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
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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
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anemometro
termometro
barometro
psicrometro
pluviometro
radiometro
eliografo>
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>
>
>
>
vento
temperatura
pressione
umidità
precipitazioni
irraggiamento
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
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•
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,
dz
z
dP
 dT
mg


dz
P  1 T
RT
• 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:

B
P( z )  P0 1 
 T0

  1
z 

Umidità atmosferica
• quantità di vapore d’acqua nell’aria
• è il gas (4% di volume in media, Pg=40 hPa)
fondamentale per i fenomeni di evaporazione e
condensazione.
dPij
qij
• equazione di Clausius-Clapeyron dT  T (vi  v j )
2.5 MJ/kg
L
cond/evap
fus/solid
0.3 MJ/kg
P
G
subl
2.8 MJ/kg
S
PC
L
S
V
PT
T
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:
P
e*
T
e*(-20°C)=1.3 hPa; e*(0°C)=6.1 hPa; e*(+20°C)=23.4 hPa.
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
• 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)
B
forza barica
forza di Coriolis
A
grado
intensità vel (km/h)
1
debole
0-18
2
moderata
18-36
3
forte
36-60
4
molto forte 60-90
5
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