Riassunto meteorologia

Origine e composizione dell'atmosfera terrestre

Atmosfera deriva dal greco, significa "sfera di vapore". Meteorologia deriva dal greco ed è un aggettivo che significa "dall'alto". Clima significa inclinazione di una regione della sfera terrestre rispetto all'equatore.

Importanza della meteorologia nell'ingegneria ambientale

È importante la meteorologia nell'ingegneria ambientale per i seguenti motivi:

• Valutazione del trasporto di contaminanti
• Valutazione di effetti atmosferici sulle strutture
• Protezione delle colture
• Prevenzione e gestione degli incendi
• Propagazione di inquinamento acustico
• Energia eolica e solare
• Innevamento artificiale
• Cambiamenti climatici

Composizione dell'atmosfera terrestre attuale

L'atmosfera terrestre è l'involucro gassoso che circonda la Terra. L'atmosfera odierna è composta per circa i 4/5 da azoto (N₂) e per circa 1/5 da ossigeno (O₂), accanto a numerosi altri componenti minori, tra cui principalmente argon (Ar), vapore acqueo (H₂O) e diossido di carbonio, o anidride carbonica (CO₂). Circa il 99% della massa dei gas si trova nei primi 40 km di altezza, mentre a quote superiori l'atmosfera diventa sempre più rarefatta.

Atmosfera primitiva

L'atmosfera primitiva era molto probabilmente formata da gas leggeri come idrogeno, elio e gas inerti, derivati dalla nebula da cui si era formato il sistema solare. La maggior parte di questi gas, data anche la loro bassa densità e l'elevata temperatura presente sul pianeta, si disperse nello spazio. Il residuo si mescolò con i gas esalati dal pianeta in formazione attraverso le fratture prodotte dai frequenti impatti meteorici e dall'intensa attività vulcanica.

La nuova atmosfera, costituita da vapore acqueo, biossido di carbonio, ossidi di azoto, non presentava tracce di ossigeno, che comparve solo grazie all'attività fotosintetica dei primi organismi fotoautotrofi. La comparsa dell'ossigeno non soltanto rese possibili reazioni di ossidazione più efficaci, ma portò anche alla formazione di uno strato di ozono (O₃) che ridusse fortemente la dose di raggi ultravioletti che giunge sino alla superficie terrestre.

L'idrosfera

L'idrosfera è l'insieme delle acque presenti nei vari stati di aggregazione sul nostro pianeta, dal sottosuolo alla superficie sino agli strati dell'atmosfera. L'acqua sulla Terra è così distribuita:

• 97% oceani
• 2,4% ghiacciai
• 0,6% acque dolci sotterranee
• 0,02% acque dolci superficiali
• 0,001% nell'atmosfera

L'atmosfera può contenere solo una piccola parte dell'acqua che viene emessa dalle eruzioni, si hanno delle perdite sul fondo degli oceani in corrispondenza delle faglie e per foto dissociazione.

La principale fonte di ossigeno atmosferico

La principale fonte di ossigeno atmosferico è la fotosintesi insieme alla fotodissociazione. Ciclo virtuoso:

• Sviluppo di organismi che realizzano fotosintesi quindi arricchimento di ossigeno
• Sviluppo di ozono e formazione dell'ozonosfera
• Riduzione della componente UV nella radiazione al suolo
• Emersione e proliferazione delle forme vegetali quindi maggiore produzione di O₂

La maggior parte dell'ossigeno prodotto si è fissato in ossidi (ad esempio, Fe₂O₃) e composti carbonati (CaCO₃, MgCO₃) nella crosta terrestre. I foraminiferi ed altri animali, che producono carbonati, svolgono un ruolo importante nella stabilizzazione dell'ossigeno in atmosfera, la cui concentrazione si è mantenuta stabile per milioni di anni.

Distribuzione del carbonio

La maggior parte del carbonio superficiale si trova nella biosfera marina e non, in atmosfera, disciolto negli oceani, nei combustibili fossili, scisti e rocce carbonatiche. Vi sono evidenze che mostrano una tendenza all'aumento del biossido di carbonio in atmosfera.

Emissioni di azoto e zolfo

Azoto e zolfo presenti in atmosfera emessi dai vulcani.

