METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica 2010 MOTIVAZIONI fisica, è davvero così “brutta”? O addirittura inutile? meteorologia: bastano i proverbi o c’è di meglio? statistica: la scienza delle previsioni ci azzecca di più di maghi ed indovini?

Meteorologia in breve considerazioni preliminari: approcci deterministici e stocastici motivazioni di fondo: aspetti climatologici, ecologici, protezione civile, aereonautici, marittimi … meteo casalinga e professionale grandezze fisiche di interesse strumentazione, osservazioni, elaborazioni modellizzazione di base meteorologia ed internet

Rilevazione sinottica dei dati meteorologici nuvole: tipologia, copertura vento al suolo: velocità e direzione pressione e tendenza temperatura: attuale, min/max punto di rugiada ed umidità visibilità orizzontale precipitazioni: qualità, quantità stato del suolo e del mare, fenomeni speciali

Strumentazione di base anemometro > vento termometro > temperatura barometro > pressione psicrometro > umidità pluviometro > precipitazioni radiometro > irraggiamento eliografo > esposizione

Postazione meteorologica: capannina gli standard di acquisizione di dati meteorologici posizionamento errori da minimizzare: esposizione solare diretta e mancata ventilazione (errore di capannina)

Atmosfera terrestre troposfera composizione modello base: collegamenti alla teoria cinetica dei gas grandezze in gioco: importanza dei valori numerici

Misure di pressione pressione esercitata da un gas: peso o urti? esperienze per la caratterizzazione fisica della pressione barometria: gravitazionale ed aneroide unità di misura (pascal, torr, bar) riduzione della misura (QNH, QFE, QNE) tendenze barometriche

Variazione di pressione e temperatura con la quota povera conduzione di calore adiabaticità densità decrescente con la quota utilizzo della legge dei gas ideali utilizzo di calcolo differenziale/integrale verifica sperimentale una simulazione

Misure di temperatura concetto di temperatura: equilibrio termico termometria di base: termometro ideale a gas, elementi termosensibili termometri a mercurio/alcool scale e tarature campi di temperatura variazioni/escursioni temperature estreme e medie gradienti verticali

Richiami di termodinamica classica legge di Stevino, dP=-ρgdz; legge di stato per i gas ideali, ρ=M/V=MP/nRT=mP/RT; dipendenza della pressione dalla quota, dP/P= -(mg/RT)dz; ipotesi isoterma, T=cost=25°C P(z)=P0exp(-Az), A= mg/R=3x10-3 K/m. Ipotesi adiabiatica: variazione della temperatura con la quota: P1-γTγ=cost, T(z)=T0-Bz, B=(γ-1)mg/(γR)=6.1x10-3 K m-1 (gradiente verticale di circa 6°C per km di altezza). Variazione integrata di pressione/temperatura: dz z

S L G quantità di vapore d’acqua nell’aria Umidità atmosferica è il gas (4% di volume in media, Pg=40 hPa) fondamentale per i fenomeni di evaporazione e condensazione. equazione di Clausius-Clapeyron S L G cond/evap fus/solid subl 0.3 MJ/kg 2.8 MJ/kg 2.5 MJ/kg T P S L V PT PC

pressione - tensione di vapore acqueo (e) collegamento con il modello microscopico, forze intermolecolari di natura dipolare. dipendenza di e* dall’interfaccia: curvatura, purezza, dimensioni, stato-fase dell’acqua. gradienti di pressione causati dalla differenza e*ghiaccio<e*acqua. Processo di condensazione a T assegnata a partire da Pcond(T)=e*. Variazione di e* con T: e*(-20°C)=1.3 hPa; e*(0°C)=6.1 hPa; e*(+20°C)=23.4 hPa. T P e*

Umidità assoluta e relativa misura della quantità di vapore d’acqua in aria e valore riferito alla quantità massima alla stessa temperatura (saturazione): f = 100 e/e* (%). valore relativo dell’informazione “alta/bassa umidità”: f=100% a =0°C vuole dire che e=e*(0°C)=6 hPa (frazione di vapore 0.6%), f=20% a 40°C vuole dire che e=0.2e*(40°C)=20 hPa (frazione di vapore 2%). L’aria con f=100% contiene meno vapore di quella con f=20%. valori “confortevoli” a 20°C da 40% a 70%. dipendenza dalla temperatura: 90% a 0°C (umidità relativa esterna) implica a 20°C che fint=e/e*(20°C)= fexte*(0°C)/e*(20°C)=90*(6.1/23.4)=23% temperatura di rugiada (dew point): avviene la condensazione a partire da condizioni di non saturazione a TR, f = 100–5(T–TR) sensazione di afa per TR>16°C, inibizione dei processi di evaporazione corporea. Dipende sia dall’umidità che dalla temperatura. Per f=100% Tafa=16°C. Per T=40°C fafa=20%.

Misura di umidità e punto di rugiada Igrometro a capelli risposta non lineare (allungamento 2.5% per variazione di f da 0 a 100%) Psicrometro differenza di temperature di aria “secca” e “umida”: f = 100+k(T -TB) rilevamento ottico della condensazione del vapore d’acqua

Radiazione emissione continua di radiazione e/m dal sole. massimo spettrale nel visibile; significativi scambi energetici nell’infrarosso dovuti alla terra ed alle nubi; scambi di calore con l’atmosfera dovuti a radiazione calore “sensibile” (conduzione+convezione) calore latente (evaporazione+convezione) la radiazione emessa dalla terra è in gran parte assorbita dalle nubi (effetto serra); riscaldamento dell’atmosfera tramite i flussi termici terrestri.

