Lezione 02 del 05/11/2015 P. Randi R. Ghiselli

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1 Lezione 02 del 05/11/2015 P. Randi R. Ghiselli
Corso meteorologia 2015 Lezione 02 del 05/11/2015 P. Randi R. Ghiselli

2 Circolazione generale dell’atmosfera
La circolazione generale dell’atmosfera è la diretta conseguenza della diversa intensità con cui il Sole riscalda le basse e le alte latitudini. E in effetti il bilancio energetico al suolo su base annuale tra la radiazione solare assorbita e la radiazione persa per irraggiamento nell’infrarosso, mostra un surplus di calore all’Equatore e un deficit ai poli.

3 Circolazione generale dell’atmosfera

4 Flusso radiativo minimo ai poli
massimo all’equatore

5 Bilancio radiativo annuale: i poli (90°) sono in deficit; i tropici e l’equatore in surplus. Per rimediare al problema calore deve essere trasferito dai tropici verso i poli

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7 Circolazione generale dell’atmosfera
Se tale disomogeneità non venisse prima o poi rimossa, la temperatura all’Equatore dovrebbe aumentare senza sosta, anno dopo anno, mentre quella ai poli dovrebbe essere in costante diminuzione

8 Circolazione generale dell’atmosfera
Siccome in realtà, almeno negli ultimi anni, lo squilibrio termico Equatore-poli non ha subito grossi scossoni, allora bisogna ipotizzare che nell’atmosfera esista un meccanismo mediante il quale il surplus di calore equatoriale viene trasportato verso più alte latitudini, onde appianare il deficit energetico polare.

9 ATMOSFERA La ridistribuzione del calore a scala planetaria è affidata per quasi l’80% alla circolazione generale dell’atmosfera e per il restante 20% alle correnti oceaniche. OCEANI

10 Circolazione generale dell’atmosfera: Hadley
Partendo da tale presupposto, Hadley nel 1735 propose il primo modello per descrivere la circolazione generale. In tale modello si suppone, per semplicità, che la Terra sia priva di rotazione e che abbia superficie omogenea, così da poter trascurare il diverso riscaldamento stagionale tra oceani e continenti.

11 Circolazione generale dell’atmosfera: Hadley
Ai Poli invece il bilancio termico negativo genera raffreddamento dell'aria che essendo più densa si porta dagli strati superiori verso il suolo, dove al contrario si genera un'alta pressione. Quindi al suolo masse d'aria fredda vengono spinte dall'alta pressione polare verso la bassa pressione equatoriale, mentre in quota l'aria calda viene spinta dalle alte pressioni equatoriali verso le basse pressioni polari. Il calore assorbito dalla Terra intorno all'Equatore scalda le masse d'aria sovrastanti che, dilatandosi, diventano meno dense e più leggere, salendo verso la troposfera. Questa risalita d'aria genera nei bassi strati zone di bassa pressione (associate a condizioni meteo perturbate), mentre in quota l'apporto di aria dagli strati sottostanti crea una zona di alta pressione.

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13 Problema: la Terra si muove
Il modello di Hadley, pur rendendo conto della presenza effettiva della fascia di bassa pressione al suolo all’Equatore e dell’alta pressione ai poli, è palesemente inadeguato per descrivere la circolazione atmosferica osservata a scala planetaria e appena descritta.

14 Problema: la Terra si muove
L’incongruenza nasce dalla presenza della forza deviante di Coriolis, che nel modello a una megacella non veniva presa in considerazione. La forza di Coriolis è una forza deviante dovuta alla rotazione della Terra, la quale crea una deviazione verso la destra del moto nell’emisfero nord e verso la sinistra in quello sud.

