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

Obiettivo Saper valutare i fattori che determinano i movimenti verticali dell’aria. Capacità di individuare le condizioni meteorologiche prevalenti.

ARGOMENTI 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

Υ Variazione della TEMPERATURA con la quota Dell’atmosfera = - Z2 Z1 T3 Z3 Curva Di stato T2 Z2 T1 Z1 T0 Z0 T2 T1 T3 T0 T

Υ: Gradiente Termico Verticale Υ = - dt/dz (°C/100 m) Variazione di temperatura per unità di distanza verticale dell’atmosfera. Υ = 0 T = costante Υ < 0 T aumenta con la quota (inversione termica) Υ > 0 T diminuisce con la quota

Υ* Variazione della TEMPERATURA con la quota di una particella SECCA Adiabatica secca T3 Z3 T2 Z2 T1 Z1 T0 Z0 T3 T2 T1 T0 T

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

Υs* Variazione della TEMPERATURA con la quota di una particella SATURA Adiabatica satura T3 Υs* Z3 T2 Z2 T1 Z1 T0 Z0 T3 T2 T1 T0 T

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

Υs* UR =100% Υ* UR <100%

Moto di una particella d’aria immersa in una colonna d’aria TA = temperatura dell’atmosfera Tp = temperatura della particella S = Spinta di Archimede P = Peso della particella TA Tp Z P

Moto di una particella d’aria immersa in una colonna d’aria 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 S TA Tp ρA ρP P

Moto di una particella d’aria immersa in una colonna d’aria 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 S TA Tp ρA ρP P

Moto di una particella d’aria immersa in una colonna d’aria 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 S TA Tp ρA ρP P

Moto di una particella d’aria immersa in una colonna d’aria 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 S TA Tp P

Stabilità dell’atmosfera Stabilità per aria secca Bisogna confrontare Υ Υ* Cioè: La variazione di temperatura dell’atmosfera con quella della particella secca Stabilità per aria satura Bisogna confrontare Υ Υs* Cioè La variazione di temperatura dell’atmosfera con quella della particella satura

Υs* UR =100% Υ* UR <100%

Stabilità per aria secca Y<Y* : Atmosfera Subadiabatica Y=Y* : Atmosfera Adiabatica Y>Y* : Atmosfera Superadiabatica

Y<Y* Stabilità per aria secca Z A. Subadiabatica Caso termico: TP > TA Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dell’atmosfera (e quindi densità minore) La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede. Y Y* T TP TA

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso termico: TP > TA La salita prosegue Y Y* T TP TA

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso termico: TP > TA La salita prosegue Y Y* T TP TA

Se allontaniamo la particella dalla quota Z essa vi ritorna. Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso termico: TP > TA E si arresta alla quota Z alla quale TA = TP (densità uguali) Z = Livello di equilibrio Se allontaniamo la particella dalla quota Z essa vi ritorna. Y Y* Z Livello di equilibrio T TP TA

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso Dinamico: TP < TA Al punto di partenza la particella ha temperatura minore dell’atmosfera (densità maggiore) e quindi tende a rimanere nella sua posizione. Y Y* TP TA T

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso Dinamico: TP < TA La particella, spinta da una forza, sale dinamicamente . … Y Y* TP TA T

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso Dinamico: TP < TA …. fino a raggiungere una quota Z alla quale finisce la spinta dinamica. Y Y* Z TP TA T

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso Dinamico: TP < TA Finita la causa che ha determinato la salita, la particella, torna nella posizione iniziale. Y Y* Z TP TA T

Y<Y* Stabilità per aria secca Z Caso: TP = TA La particella ha stessa temperatura, e quindi stessa densità, dell’atmosfera e di conseguenza tende a rimanere nella posizione iniziale. Y Y* TP = TA T

Y<Y* Stabilità per aria secca Caso termico: TP > TA Z TA TP T La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

Y<Y* Stabilità per aria secca Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Z Z TA TP TA T TP La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

Y<Y* Stabilità per aria secca Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Caso: TP = TA Z Z Z TA TP TA T TP TP = TA T La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

Y>Y* Instabilità per aria secca Z A. Superadiabatica Caso termico: TP > TA Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dell’atmosfera (e quindi densità minore) La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede. La particella accelera Y Y* T TA TP

Y>Y* Instabilità per aria secca Z Caso dinamico: TP < TA Al punto di partenza la particella ha temperatura minore dell’atmosfera Y* Y Livello di Equilibrio T TA TP

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

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

La particella sale termicamente accelerando. Y>Y* Instabilità per aria secca Z Caso: TP = TA La particella sale termicamente accelerando. Y* Y T TA = TP

Y>Y* Instabilità per aria secca Caso termico: TP > TA Z TA TP T La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

Y>Y* Instabilità per aria secca Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Z Z TA TP TA T TP La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

Y>Y* Instabilità per aria secca Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Caso: TP = TA Z Z Z TA TP TA T TP TP = TA La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

Y=Y* Equilibrio Indifferente Z A. Adiabatica Caso: TP > TA La particella sale termicamente a velocità costante, mantenendo la differenza di temperatura iniziale con l’atmosfera. Y* Y T TA TP

Y=Y* Equilibrio Indifferente Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Caso: TP = TA Z Z Z TA TP TA T TP TP = TA La particella si muove con velocità costante TP > TA e TP < TA Oppure ha sempre una posizione di equilibrio TP = TA