L'ozono

Ozono è una forma allotropica dell'ossigeno. Nelle condizioni di temperatura e pressione che si riscontrano mediamente al suolo è instabile e decade in O₃ → O₂ + O. Ha una vita media relativamente più lunga in uno strato compreso fra circa 20 e 25 km di quota (ozonosfera). Il contenuto di ozono viene spesso quantificato in Unità Dobson che rappresenta l'abbondanza colonnare. L'ozono colonnare totale è lo spessore dello strato di ozono che risulterebbe se tutto l'ozono contenuto in una colonna verticale atmosferica che si estende dalla superficie terrestre fino all'apice dell'atmosfera, fosse ridotto in condizioni di temperatura e pressione standard (STP: 0°C, 1013 hPA). 100 DU di ozono corrispondono ad uno strato dello spessore di un millimetro. La quantità totale di ozono presente alle latitudini temperate è mediamente pari a circa 350 DU.

Vapore acqueo

Il vapore acqueo è la specie aeriforme che presenta la più elevata variabilità nello spazio e nel tempo. Rapporto di mescolamento w = massa vapore acqueo / massa aria secca = g/Kg.

Struttura verticale dell'atmosfera media

Per misurare alcune grandezze fondamentali dell'atmosfera fino a quote molto elevate si fanno dei sondaggi. Una radiosonda equipaggiata con diversi strumenti di misura è fissata ad un pallone gonfiato con idrogeno o elio che è lasciato salire nell'atmosfera. Il pallone e la radiosonda salgono con una velocità più o meno costante e sono sospinti dai venti che incontrano. La strumentazione GPS sulla sonda permette di seguire lo spostamento, di ricostruire la traiettoria del pallone e di stabilire quindi la velocità e la direzione del vento. Ogni secondo le misure effettuate con la sonda sono trasmesse alla stazione al suolo via radio. Questi dati permettono di determinare i profili verticali delle grandezze misurate fino alla quota alla quale il pallone scoppia. Altri strumenti sono Rocketsonde o dropsonde che invece vengono lasciati cadere. Il telerilevamento con LIDAR permette di ricavare informazioni, qualitative e quantitative, sull'ambiente e su oggetti posti a distanza da un sensore mediante misure di radiazione elettromagnetica (emessa, riflessa o trasmessa) che interagisce con le superfici fisiche di interesse. Il SODAR è uno strumento meteorologico conosciuto anche come Wind Profiler, che misura la diffusione delle onde sonore riflesse dalle turbolenze atmosferiche. Sono dunque simili ai radar tranne per il fatto che per la rilevazione utilizzano segnali acustici anziché segnali radio. Per raccogliere informazioni sulle condizioni meteo-atmosferiche attuali di vaste zone del pianeta si usano i satelliti. Il periodo di rivoluzione di un satellite geostazionario coincide con il periodo di rotazione della Terra quindi inquadra sempre lo stesso punto, un satellite con orbita polare invece passa sopra entrambi i poli quindi passa sopra il pianeta con diverse longitudini inquadrando ogni volta una regione diversa.

Radiosonda, Rocketsonde, Dropsonde, Satelliti

La pressione diminuisce costantemente con l'aumentare dell'altezza per questo per la coordinata verticale si può ragionare sia in metri che in hPa. Anche il peso molecolare verso l'alto diminuisce perché ci sono specie più leggere. Una conseguenza di questo fatto è che il libero cammino medio ossia la distanza media percorsa da una particella senza collidere con un'altra particella aumenta con l'altitudine. La temperatura invece non ha un andamento costante al crescere dell'altezza, ciò ci permette di suddividere l'atmosfera in zone in cui cambia il gradiente di temperatura.

Troposfera

È lo strato più basso dell'atmosfera terrestre quello in cui siamo immersi, dove i vari gas hanno la più alta concentrazione. Il suo spessore varia da circa 10 km sopra ai poli a 20 km in prossimità dell'equatore. La troposfera viene riscaldata dal calore proveniente dalla superficie della Terra e la sua temperatura diminuisce salendo verso l'alto (gradiente negativo). Nella troposfera avvengono i principali fenomeni meteorologici.

Stratosfera

Questo strato, che si estende fino a 50 km di altezza è stabilmente stratificato. La temperatura aumenta con il crescere dell'altezza (gradiente positivo) per la presenza di uno strato di ozono. L'ozono ha la proprietà di assorbire la radiazione ultravioletta, producendo calore e schermando le radiazioni nocive per la vita sulla Terra.

Mesosfera

In questo strato, che arriva fino agli 80 km di quota, la temperatura riprende a diminuire con l'aumentare dell'altezza. Si possono sviluppare moti verticali. Le radiazioni ionizzano le molecole.

