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

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

2 Obiettivo Saper valutare i fattori che determinano i movimenti verticali dellaria. Capacità di individuare le condizioni meteorologiche prevalenti.

3 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

4 Υ Variazione della TEMPERATURA con la quota Dellatmosfera T1T1 T0T0 T Z T0T0 T2T2 T3T3 T1T1 T2T2 T3T3 Z0Z0 Z3Z3 Z2Z2 Z1Z1 Υ = - T2T2 T1T1 Z2Z2 Z1Z1 Curva Di stato

5 Υ: Gradiente Termico Verticale Υ = - dt/dz (°C/100 m) Variazione di temperatura per unità di distanza verticale dellatmosfera. Υ = 0 T = costante Υ < 0 T aumenta con la quota (inversione termica) Υ > 0 T diminuisce con la quota

6 Υ * Variazione della TEMPERATURA con la quota di una particella SECCA T0T0 T1T1 T2T2 T3T3 Z T Z0Z0 T0T0 T1T1 T2T2 T3T3 Z1Z1 Z2Z2 Z3Z3 Adiabatica secca Υ*Υ*Υ*Υ*

7 Υ *: Gradiente adiabatico secco Υ * = - dT/dZ = 1°C/100m Variazione di temperatura, per unità di distanza verticale di una particella daria secca

8 Υ s * Variazione della TEMPERATURA con la quota di una particella SATURA T0T0 T1T1 T2T2 T3T3 Z T Z0Z0 T0T0 T1T1 T2T2 T3T3 Z1Z1 Z2Z2 Z3Z3 Adiabatica satura Υs*Υs*Υs*Υs*

9 Υ s *: Gradiente adiabatico saturo Υ s * =-dT/dZ = 0,2 – 0,9 °C/100m Variazione di temperatura, per unità di distanza verticale, di una particella daria satura

10 U R =100% UR <100% Υ*Υ*Υ*Υ* Υs*Υs*Υs*Υs*

11 Moto di una particella daria immersa in una colonna daria TATA S TpTp P T A = temperatura dellatmosfera T p = temperatura della particella S = Spinta di Archimede P = Peso della particella Z

12 Moto di una particella daria immersa in una colonna daria TATA S TpTp P La particella è in EQUILIBRIO se: F = S – P = 0 S = m A g = ρ A V A g P = m P g = ρ P V P g V A = V P F = ρ A V A g - ρ P V P g = = ρ P V P g ( ρ A / ρ P ) – 1 = F = m P a P a P = g (ρ A / ρ P ) – 1 Accelerazione Particella ρAρA ρPρP

13 Moto di una particella daria immersa in una colonna daria TATA S TpTp P La particella è in EQUILIBRIO se: F = S P = 0 F>0 moto ascendente F<0 moto discendente F = m P a P a P = (ρ A / ρ P – 1) a P =0 ρ A = ρ P Particella in equilibrio a P >0 ρ A > ρ P Particella sale a P <0 ρ A < ρ P Particella scende ρAρA ρPρP

14 Moto di una particella daria immersa in una colonna daria TATA S TpTp P PV = RT ( ρ A / ρ P ) = ( T P / T A ) ρ A = ρ P T P = T A Particella in equilibrio ρ A > ρ P T A < T P Particella sale ρ A T P Particella scende ρPρP ρAρA

15 Moto di una particella daria immersa in una colonna daria TATA S TpTp P RIASSUMENDO La particella è in equilibrio se la sua temperatura è uguale a quella dellatmosfera La particella è in movimento se la sua temperatura è diversa da quella dellatmosfera

16 Stabilità dellatmosfera Stabilità per aria secca Bisogna confrontare Υ Υ Υ * Cioè: La variazione di temperatura dellatmosfera con quella della particella secca Stabilità per aria satura Bisogna confrontare Υ Υ Υ s * Cioè La variazione di temperatura dellatmosfera con quella della particella satura

17 U R =100% UR <100% Υ*Υ*Υ*Υ* Υs*Υs*Υs*Υs*

18 Stabilità per aria secca YY* : Atmosfera Superadiabatica

19 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y T A Caso termico: T P > T A Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dellatmosfera (e quindi densità minore) La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede. A. Subadiabatica

20 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y T A Caso termico : T P > T A La salita prosegue

21 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y T A Caso termico : T P > T A La salita prosegue

22 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y T A Caso termico : T P > T A T A = T P E si arresta alla quota Z alla quale T A = T P (densità uguali) Z = Livello di equilibrio Se allontaniamo la particella dalla quota Z essa vi ritorna. Z Livello di equilibrio

23 Z T Y Y* TPTPTPTP TATATATA Y

24 Z T Y Y* TPTPTPTP TATATATA Y

25 Z T Y Y* TPTPTPTP TATATATA Y

26 Z T Y Y* TPTPTPTP TATATATA Y

27 Z T Y Y* TPTPTPTP TATATATA Y

28 Y T A Caso termico: T P > T A Z T TPTPTPTP TATATATA La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

29 Y T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

30 Y T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A T P = T A Caso: T P = T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP T TATATATA TPTPTPTP = La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna. Z