Y<Y*S Stabilità per aria satura Z Caso termico: TP > TA Al punto di partenza la particella ha temperatura maggiore dell’atmosfera (e quindi densità minore) La particella sale termicamente sottoposta alla spinta di Archimede. Y Ys* TA TP T

Stabilità per aria satura Z Caso termico: TP > TA La salita prosegue Y Ys* TA TP T

Stabilità per aria satura Z Caso termico: TP > TA La salita prosegue Y Ys* TA TP T

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

Y<Y*S Stabilità per aria satura Z Caso dinamico: TP < TA Al punto di partenza la particella ha temperatura minore dell’atmosfera (e quindi densità maggiore) Y Y*S T TP TA

Y<Y*S Stabilità per aria satura Z Caso dinamico: TP < TA La particella, spinta da una forza, sale dinamicamente . … Y Y*S T TP TA

Y<Y*S Stabilità per aria satura Z Caso dinamico: TP < TA …. fino a raggiungere una quota Z. Y Y*S Z T TP TA

Y<Y*S Stabilità per aria satura Z Caso dinamico: TP < TA Finita la causa che ha determinato la salita, la particella, torna nella posizione iniziale. Y Y*S T TP TA

Y<Y*S Stabilità per aria satura Caso termico: TP > TA Z TA TP T La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

Y<Y*S Stabilità per aria satura Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Z Z TA TP TP TA T La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

Y<Y*S Stabilità per aria satura Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Caso: TP = TA Z Z Z TA TP TP TA T T TP TA T = La particella rimane nella posizione di equilibrio, e se viene allontanata vi ritorna.

Y>Y*S Instabilità per aria satura Caso termico: TP > TA Z TA TP T La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

Y>Y*S Instabilità per aria satura Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Z Z TA TA TP T TP T La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

Y>Y*S Instabilità per aria satura Caso termico: TP > TA Caso Dinamico: TP < TA Caso: TP = TA Z Z Z TA TA TP T TP T TP TA T = La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a spostarsi accelerando

Stabilità Instabilità

Che cosa succede, dal punto di vista della temperatura, ad una particella che sale nell’atmosfera?

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

L. C. L C La particella prosegue come aria satura e forma la nube. Livello di Condensazione L. C.

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

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

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.

Livelli di condensazione 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.

Livelli di Condensazionre L.L.C. L. C. T. L. C. F. Z T Td TP T

Livello di Libera Convezione 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*S

Instabilità Assoluta Y>Y*>Y*S

Instabilità Assoluta Y>Y*>Y*S Z Sommità Y>Y*>Y*S Y*s L’atmosfera è instabile sia per l’aria secca Y>Y* che per l’aria satura Y>Y*S. Y Cb L. C. T. Base Y* TP = TA T

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

CONCLUSIONI ARIA INSTABILE Temporali 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 Y<Y*S<Y* Foto G. Colella

che per l’aria satura Y<Y*S. Stabilità Assoluta Z Y<Y*S<Y* Y*s L’atmosfera è stabile sia per l’aria secca Y <Y* che per l’aria satura Y<Y*S. Y L.C.F Y* T TP = TA

Stabilità Assoluta Y<Y*S<Y* Condizioni meteo generali: Z Y*s Assenza moti convettivi Formazione nubi stratiformi Assenza di turbolenza Precipitazioni a carattere uniforme Scarsa visibilità. Y L.C.F Y* T Td TP = TA

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*S<Y<Y*

Stabilità Condizionata L’atmosfera è: Stabile per l’aria secca Y<Y* Instabile per aria satura Y> Y*S Y*S Y L.L.C Y*S<Y<Y* Y* TP = TA T

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

Stabilità Condizionata 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 + + Y*S + + Y + + + + + L.L.C - - - - - _ - - - Y* Td TP = TA T

Pratica di Mare 20 05 05 Radiosondaggio Td T Curva di stato

Stuttgart 200505 Radiosondaggio

CASI PARTICOLARI

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

Effetto STAU e FOEHN

Condizioni per lo sviluppo: 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.

Effetto STAU e FOEHN

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

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

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

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

Effetto STAU e FOEHN La discesa continua come aria secca e al suolo la particella avrà assunta una Tf > Ti catena montuosa Ti Tf

Effetto STAU e FOEHN catena montuosa Ti Tf

Effetto STAU e FOEHN Causato dalle ALPI

Aria fredda e umida proveniente dall’ Atlantico 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 (UR 18-20%)

Temperatura POTENZIALE θ E’ la temperatura che assumerebbe una massa d’aria secca, avente alla pressione p la temperatura T, se fosse portata attraverso un processo adiabatico secco al livello di riferimento 1000 hPa.

Temperatura POTENZIALE K θ = T2 = T1 1000 p1 T1 = temperatura della particella alla quota di pressione p1

Temperatura POTENZIALE K θ = T2 = T1 1000 p1 p Adiabatica secca p1 T1 T

Temperatura POTENZIALE K θ = T2 = T1 1000 p1 p Adiabatica secca p1 T2 T1 T

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

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

Temperatura POTENZIALE Stabile Indifferente Instabile 1 2 3

Sintesi Foto G. Colella

Equilibrio Stabile Y<Y*S<Y* Y<Y* d θ La particella tende a ritornare nella posizione di equilibrio I moti convettivi sono assenti o cessano La particella ha sempre un punto di equilibrio > 0 d z

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 < 0 d z

Guida per la discussione Scrivere condizioni sui gradienti Fare rappresentazione grafica Verificare che 1) e 2) concordano Illustrare le condizioni di stabilità Specificare le condizioni meteorologiche generali caratteristiche della situazione in esame.

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