15 Forza di Coriolis Forza apparente che agisce sul moto di corpi sulla superficie terrestre. Dovuta alla conservazione del momento angolare. Il momento angolare (o momento della quantità di moto) è una misura dell'energia di un corpo in rotazione. L'entità del momento angolare dipende dalla velocità di rotazione, dalla massa e dalla distribuzione (geometria) della massa del corpo. La distribuzione della massa è descritta dal momento di inerzia. Il momento angolare è una grandezza che si conserva. Il pattinatore che esegue la figura della trottola può regolare la propria velocità di rotazione avvicinando le braccia al corpo o allontanandole. Tenendo le braccia presso il corpo il momento di inerzia diminuisce, e ciò fa aumentare la velocità di rotazione per conservare il momento angolare.

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17 Fcoriolis = 0 all’equatore,
aumenta verso i poli

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19 La forza del gradiente di pressione (PGF)
La forza del gradiente di pressione è il modo dell'atmosfera per cercare di bilanciare il campo di pressione.

20 Circolazione generale dell’atmosfera: forza di Coriolis

21 MODELLO DI CIRCOLAZIONE PALMEN-NEWTON
A livello globale, introducendo la componente della forza di Coriolis, il modello che ne deriva è una struttura a tre celle, come rappresentato nella figura a lato. MODELLO DI CIRCOLAZIONE PALMEN-NEWTON

22 Il modello di Palmen /Newton prevede la presenza di 3 celle di circolazione per ogni emisfero.
Questo modello non tiene in considerazione gli avvicendamenti stagionali ed i contrasti termici tra continenti ed oceani.

23 Figure 7.21: The idealized wind and surface-pressure distribution over a uniformly water-covered rotating earth. Watch this Active Figure on ThomsonNow website at 23

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25 Pressione media al suolo inverno
Figure 7.22: Average sea-level pressure distribution and surface wind- flow patterns for January (a) and for July (b). The heavy dashed line represents the position of the ITCZ. Pressione media al suolo inverno 25

26 Pressione media al suolo estate
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27 La circolazione generale, con il modello a 3 celle, può essere sensibilmente modificata dalla presenza di grandi masse continentali e degli oceani. Un classico esempio è rappresentato dal Monsone asiatico: In inverno (prima immagine) l’Asia si raffredda sensibilmente generando una vasta alta pressione (l’aria più è fredda e più “pesa”); mentre l’oceano rimane più caldo ed è sede di bassa pressione. Poiché le masse d’aria si muovono dalle alte verso le basse pressioni, avremo venti freddi e secchi da nord-nord-est, poche nubi e piogge praticamente assenti. In estate (seconda immagine) accade il contrario: Asia molto calda e sede di bassa pressione; oceano più fresco e sede di alta pressione. Venti umidi e molto piovosi arrivano da sud-ovest

28 Dry season Stagione secca invernale Stagione delle piogge estiva Wet season ITCZ ITCZ Abbiamo quindi il monsone secco invernale (sinistra) e quello umido estivo (destra) che investe soprattutto l’India fino all’Himalaya portando piogge di eccezione entità.

29 Esercitazione

30 Circolazione generale dell’atmosfera
Se le correnti occidentali non deviassero mai dal loro percorso lungo i paralleli, non si potrebbe mai attuare lo scambio di calore tra l’aria calda equatoriale e l’aria fredda polare, cosicché la temperatura salirebbe progressivamente sulla fascia equatoriale e diminuirebbe sulle calotte polari

31 Circolazione generale dell’atmosfera
L’incremento progressivo del contrasto termico Equatore-poli porterebbe a sua volta a una graduale intensificazione delle correnti occidentali fino a raggiungere 300 km/h dopo circa 3 mesi.

32 Circolazione generale dell’atmosfera
In realtà via via che aumenta il contrasto termico tra alte e basse latitudini, le correnti occidentali divengono sempre più veloci, fino al punto che, a causa delle forzate e improvvise deviazioni di percorso introdotte dalle catene montuose e dall’alternarsi di oceani e continenti, iniziano a oscillare lungo i meridiani, così come capita a una corda di violino quando viene pizzicata.