Venti B A elemento “attivo”, dinamico dell’aria grandezza vettoriale forza barica forza di Coriolis B A elemento “attivo”, dinamico dell’aria grandezza vettoriale venti orizzontali (movimento di masse d’aria, trasporto di sostanze, scambi convettivi orizzontali) dovuti a gradienti barici venti verticali (evoluzione delle nubi, precipitazioni) dovuti a gradienti termici forze di Coriolis agenti su masse in moto anemometria effetti sul corpo umano (wind chill) grado intensità vel (km/h) debole 0-18 moderata 18-36 forte 36-60 molto forte 60-90 fortissima >90 Con vento debole, a 0°C la sensazione è di “fresco”, con vento molto forte la pelle esposta gela.

Nuvole formazione per condensazione di vapore d’acqua: le nuvole non sono vapore d’acqua – sono acqua o ghiaccio; necessità di nuclei di condensazione (pulviscolo atmosferico o sostanze in soluzione, minore pressione di vapore saturo e ricettori dell’energia di condensazione); dimensioni delle gocce in nube: da 1 a 50 um; Meccanismi della genesi: riscaldamento locale e convezione verticale ascesa forzata da scontri di masse d’aria a diverse temperature (fronti) ascesa forzata da irregolarità orografiche raffreddamento locale per conduzione con il suolo freddo (nebbia)

Tipi di nuvole classificazione in base alla forma: nubi isolate strati interrotti strati ininterrotti classificazione in base alla quota: strato basso (fino a 2-3 km, acqua) strato intermedio (fino a 5-7 km, acqua e ghiaccio) strato alto (oltre i 7 km, ghiaccio)

Piano superiore Cirrocumuli – oltre i 7 km – segno di instabilità e peggioramento delle condizioni meteorologiche Cirri e cirrostrati – segno di una perturbazione distante

Piano intermedio Altocomuli associati ad una depressione in avvicinamento Altostrati associati ad una debole perturbazione ma con pressione elevata

Piano basso Stratocumulo (sottile)

Nubi isolate Cumulo “umile” o del bel tempo. Cumulonembo temporalesco Lenticolare da ondulazione orografica

Precipitazioni crescita di gocce o cristalli in nube e caduta per gravità tipi di precipitazione pioggia (sottile, massiva, ghiacciata) neve (“asciutta”, bagnata) grandine fenomeni elettrici (temporali) formazione attraverso la fase ghiaccio: stato saturo rispetto l’acqua pura liquida ma sovrassatura rispetto il ghiaccio.

dinamica atmosferica: cicloni, anticicloni e fronti masse d’aria su scala continentale originate da vaste aree con condizioni stazionarie ed uniformi, modificazioni dovute a vari influssi locali nel loro moto. Importanza dei venti in quota: dalle correnti a getto alla frammentazione in celle di instabilità

Ciclogenesi e frontogenesi chiusura delle ondulazioni atmosferiche in celle depressionarie; scontro di masse d’aria di differente temperatura; nascita dei fronti e distinzione fra aree cicloniche ed anticicloniche valori della pressione relativi: P<1005 hPa è area B, P>1025 hPa è area A.

Dinamica dei fronti atmosferici mescolamento verticale di masse d’aria con differenti temperature Effetto della forza di Coriolis nel processo di mescolamento: creazione del fronte come superficie di passaggio fra le zone calde e fredde Moto dei fronti vincolati al ciclone, rotazione antioraria.

Lettura di carte meteorologiche

Situazioni tipiche associate a fronti e cicloni il fronte freddo è seguito da aria fredda, quello caldo da aria calda in quota il fronte freddo è molto più rapido di quello caldo il fronte occluso segna lo spegnimento del ciclone le nubi prevalgono lungo i fronti ed al centro del ciclone (forti correnti ascendenti) a seguito del fronte freddo in estate si hanno annuvolamenti variabili o intensi (temporali) i fronti caldi invernali sono relativamente attivi (contrasto di temperature) in un anticiclone vi è calma relativa di vento ed è accompagnato da inversione termica sulla zona alpina vi è usualmente attenuazione dei fenomeni per effetto della barriera orografica le perturbazioni rilevanti provengono da ovest sono rilevanti i fenomeni di sbarramento (Stau e Favonio - Foehn)

Risorse Internet (I) http://it.allmetsat.com/metar-taf/index.html Stato meteo attuale (METAR) e previsioni (TAF) con cadenza di 20’ (codificato ed in chiaro)

Risorse Internet (II) Fondazione E.Mach http://meteo.iasma.it/meteo/ database storici

Risorse Internet (III) Meteotrentino http://www.meteotrentino.it Bollettino per la Protezione Civile

Risorse Internet (IV) RADAR METEO Monte Macaion

Risorse Internet (V) EUMETSAT (meteosat) http://www.eumetsat.int/

Bibliografia essenziale Il tempo in montagna (G. Kappenberger e J. Kerkmann) – Zanichelli Corso di fisica generale – Termodinamica e Fisica Molecolare (D. V. Sivuchin) – EDEST Physical Principles of Micro-Meteorological Measurements (P. Schwerdtfeger) – Elsevier Meteorologia e Strumenti (A. Cicala) – Libreria Universitaria - Torino