Termosfera

La temperatura in questo strato, che si stende oltre i 500 km, cresce con l'aumentare dell'altezza. Nella termosfera è presente una zona, detta ionosfera, caratterizzata dalla presenza di particelle cariche, che si formano per la scissione degli elementi gassosi per le radiazioni del sole e in misura minore per i raggi cosmici provenienti dallo spazio.

Scale dei moti atmosferici

L'atmosfera è molto in movimento, i moti al suo interno possono essere analizzati su scale spaziali differenti. Queste scale sono: la scala planetaria, la scala sinottica, la mesoscala e la scala locale, detta anche microscala.

Scala planetaria

I moti su scala planetaria hanno dimensioni paragonabili a quelle del pianeta, dei continenti o degli oceani. La Terra si riscalda maggiormente all'equatore rispetto ai poli, perciò si innesca un meccanismo di trasferimento di masse d'aria per bilanciare il calore. Ciò non avviene con un unico circuito convettivo, ma si formano tre fasce per ogni emisfero. La prima fascia, la cella di Hadley, interessa la zona compresa tra l'equatore e i tropici. Nell'area equatoriale l'aria umida si riscalda notevolmente e risale formando una bassa pressione. In quota condensa provocando precipitazioni e poi si dirige verso i tropici. Al suolo la depressione richiama aria dalle zone limitrofe che non arriva direttamente ma è deviata a causa della forza di Coriolis, e forma gli alisei (da est verso ovest). Nella zona dell'equatore i venti dell'emisfero settentrionale provenienti da nord est e i venti dell'emisfero meridionale provenienti da sud est si scontrano. Questa zona è la zona di convergenza intertropicale, dove si ha un sollevamento significativo di aria causa principale della formazione delle nubi. La zona di convergenza intertropicale si sposta verso nord o verso sud a seconda delle stagioni.

La seconda fascia è la cella di Ferrel, che si estende tra i tropici e il circolo polare. Parte dell'aria che era scesa ai tropici, invece di dirigersi all'equatore si sposta verso il circolo polare, richiamata dalla bassa pressione presente in quella zona, piegando e formando i venti occidentali. Risalendo, condensa producendo precipitazioni; una parte poi ritorna ai tropici chiudendo il circuito, mentre l'altra si sposta verso i poli.

La terza fascia è la cella polare. L'aria secca scende al polo formando una zona di alta pressione e, sempre piegando, si dirige verso le basse pressioni sotto il circolo polare andando a formare i venti polari. L'aria fredda si scontra con quella calda e umida proveniente dai tropici senza mescolarsi lungo un piano inclinato che è il fronte polare. Risalendo è richiamata verso il polo chiudendo così il terzo circuito. Questa suddivisione in fasce non è netta, né si mantiene costante nel corso dell'anno. L'area ciclonica è una zona in cui la pressione diminuisce dall'esterno verso l'interno, perciò l'aria converge verso il centro ruotando in senso antiorario nel nostro emisfero; poiché l'aria è più calda, umida e leggera di quella circostante, tende a salire. Nell'area anticiclonica la pressione aumenta dall'esterno verso l'interno e l'aria si allontana dal centro muovendosi in senso orario verso la periferia, sostituita da aria più fredda, secca e pesante che tende a scendere.

Venti periodici: sono venti che spirano con andamento stagionale, come i monsoni della penisola indiana. Una prima spiegazione che viene data è quella di un meccanismo simile a quello delle brezze, ma su vasta scala: in inverno l'oceano è più caldo dell'India e richiama aria secca dalla penisola; d'estate invece la penisola si riscalda maggiormente richiamando masse d'aria umida con elevata piovosità dall'oceano. A questo meccanismo bisogna aggiungere il naturale spostamento stagionale degli alisei: poiché l'Oceano Indiano non si estende molto a nord dell'equatore, i monsoni sarebbero dovuti agli alisei modificati dal contrasto termico tra continente e oceano. L'inversione sarebbe provocata dallo spostamento della zona di convergenza intertropicale: in inverno si abbassa e soffiano gli alisei settentrionali, mentre in estate si alza e il monsone estivo sarebbero gli alisei meridionali deviati verso NE da una ondulazione della zona delle basse pressioni equatoriali per la particolare disposizione del continente indiano.