31 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y>Y* Instabilità per aria secca T P > T A Caso termico: T P > T A Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dellatmosfera (e quindi densità minore) La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede. La particella accelera A. Superadiabatica

32 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y>Y* Instabilità per aria secca T P < T A Caso dinamico: T P < T A Al punto di partenza la particella ha temperatura minore dellatmosfera Livello di Equilibrio

33 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y>Y* Instabilità per aria secca T P < T A Caso dinamico: T P < T A Se viene spinta dinamicamente fino al livello di equilibrio potrà proseguire termicamente (per spinta di Archimede). Livello di Equilibrio

34 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y>Y* Instabilità per aria secca T P < T A Caso dinamico: T P < T A La particella Se viene portata sopra del livello di equilibrio continuerà a salire; Se viene portata sotto del livello di quilibrio continuerà a scendere. Livello di Equilibrio

35 Z T Y* Y TATATATA TPTPTPTP Y>Y* Instabilità per aria secca T P = T A Caso: T P = T A La particella sale termicamente accelerando. =

36 Y>Y* Instabilità per aria secca T P > T A Caso termico: T P > T A Z T TPTPTPTP TATATATA La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

37 Y>Y* Instabilità per aria secca T P > T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

38 Y>Y* Instabilità per aria secca T P > T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando T P = T A Caso: T P = T A Z TPTPTPTP TATATATA =

39 Z T Y* Y TATATATA TP TP TP TP Y=Y* Equilibrio Indifferente T P > T A Caso: T P > T A La particella sale termicamente a velocità costante, mantenendo la differenza di temperatura iniziale con latmosfera. A. Adiabatica

40 T P > T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP T P > T A T P T A e T P < T A T P = T A Oppure ha sempre una posizione di equilibrio T P = T A T P = T A Caso: T P = T A Z TPTPTPTP TATATATA = Y=Y* Equilibrio Indifferente

41 Z T Y Ys*Ys*Ys*Ys* TATATATA TPTPTPTP Y T A Caso termico : T P > T A Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dellatmosfera (e quindi densità minore) La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede.

42 Z T Y Ys*Ys*Ys*Ys* TATATATA TPTPTPTP Stabilità per aria satura T P > T A Caso termico : T P > T A La salita prosegue

43 Z T Y Ys*Ys*Ys*Ys* TATATATA TPTPTPTP Stabilità per aria satura T P > T A Caso termico : T P > T A La salita prosegue

44 Z T Y Ys*Ys*Ys*Ys* TATATATA TPTPTPTP Stabilità per aria satura T P > T A Caso termico : T P > T A T A = T P E si arresta alla quota Z alla quale T A = T P (densità uguali) Z = Livello di equilibrio Se allontaniamo la particella dalla quota Z essa vi ritorna. Livello di equilibrio

45 Z T Y Y* S TPTPTPTP TATATATA Y

46 Z T Y Y* S TPTPTPTP TATATATA Y

47 Z T Y Y* S TPTPTPTP TATATATA Y

48 Z T Y Y* S TPTPTPTP TATATATA Y

49 Y T A Caso termico: T P > T A Z T TPTPTPTP TATATATA La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

50 Y T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

51 Y T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna. T P = T A Caso: T P = T A Z TT TPTPTPTP TATATATA =

52 Y>Y* S Instabilità per aria satura T P > T A Caso termico: T P > T A Z T TPTPTPTP TATATATA La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

53 Y>Y* S Instabilità per aria satura T P > T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando T

54 Y>Y* S Instabilità per aria satura T P > T A Caso termico: T P > T A T P < T A Caso Dinamico: T P < T A Z T TPTPTPTP TATATATA Z TATATATA TPTPTPTP La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando T P = T A Caso: T P = T A Z TT TPTPTPTP TATATATA =

55 Stabilità Instabilità

56 Che cosa succede, dal punto di vista della temperatura, ad una particella che sale nellatmosfera?

57 U R =100% L. C. L C Livello di Condensazione La particella sale, si raffredda e diventa satura;

58 U R =100% L. C. L C Livello di Condensazione La particella prosegue come aria satura e forma la nube.

59 Livelli di condensazione L. C. Livello di Condensazione L. C. Livello di Condensazione L. C. F. Livello di Condensazione Forzato L. C. F. Livello di Condensazione Forzato L. C. T. Livello di Condensazione Termoconvettivo L. C. T. Livello di Condensazione Termoconvettivo

60 Livelli di condensazione L. C. Livello di Condensazione L. C. Livello di Condensazione Livello (quota) al quale la particella diventa satura a causa di un raffreddamento adiabatico.

61 Livelli di condensazione L. C. F. Livello di Condensazione Forzato Livello al quale la particella diventa satura, avendo subito un raffreddamento adiabatico, a causa di una salita dinamica.

62 Livelli di condensazione L. C. T. Livello di Condensazione Termoconvettivo L. C. T. Livello di Condensazione Termoconvettivo Livello (quota) al quale la particella diventa satura, avendo subito un raffreddamento adiabatico, a causa di una salita termica.

