende dalla geometria dell'orbita, mentre l'albedo dalla conformazione dell'atmosfera e delle superfici.DefiniamoF_in: flusso medio assorbito per unità di superficieF + F - ĀE = (1-Ā)F = S(1-Ā) = 238 W/m²

08/03/18

CARATTERISTICHE DEL PIANETA

R_e = 6370 km = 6.37 x 10⁶ m . Sup. Aa = 5.1 x 10¹⁴ m²

Massa M_e = 5.97 x 10²⁴ kg

ATMOSFERA

M_a = 6.3 x 10¹⁸ kg

In genere si considera l'atmosfera entro i 100 km

g = 9.81 m s^-2 . P₀ = 1.013 x 10⁵ Pa = 1013 h Pa (h Pascal) = 1013 mbar = 1 atm

pressione atmosferica media sul livello del mare ( S L M ).

Le grandezze utilizzate per descrivere la composizione atmosferica sono:

M [kg] massa ; N= _M ^M numero di moli ; M peso molecolare ; N numero di molecole; concentrazione C; ( N kg^-1 conc. m^-3 in molecol. ) mixing ratio (rapporto di mescolamento) quantità di sostanza in un certo volume diviso le quantità di sostanze nello stesso volume medi;

si misura in % , in ppm (10^-6) , ppb (10^-9) , ppt (10^-12).

Dopo l'argon abbiamo i cosiddetti GAS IN TRACCIA.

Acqua e ozono hanno un mixing ratio molto variabile . I gas in elenco sono molto importanti per l'effetto serra.

Nell'atmosfera sono presenti componenti solide e liquide in sospensione: precipitazioni (liquide o solide) : sono acqua o ghiaccio: di dimensioni : 4 mm ÷ 10 cm i quali hanno un peso tale che tendono a precipitare. nubi ( acqua o ghiaccio ) le gocce che compongono le nubi hanno dimensioni di 10 μm ÷ 10 mm hanno

un peso abbastanza limitato da galleggiare, quando diventano abbastanza pesanti ; precipitazioni : aerosol di 10 nm ÷ 10 μm sono : PM (particulate matter)

Table 1.1

Fractional concentrations by volume of the major gaseous constituents of the Earth's atmosphere up to an altitude of 105 km, with respect to dry air

So-called greenhouse gases are indicated by bold-faced type. For more detailed information on minor constituents, see Table 5.1.

• 0 ÷ 12 km TROPOSFERA: è la zona in cui avvengono il 90% dei fenomeni meteorologici: _dT/_dz < 0 perchè è riscaldata dal terreno.

Tra uno strato e l'altro vi sono le PAUSE, dove il gradiente di temperatura cambia segno. A 13 km abbiamo la TROPOPAUSA, T ≈ 288 K - 6.5 . 12 ≈ 210 K.

• 12 ÷ 50 km STRATOSFERA: _dT/_dz > 0 per l'assorbimento di radiazione ultravioletta da parte dell'ozono (O₃ si trova principalmente qui)

I moti nella Stratosfera NON sono verticali.

A 50 km abbiamo la STRATOPAUSA T≈270 K

• 50 ÷ 80 km MESOSFERA: _dT/_dz < 0 vi possono dunque essere movimenti d'aria verticali.

MESOPAUSA T ≈ -180°K

• z > 80 km TERMOSFERA: _dT/_dz > 0 questo perchè:

- 1. La densità diminuisce molto

- 2. Forte assorbimento di radiazione UV = Permessa che assorbe tanta energia.

Vi sono talmente poche molecole che la temperatura non è più termodinamica.

Esistono altre nomenclature: OZONOSFERA, IONOSFERA: le molecole vengono ionizzate dall'energia solare (z > 80 km). Le ionosfera influenzano le onde radio.

MAGNETOSFERA: le particelle interagiscono con il vento solare.

DISTRIBUZIONE GEOGRAFICA TEMPERATURA

x = latitudine

y = quota e pressione