Scala sinottica

Su scala sinottica si studiano i moti atmosferici su lunghezze orizzontali variabili da centinaia a migliaia di chilometri. In molte regioni della bassa troposfera cicloni e anticicloni si alternano e si muovono continuamente. Alcune zone tuttavia sono caratterizzate dalla presenza di aree cicloniche o anticicloniche stabili. In particolare si distinguono: nell'Atlantico settentrionale ad est delle Azzorre un centro di alta pressione (anticiclone delle Azzorre), un centro di bassa pressione a sud dell'Islanda (depressione d'Islanda).

El Niño-Oscillazione Meridionale

El Niño-Oscillazione Meridionale (conosciuto anche con la sigla ENSO - El Niño-Southern Oscillation) è un fenomeno climatico periodico che provoca un forte riscaldamento delle acque dell'Oceano Pacifico Centro-Meridionale e Orientale (America Latina) nei mesi di dicembre e gennaio in media ogni cinque anni. Per definizione si è in presenza di El Niño quando la superficie della parte centrale dell'Oceano Pacifico manifesta un incremento della temperatura di almeno 0,5 °C per un periodo di tempo non inferiore ai 5 mesi. Se invece la temperatura è inferiore alla media stagionale di almeno 0,5 °C nello stesso periodo si è in presenza della fase opposta detta Niña. Con El Niño gli alisei si fermano e quando si scaldano le acque aumenta la convezione e quindi aumentano le precipitazioni sull'America centro-meridionale. Viceversa nella fase Niña si instaurano condizioni opposte con forti precipitazioni sull'Indonesia. La Niña è una situazione considerata "normale" ma più esagerata è dovuta infatti ad una intensificazione degli alisei.

Mesoscala

Intermedia tra la scala sinottica e la microscala, l'estensione orizzontale va da una decina di chilometri a qualche centinaio di chilometri. I venti locali interessano aree ristrette della superficie e hanno caratteristiche periodiche. Nelle vallate e lungo le coste sono comuni le brezze. Di giorno si riscaldano molto di più le cime dei monti (alta pressione) rispetto alle vallate (bassa pressione), pertanto richiamano aria da queste che risale condensando l'umidità e formando qualche nuvola: brezza di valle. Di notte, al contrario le cime si raffreddano rapidamente e l'aria più pesante, fredda e secca scende formando la brezza di monte. Analogo meccanismo si ha lungo le coste, dove di giorno si riscalda di più la terraferma e di notte è più calda l'acqua, perciò si formano rispettivamente le brezze di mare e di terra.

Vento ascendente di giorno

Vento discendente di notte

Microscala

Riguarda moti di ordini di lunghezza inferiori o uguali alla decina di chilometri.

Termodinamica dell'aria secca, del vapore acqueo e dell'aria umida

Sistema termodinamico: porzione individuabile di materia che occupa una determinata regione dello spazio e può scambiare massa ed energia con l'ambiente circostante. Sistema chiuso: non scambia massa; sistema isolato: non scambia né massa né energia; sistema adiabatico: non scambia energia termica.

Lo stato termodinamico di un sistema è individuato da alcune grandezze fisiche e chimiche (variabili termodinamiche). Il valore di tali grandezze in generale può variare da punto a punto all'interno della regione occupata dal sistema.

Un sistema si dice fisicamente omogeneo se le sue proprietà fisiche (in particolare lo stato di aggregazione della materia: solido, liquido o gassoso) non presentano variazioni spaziali. Analogamente si dice chimicamente omogeneo se la sua composizione chimica è uniforme. Altrimenti si dice eterogeneo.

Le grandezze fisiche si distinguono in grandezze estensive (per un assegnato stato termodinamico sono proporzionali alla massa del sistema: ad es. il volume V occupato dal sistema) e grandezze intensive che ne sono indipendenti. Da una grandezza estensiva Z si può ottenere la corrispondente grandezza intensiva z dividendo per la massa m del sistema: z = Z/m.

Un gas ideale, o gas perfetto, è un gas descritto dall'equazione di stato dei gas perfetti. Siccome l'aria è una miscela e la sua densità non è misurabile uso questa equazione: con questa equazione perdo generalità, Ri sarà una costante valida per ciascuna specie chimica in gioco. Se considero p la pressione totale del campione l'aria secca ammette un'equazione di stato nella forma: riordinando i termini ottengo dove.

Aria umida: aria secca e vapore acqueo miscelati in proporzioni variabili. L'aria secca è una miscela di gas (N₂, O₂, ...), per questo permette un'equazione di stato come quella che abbiamo appena visto in quanto le singole specie gassose hanno comportamento ideale. Una proprietà dell'aria secca è quella di avere una Massa Molare definita: mdM = 28,