33 Circolazione generale dell’atmosfera: onde di Rossby

34 ONDE DI ROSSBY

35 ONDE DI ROSSBY

36 Circolazione generale dell’atmosfera: onde di Rossby
Le ondulazioni (onde di Rossby), una volta innescatesi, tendono a divenire via via più ampie, fino a raggiungere alternativamente le zone equatoriali e polari.

37 Circolazione generale dell’atmosfera: onde di Rossby
A questo punto le singole onde, divenute ormai molto allungate nel verso dei meridiani, tendono a rompersi nella parte terminale isolando vortici a circolazione oraria, pieni di aria calda (anticicloni di blocco) alle alte latitudini, e vortici pieni di aria fredda (gocce fredde) a circolazione antioraria alle basse latitudini. Con questo processo si realizza un riscaldamento delle zone polari e un raffreddamento di quelle equatoriali.

38 Circolazione generale dell’atmosfera: onde di Rossby
Ma perché si formano tali ulteriori piccole ondulazioni? Per svelare il segreto occorre fare la conoscenza con un’altra grande protagonista della circolazione generale dell’atmosfera: la corrente a getto.

39 Circolazione generale dell’atmosfera: corrente a getto
In seno all’immenso oceano d’aria che avvolge la terra vagano senza sosta veloci correnti note con il nome di Corrente a Getto o Jet Stream. La più vigorosa e persistente è la Corrente a Getto Polare, un vasto fiume aereo che scorre nell’alta atmosfera, in seno alle correnti occidentali. La sua carta d’identità è ricca di connotati spettacolari: spessore verticale 3,5 km, velocità km/h, larghezza km, lunghezza km.

40 POLAR JET

41 Polar jet

42 Circolazione generale dell’atmosfera: corrente a getto
Il vento raggiunge la massima intensità nella parte centrale della corrente (asse o core del getto), la quale è in genere situata intorno a metri, in prossimità della tropopausa.

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44 Circolazione generale dell’atmosfera: corrente a getto
Ma qual è la forza misteriosa capace di scatenare nell’alta atmosfera venti così violenti? Siccome le masse d’aria si muovono tanto più velocemente quanto più rapida è la variazione della pressione nel piano orizzontale, vi è allora da supporre che alla quota del getto esistano dislivelli barici orizzontali di notevole intensità. In effetti il polar jet stream scorre sulla verticale del fronte polare, l’immaginaria linea al suolo intorno a gradi di latitudine, lungo la quale scorrono, una a fianco dell’altra, le masse d’aria fredde polari e quelle calde subtropicali.

45 Circolazione generale dell’atmosfera: corrente a getto

46 Corrente a getto

47 Origine della corrente a getto (jet stream)

48 Circolazione generale dell’atmosfera: corrente a getto
Dalla parte dell’aria fredda, a causa della maggiore densità atmosferica, la pressione diminuisce con la quota molto più rapidamente che nell’adiacente aria calda cosicché, tra le opposte parti del fronte polare, si genera una differenza di pressione rapidamente crescente con l’altezza, e il cui massimo valore viene raggiunto ai limiti della troposfera.

49 Circolazione generale dell’atmosfera: corrente a getto
Lungo il fronte polare, complici le deviazioni forzate indotte sulle correnti occidentali dalle grandi barriere montuose, avvengono reciproci sconfinamenti delle masse d’aria polari e subtropicali, con vigorose irruzioni di aria fredda verso sud e simultanee invasioni di aria calda verso nord. La linea di demarcazione tra tali masse d’aria risulta disposta a zigzag lungo i paralleli, e di conseguenza anche la corrente a getto, costretta a seguire il fronte polare, acquista ampie oscillazioni meridiane aventi lunghezze d’onda dell’ordine di km

50 Circolazione generale dell’atmosfera

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52 Esercitazione

53 Modifiche alla circolazione generale
L’intervento di diverse forzanti (poche naturali, molte antropiche) ha determinato negli ultimi anni variazioni nello stato della circolazione generale, soprattutto nelle regione temperata (medie latitudini). In particolare il riscaldamento globale è uno dei principali imputati, dal momento che agisce indisturbato da molto tempo.