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
Z
T3
T2
Z2
T1
Z1
Z3
T2
Z2
T1
Z1
T0
Υ
=-
Curva
Di stato
Z0
T3
T2
T1
T0
T
Υ: Gradiente Termico Verticale
Υ = - dt/dz
(°C/100 m)
Variazione di temperatura per unità di
distanza verticale dell’atmosfera.
Υ = 0
Υ < 0
Υ > 0
T = costante
T aumenta con la quota
(inversione termica)
T diminuisce con la quota
Υ* Variazione della TEMPERATURA con
la quota di una particella SECCA
Z
Υ*
Adiabatica
T3
secca
Z3
T2
Z2
T1
T0
Z1
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
Z
T3
Z3
Υs*
Adiabatica
satura
T2
Z2
T1
T0
Z1
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
Υ s*
UR =100%
UR <100%
Υ*
Moto di una particella d’aria
immersa in una colonna d’aria
S
TA = temperatura dell’atmosfera
TA
Tp
Z
Tp = temperatura della particella
S = Spinta di Archimede
P
P = Peso della particella
Moto di una particella d’aria
immersa in una colonna d’aria
S
TA
ρA
Tp
ρP
La particella è in EQUILIBRIO se:
∑F=S–P=0
S = mA g = ρAVA g P = mP g = ρPVP g
VA = VP
P
F = ρAVA g - ρPVP g =
= ρPVP g (ρA/ ρP ) – 1 =
F = mPaP
aP = g
(ρA/ ρP) – 1 Accelerazione
Particella
Moto di una particella d’aria
immersa in una colonna d’aria
S
TA
ρA
Tp
ρP
La particella è in EQUILIBRIO se:
F=S P =0
F>0 moto ascendente
F<0 moto discendente
P
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
Moto di una particella d’aria
immersa in una colonna d’aria
PV = RT
S
TA
ρA
ρP
Tp
( ρA/ ρP ) = ( TP / TA )
ρA = ρP
TP = TA
Particella in
equilibrio
ρA > ρP
TA < TP
Particella sale
ρA< ρP
TA > TP
Particella scende
P
Moto di una particella d’aria
immersa in una colonna d’aria
TA
S
RIASSUMENDO
Tp
 La particella è in equilibrio
se la sua temperatura è uguale
a quella dell’atmosfera
 La particella è in
P
movimento se la sua
temperatura è diversa da
quella dell’atmosfera
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
Cioè
Υ s*
La variazione di
temperatura
dell’atmosfera con
quella della particella
satura
Υ s*
UR =100%
UR <100%
Υ*
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)
Y
Y*
La particella sale
termicamente sottoposta
alla spinta di Archimede.
T
TA
TP
Y<Y* Stabilità per aria secca
Z
Caso termico: TP > TA
Y
La salita prosegue
Y*
T
TA
TP
Y<Y* Stabilità per aria secca
Z
Caso termico: TP > TA
Y
La salita prosegue
Y*
T
TA
TP
Y<Y* Stabilità per aria secca
Z
Caso termico: TP > TA
Y
E si arresta alla quota Z alla
quale TA = TP (densità uguali)
Y*
Livello di equilibrio
Z
T
TA
TP
Z = Livello di equilibrio
Se allontaniamo la
particella dalla quota Z
essa vi ritorna.
Y<Y* Stabilità per aria secca
Caso Dinamico: TP < TA
Z
Y
Y*
Al punto di partenza la
particella ha temperatura
minore dell’atmosfera
(densità maggiore) e
quindi tende a rimanere
nella sua posizione.
TP
TA
T
Y<Y* Stabilità per aria secca
Caso Dinamico: TP < TA
Z
La particella, spinta da una
forza, sale dinamicamente .
…
Y
Y*
TP
TA
T
Y<Y* Stabilità per aria secca
Caso Dinamico: TP < TA
Z
…. fino a raggiungere una
quota Z alla quale finisce la
spinta dinamica.
