Evaporazione da superficie liquida

• BANCA DATI E STAZIONI METEOROLOGICHE

Le grandezze meteorologiche utilizzate derivano da tre diverse stazioni, descritte in

dettaglio in seguito, nei pressi di Bilancino. Tutti i dati, da me ottenuti grazie alla

collaborazione con la Prof.essa Elena Toth, sono stati raccolti dalla studentessa Giuliana

Compagni per la redazione della sua tesi di laurea magistrale .

(1)

Si riporta la localizzazione delle diverse stazioni, insieme a una breve descrizione sulle

loro caratteristiche principali e le grandezze misurate; considerando esclusivamente

quelle scelte per essere utilizzate nel calcolo dell’evaporazione.

[1] Bilancino (Stazione Diga)

COMUNE QUOTA m s.l.m.m. LAT. [°] LON. [°]

Barberino di Mugello 260.5 43.853 11.166

GRANDEZZE MISURATE PERIODO DI OSSERVAZIONE

Temperature aria giornaliere massime e minime [C°] 1999 - 2017 anni 19

Si tratta della stazione di misura posta alla diga di Bilancino, quindi leggermente più a

monte a quota maggiore rispetto alla stazione idrometrica. Di questa stazione vengono

utilizzate le misure di temperatura, certamente le più rappresentative della condizione

sulla superficie del lago, misurate in diversi modi per gli anni del periodo scelto: tramite

centralina Sentinel posta sul tetto della casa di guardia, strumento NetSens posizionato

sul coronamento della diga o altrimenti mediate dai tecnici dalle misure di due stazioni a

monte (Cavallina) e a valle (San Pietro a Sieve) dell’invaso.

(1) ‘Analisi del piano di laminazione e simulazione del bilancio idrico dell’invaso di Bilancino (FI)’ di Giuliana

Compagni - Prova Finale A.A. 2017/18 Università di Bologna - Ingegneria per l’ambiente e il territorio 4

[2] Borgo San Lorenzo (BSL2)

COMUNE QUOTA m s.l.m.m. LAT. [°] LON. [°]

Borgo San Lorenzo 280 43.986 11.390

GRANDEZZE MISURATE PERIODO DI OSSERVAZIONE

Radiometria- Radiazione solare globale [W/m ] 2003 - 2017 anni 15

2

Per questa stazione, la più distante dalla stazione idrometrica a 8,72km, sono stati

utilizzati esclusivamente i valori di radiazione, dati difficilmente reperibili in particolare

come misura diretta; inoltre la quota e l’esposizione sono simili a quelle di Bilancino.

La stazione è dotata infatti di un piranometro in grado di misurare, con passo 15-30

minuti, la radiazione solare incidente globale [W/m ]; queste misure sono state poi

2

mediate per ottenere i valori giornalieri utilizzati.

[3] Le Croci Barberino

COMUNE QUOTA m s.l.m.m. LAT. [°] LON. [°]

Barberino di Mugello 388 44.007 11.271

GRANDEZZE MISURATE PERIODO DI OSSERVAZIONE

Igrometria - Umidità relativa [%] 2008 - 2017 anni 10

Anemometria - Velocità media del vento [m/s] 2010 - 2017 anni 8

Barometria - Pressione atmosferica [hPa] 2008 - 2017 anni 10

Per questa stazione, distante dalla stazione idrometrica 3,71km, sono state utilizzate

igrometria, anemometria e barometria, avendo scelto per le temperature le misure di

Bilancino. Pressione atmosferica [hPa] e umidità relativa [%] sono misurate come media

giornaliera mentre per l’anemometria, disponibile anche come velocità massima e

direzione media, si è considerata solo la velocità media giornaliera del vento [m/s],

misurata a 10m dal suolo.

• RACCOLTA E ANALISI DEI DATI

Gli anni disponibili per ogni campione di dati sono sufficienti in numero per ottenere dei

risultati affidabili e sono anche relativi allo stesso periodo storico; in ogni caso viene fatta

l’ipotesi di nessuna tendenza netta nel cambiamento delle grandezze climatiche utilizzate.

Si precisa che degli anni presenti nei campioni disponibili sono stati scelti solo quelli

interi, completi di tutti i valori giornalieri ed è stato rimosso il dato 29 febbraio per gli anni

bisestili. Vengono descritti, analizzati e validati tutti i dati utilizzati, suddivisi per stazione.

Bilancino (Stazione diga) [1]

- TERMOMETRIA 5

I valori di temperatura provengono da un’unica stazione, posta sulla diga di Bilancino, e

non è stata quindi effettuata nessuna correzione sulla distanza o sulla quota. Si tratta di

misure giornaliere di temperatura dell’aria [C°], massime e minime, per un periodo di

osservazione di 19 anni, dal 1999 al 2017.

Da una prima analisi dei dati si è riscontrato un errore: una temperatura massima di 116°

misurata il 20 marzo 2005. Si tratta di un valore non realistico, probabilmente di 11° o 16°,

corretto in questo caso tramite un’interpolazione lineare; utilizzando le temperature

massime del giorno precedente (10°) e successivo (18°) si ottiene valore di 14°.

Viene corretto il dato errato e si calcolano le temperature medie giornaliere dell’aria [C°]

come media tra le temperature massime e minime. In tutto il periodo di osservazione si ha

un range di temperature tra una minima di -9° e una massima di 45°.