63 Livelli di Condensazionre T Z TPTP TdTd Z L. C. T. L. C. F. L.L.C. T

64 Livello 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.

65 Instabilità Assoluta Y>Y*>Y* S

66 Instabilità Assoluta Y>Y*>Y* S

67 Z T Y*s Y Y* TP = TATP = TATP = TATP = TA Cb L. C. T. Base Sommità Instabilità Assoluta Y>Y*>Y*S Latmosfera è instabile sia per laria secca Y>Y* che per laria satura Y>Y*S.

68 Z T Y*s Y Y* TP = TATP = TATP = TATP = TA Cb L. C. T. Base Sommità Instabilità Assoluta Y>Y*>Y* S Y>Y*>Y* S Condizioni meteo generali: Presenza moti convettivi Formazione nubi cumuliformi Presenza di turbolenza Precipitazioni a carattere di rovescio Buona visibilità.

69 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

70 Stabilità Assoluta Foto G. Colella Y

71 Z T Y*s Y* Y L.C.F T P = T A T P = T A Stabilità Assoluta Y

72 Z T Y*s Y* Y L.C.F T P = T A T P = T A Stabilità Assoluta Y

73 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)

74 Stabilità Condizionata Y* S

75 Y Y* S Y* Z L.L.C TP = TATP = TATP = TATP = TA Stabilità Condizionata T Latmosfera è: YY* S Instabile per aria satura Y> Y* S Y* S

76 Y Y* S Y* Z L.L.C TP = TATP = TATP = TATP = TA Stabilità Condizionata T La particella non può salire e quindi non si possono sviluppare moti convettivi. LLC Se interviene una causa dinamica che sposta la particella fino al LLC allora i moti convettivi si svilupperanno con formazione di nubi cumuliformi _

77 Y Y* S Y* Z L.L.C TP = TATP = TATP = TATP = TA Stabilità Condizionata T Larea compresa tra la curva di stato e le adiabatiche, (evidenziata dai segni - ) rappresenta lenergia che bisogna fornire alla particella per farla salire fino al L.L.C. Larea compresa tra la curva di stato e le adiabatiche, (evidenziata dai segni + ) rappresenta lenergia che la particella ha a disposizione per salire termicamente _ TdTdTdTd

78 Pratica di Mare Radiosondaggio T TdTd Curva di stato

79 Stuttgart Radiosondaggio

80 CASI PARTICOLARI

81 Y Y* S Y* Z L.L.C TP = TATP = TATP = TATP = TA Stabilità Condizionata T _ TdTdTdTd L.C catena montuosa Temporale Orografico Cumulonembo La catena montuosa fa sollevare dinamicamente la particella fino al LLC dal quale proseguirà termicamente sviluppando un Cumulonembo CB

82 Effetto STAU e FOEHN

83 Effetto STAU e FOEHN Condizioni per lo sviluppo: Atmosfera stabile (stabilità assoluta) Catena montuosa Aria che si muove ortogonalmente alla catena montuosa e la scavalca.

84 Effetto STAU e FOEHN

85 catena montuosa TiTi LC La particella sale e raggiunge LC (Base Nube)

86 Effetto STAU e FOEHN catena montuosa TiTi LC La particella sale e raggiunge LC (Base Nube)

87 Effetto STAU e FOEHN catena montuosa TiTi EffettoSTAU Si formano nubi che danno luogo a precipitazioni (Effetto STAU) LC Top salita

88 Effetto STAU e FOEHN catena montuosa TiTi Scavalcato il rilievo la particella scende e le nubi si dissolvono (a quota maggiore di quella di formazione perché U SE è diminuita) LC Livello di dissolvimento nube

89 Effetto STAU e FOEHN catena montuosa TiTi TfTf La discesa continua come aria secca e al suolo la particella avrà assunta una T f > T i

90 Effetto STAU e FOEHN catena montuosa TiTi TfTf

91 Effetto STAU e FOEHN Causato dalle ALPI

92 STAU e FOEHN Aria fredda e umida proveniente dall Atlantico scavalca 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 (U R 18-20%)

93 Temperatura POTENZIALE θ E la temperatura che assumerebbe una massa daria secca, avente alla pressione p la temperatura T, se fosse portata attraverso un processo adiabatico secco al livello di riferimento 1000 hPa.

94 Temperatura POTENZIALE θ = T 2 = T p1p1 K T 1 = temperatura della particella alla quota di pressione p 1

95 Temperatura POTENZIALE θ = T 2 = T p1p1 K T p p1p1 T1T1 Adiabatica secca

96 Temperatura POTENZIALE θ = T 2 = T p1p1 K T p p1p1 T1T1 Adiabatica secca T2T2

97 Temperatura POTENZIALE Aumenta con la quota: Atmosfera Stabile (subadiabatica)

98 Temperatura POTENZIALE Diminuisce con la quota: Atmosfera Instabile (adiabatica)

99 Temperatura POTENZIALE Stabile Indifferente Instabile 1 2 3

100 Foto G. Colella Sintesi

101 Equilibrio Stabile Y 0

102 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

103 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

104 G. Colella V Edizione, Meteorologia Aeronautica IBN Editore, 2009, Cap 7. BIBLIOGRAFIA


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