Y
Y*
Z
TP
TA
T
Y<Y* Stabilità per aria secca
Caso Dinamico: TP < TA
Z
Y
Y*
Finita la causa che ha
determinato la salita, la
particella, torna nella
posizione iniziale.
Z
TP
TA
T
Y<Y* Stabilità per aria secca
Z
Caso: TP
Y*
= TA
Y
La particella ha stessa
temperatura, e quindi
stessa densità,
dell’atmosfera e di
conseguenza tende a
rimanere nella posizione
iniziale.
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
T
TP TA
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
T
Caso: TP = TA
Z
TP TA
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)
Y
Y*
La particella sale
termicamente sottoposta
alla spinta di Archimede.
La particella accelera
T
TA
TP
Y>Y* Instabilità per aria secca
Z
Caso dinamico: TP < TA
Y*
Y
Al punto di partenza la
particella ha temperatura
minore dell’atmosfera
Livello di
Equilibrio
T
TP TA
Y>Y* Instabilità per aria secca
Z
Caso dinamico: TP < TA
Y*
Y
Se viene spinta
dinamicamente fino al
livello di equilibrio potrà
proseguire termicamente
(per spinta di Archimede).
Livello di
Equilibrio
T
TP TA
Y>Y* Instabilità per aria secca
Z
Caso dinamico: TP < TA
La particella
Y*
Y
Se viene portata sopra
del livello di
equilibrio continuerà
a salire;
Livello di
Equilibrio
T
TP TA
Se viene portata sotto
del livello di quilibrio
continuerà a
scendere.
Y>Y* Instabilità per aria secca
Z
Caso: TP = TA
Y*
Y
La particella sale
termicamente
accelerando.
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
T
TP TA
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
T
Caso: TP = TA
Z
TP TA
TP = TA
La particella, allontanata dal punto di equilibrio, continuerà a
spostarsi accelerando
Y=Y* Equilibrio Indifferente
Z
A. Adiabatica
Caso: TP > TA
Y*
La particella sale
termicamente a velocità
costante, mantenendo la
differenza di temperatura
iniziale con l’atmosfera.
Y
TA TP
T
Y=Y* Equilibrio Indifferente
Caso termico:
TP > TA
Caso Dinamico:
TP < TA
Z
Z
TA TP
T
Caso: TP = TA
Z
TP TA
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)
Y
Ys*
La particella sale
termicamente
sottoposta alla spinta
di Archimede.
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
Stabilità per aria satura
Z
Caso termico: TP > TA
Y
Livello di equilibrio
E si arresta alla quota Z alla
quale TA = TP (densità uguali)
Ys*
Z = Livello di equilibrio
Se allontaniamo la
particella dalla quota Z
essa vi ritorna.
TA
TP
T
Y<Y*S Stabilità per aria satura
Caso dinamico: TP < TA
Z
Y
Al punto di partenza la
particella ha temperatura
minore dell’atmosfera (e
quindi densità maggiore)
Y*S
TP
TA
T
Y<Y*S Stabilità per aria satura
Caso dinamico: TP < TA
Z
Y
La particella, spinta da
una forza, sale
dinamicamente . …
Y*S
TP
TA
T
Y<Y*S Stabilità per aria satura
Z
Caso dinamico: TP < TA
Y
Y*S
…. fino a raggiungere
una quota Z.
Z
TP
TA
T
Y<Y*S Stabilità per aria satura
Caso dinamico: TP < TA
Z
Y
Finita la causa che ha
determinato la salita, la
particella, torna nella
posizione iniziale.
Y*S
TP
TA
T
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
T
TP TA
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
Caso: TP = TA
Z
TA
TP
T
Z
TP TA
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 TP
T
TP TA
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
Caso: TP = TA
Z
TA TP
T
Z
TP TA
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?