Si riportano le temperature, massime minime e medie, mediate nell’intero periodo di

osservazione, sia a scala giornaliera che a scala mensile e infine l’andamento annuo. 6

7

Borgo San Lorenzo (BSL2) [2]

- RADIOMETRIA

Questa tipologia di dato, la più difficile da reperire, era disponibile presso la stazione di

Borgo San Lorenzo e, nonostante la distanza, viene considerata sufficientemente

rappresentativa della situazione a Bilancino. Si tratta di valori medi giornalieri di

radiazione solare incidente globale [W/m ] per un periodo di osservazione di 15 anni, dal

2

2003 al 2017. Tuttavia, notando un’ andamento anomalo per i primi 5 anni, si decide

cautelativamente di utilizzare in seguito solamente gli ultimi 10 anni, dal 2008 al 2017. 8

La radiazione solare, espressa inizialmente come potenza [W/m ], è stata convertita in

2

energia [MJ/m ] moltiplicando per il numero di secondi in un giorno. In ogni caso la

2

radiazione solare è un valore positivo o nullo di notte, inoltre si può notare che segue lo

stesso andamento delle temperature, essendo grandezze strettamente collegate.

Si riporta la radiazione [MJ/m ] mediata, sia a scala giornaliera che a scala mensile, e si

2

può notare che utilizzando solamente gli ultimi 10 anni di dati si ottengono dei valori

superiori, fino ad un 10% per luglio, mese con radiazione maggiore. 9

Le Croci Barberino [3]

Dalla stazione ‘Le Croci di Barberino’ provengono le misure

di pressione atmosferica, umidità relativa e velocità del

vento. In data 12 luglio 2017, probabilmente per un

malfunzionamento della stazione, il dato giornaliero era

mancante per tutte le grandezze misurate. Anche i questo

caso i dati sono stati ricostruiti con un’interpolazione lineare,

utilizzando i valori del giorno precedente e successivo.

- IGROMETRIA

Si tratta di valori di umidità relativa (RH) [%] media giornaliera per un periodo di

osservazione di 10 anni, dal 2008 al 2017. Questa grandezza rappresenta il rapporto tra la

pressione di vapore effettiva e la pressione del vapore saturo ed è quindi un valore

compreso tra 0 e 1 [0-100%], nel nostro caso nel range 20-100%.

Si riportano i valori RH [%] mediati nell’intero periodo di osservazione, sia a scala

giornaliera che a scala mensile; si può notare dai grafici come l’umidità relativa segue

un’andamento opposto a quello delle temperature. 10

- ANEMOMETRIA

In questo caso sono stati utilizzati solo i valori di velocità media giornaliera [m/s] del

vento, per un periodo di osservazione di 8 anni, dal 2010 al 2017. Il valore medio su tutto

il periodo risulta essere di 1,81 m/s, non troppo distante dai 2 m/s utilizzati solitamente

come valore standard caso di dati di misura non disponibili. 11

12

Negli ultimi due grafici, che riportano a scala giornaliera e mensile i valori medi su tutto il

periodo di osservazione, è stato indicato anche il valore U2. I dati utilizzati sono stati

infatti misurati a 10m dal suolo (U10), mentre per i calcoli successivi è necessario

utilizzare la velocità del vento riferita a 2m dal suolo (U2), che risulta inferiore.

( )

4.87

Dalla relazione a lato, utilizzando z=10m, U = U

2 z

si ricava un valore di U2 pari al 74,8% di U10. ln(6.78z − 5.42)

- BAROMETRIA

E’ disponibile il valore di pressione atmosferica [hPa] media giornaliera, per un periodo di

osservazione di 10 anni, dal 2008 al 2017. Grazie a questi dati locali i risultati saranno

certamente più affidabili rispetto all’utilizzo della pressione atmosferica standard di

101.325 kPa (P ); infatti il valore medio su tutto il periodo risulta essere di 95.801 kPa.

0 ( )

5.26

Un valore simile si ottiene dalla relazione a lato, 293 − 0.0065z

P = P

che con la quota della stazione di 388m, fornisce z o 293

un valore di pressione atmosferica di 96.821 kPa.

Tuttavia anche in questo caso è presente un comportamento anomalo nei dati e,

considerato che i primi 6 anni hanno una media simile al valore di pressione calcolato in

funzione della quota, si può pensare che l’errore di misura sia negli ultimi 4 anni.

Si riposta la pressione atmosferica [kPa] mediata sull’intero periodo di osservazione, sia a

scala mensile che giornaliera. 13

Nell’andamento annuo si può notare una variazione rispetto al valor medio inferiore all’

1% e, visto anche l’errore nei dati e l’incidenza trascurabile della pressione atmosferica

nel calcolo dell’evaporazione, si preferisce non utilizzare le misure della stazione.

Si utilizzerà quindi un valore di pressione atmosferica costante pari 98.283 kPa, calcolato

con la relazione precedente utilizzando la quota di Bilancino (260,5m). 14

• EVAPORAZIONE DA SUPERFICIE LIQUIDA

L’evaporazione consiste in un passaggio di stato da liquido ad aeriforme ed è il processo

fisico principale con cui l’acqua, nel ciclo idrologico, ritorna nell’atmosfera.

A differenza dell’ebollizione, che coinvolge tutta la massa del liquido e avviene, per acqua

alla pressione atmosferica, alla temperatura di 100C°; l’evaporazione si verifica per

temperature inferiori e coinvolge la sola superficie del liquido.

L’energia richiesta per la trasformazione proviene dalla radiazione solare e, all’aumentare

della temperatura, le molecole che sulla superficie passano dallo stato liquido a quello

gassoso sono superiori a quelle che compiono la trasformazione inversa.

In questo modo si verifica l’evaporazione, mentre quando la temperatura si riduce

prevalgono le molecole che ritornano allo stato liquido e avviene la condensazione.

La pressione parziale dell’acqua allo stato gassoso si definisce tensione o pressione di

vapore (e ); quando si raggiungono le condizioni di equilibrio il vapore è saturo e il

a

corrispondente valore, che risulta dipendente dalla temperatura, si definisce pressione del

vapore a saturazione (e ).

s