La particella
sale, si
raffredda e
diventa satura;
UR =100%
L. C.
LC
Livello di
Condensazione
La particella
prosegue come
aria satura e
forma la nube.
UR =100%
L. C.
LC
Livello di
Condensazione
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
Z
L.L.C.
L. C. T.
L. C. F.
Z
Td
TP
T
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
Z
Sommità
Y>Y*>Y*S
L’atmosfera è
instabile sia per
l’aria secca Y>Y*
che per l’aria satura
Y>Y*S.
Y*s
Y
Cb
L. C. T.
Base
Y*
TP = TA
T
Instabilità Assoluta
Y>Y*>Y*S
Z
Sommità
Y*s
Condizioni meteo generali:
Presenza moti convettivi
Y
Cb
Formazione nubi cumuliformi
Presenza di turbolenza
Precipitazioni a carattere di
rovescio
Buona visibilità.
L. C. T.
Base
Y*
TP = TA
T
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
Stabilità Assoluta
Foto G. Colella
Y<Y*S<Y*
Stabilità Assoluta
Y<Y*S<Y*
L’atmosfera è stabile
sia per l’aria secca
Z
Y*s
Y
Y <Y*
che per l’aria satura
Y<Y*S.
L.C.F
Y*
TP = TA T
Stabilità Assoluta
Y<Y*S<Y*
Condizioni meteo generali:
Z
Y*s
Assenza moti convettivi
Y
Formazione nubi stratiformi
Assenza di turbolenza
L.C.F
Precipitazioni a carattere
uniforme
Scarsa visibilità.
Y*
Td
TP = TA T
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
Z
L’atmosfera è:
Y*S
 Stabile per l’aria secca
Y<Y*
Y
 Instabile per aria satura
Y> Y*S
L.L.C
Y*S<Y<Y*
Y*
TP = TA
T
Stabilità Condizionata
Z
 La particella non può salire
e quindi non si possono
sviluppare moti convettivi.
+
+
+ Y*S
Y ++
+
+
+
+
 Se interviene una causa
dinamica che sposta la
particella fino al LLC allora i
moti convettivi si
svilupperanno con formazione
di nubi cumuliformi.
L.L.C
-----
_
Y*
TP = TA
T
Stabilità Condizionata
Z
 L’area compresa tra la curva di
+
+
+ Y*S
Y ++
+
+
+
+
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
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
Z
+
+
+
Y ++ Y*S
+
+
+
+
Temporale Orografico
La catena montuosa fa
sollevare dinamicamente la
particella fino al LLC dal quale
proseguirà termicamente
sviluppando un Cumulonembo
CB
L.L.C
-----
L.C
_
Y*
Td
TP = TA
catena montuosa
T
Effetto STAU e FOEHN
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
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
θ = T2 = T1 1000
K
p1
T1 = temperatura della particella alla
quota di pressione p1
Temperatura POTENZIALE
θ = T2 = T1 1000
K
p1
p
Adiabatica
secca
p1
T1
T
Temperatura POTENZIALE
θ = T2 = T1 1000
K
p1
p
Adiabatica
secca
p1
T1
T2
T
Temperatura POTENZIALE
Aumenta con la
quota:
Atmosfera
Stabile
(subadiabatica)
Temperatura POTENZIALE
Diminuisce con
la quota:
Atmosfera
Instabile
(adiabatica)
Temperatura POTENZIALE
1
Stabile
2
Indifferente
3
Instabile
Sintesi
Foto G.
Colella
Equilibrio Stabile
• Y<Y*
• dθ
>0
dz
• Y<Y*S<Y*
La particella tende a
ritornare nella
posizione di
equilibrio
I moti convettivi
sono assenti o
cessano
La particella ha
sempre un punto di
equilibrio
Equilibrio InStabile
• Y>Y*
• dθ
<0
dz
• 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
Guida per la discussione
1)
2)
3)
4)
5)
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.