Federico Angelini
[email protected]
Elementi di
Fisica atmosferica
e
Climatologia
Roma, 26/10/2007
PARTE PRIMA:
Struttura dell’atomosfera
terrestre
Bilancio radiativo:
Il motore dell’atmosfera

Il 99 % dell’energia entrante in atmosfera deriva dalla
radiazione solare.


La rimanente proviene dall’energia interna della Terra, dalla
dissipazione dell’energia cinetica da parte delle maree e dalla
conversione di calore latente.
La Terra riceve energia ad onda corta dal Sole e
riemette energia a onda lunga verso lo spazio.

Per la legge di Wien, il massimo dell’emissione solare è a
0.5 mm (VIS), mentre quella terrestre è a circa 10 mm (TIR).

Per Stefan-Boltzmann, la potenza irradiata è proporzionale a
T4.
Bilancio radiativo:
Il motore dell’atmosfera

Le emissioni di Terra e Sole sono sostanzialmente disaccoppiate,
per cui i processi possono essere interpretati separatamente.
Intensità
spettrale
Trasmittanza
atmosferica
Bilancio radiativo terrestre
Equilibrio radiativo terrestre

Potenza intercettata dalla Terra:
2
R
PI   RT2 1  AT  2S  TS4
RST

=F
Potenza emessa dalla Terra:
RT
RS
AT
RST
TS
TT
F
raggio terrestre
raggio solare
albedo terrestre
raggio Sole-Terra
temp. solare (superficie)
temp. terrestre
costante solare (1340 W/m2)
PE= 4 R2T  T4T

Il bilancio è allora:
DP= PI - PE
Se DP =0 la Terra è in equilibrio
termico: si può allora stimare la
temperatura di equilibrio TT;
Se è >0 si ha riscaldamento
Se è <0 si ha raffreddamento
Bilancio radiativo ed effetto
serra
Dalle formule enunciate si ricava la temperatura di equilibrio:
4TT  1  AT F
4
L’albedo media terrestre è circa 0.28, per cui si ha:
Teq 
4
F (1  A)
 256K
4
È più bassa di quella reale! L’effetto serra fa aumentare la
temperatura al suolo, anche se in totale la temperatura ‘di
brillanza’ della Terra è questa!
Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Temperatura

Pressione
Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Omosfera (da 0 a 100 km)

Eterosfera (oltre i 100 km)

Temperatura

Pressione
Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Omosfera (da 0 a 100 km):

A causa della turbolenza non c’è separazione per gravità


O2 (21% volume, 23% massa)
 N2 (78% volume, 75% massa)
 H2O => molto variabile (0.4 - 400 ppm)
 Altri gas (Ar, Ne, He, O3, … )
Eterosfera (oltre i 100 km)

Temperatura

Pressione
Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Omosfera (da 0 a 100 km)

Eterosfera (oltre i 100 km):

I gas si separano per gravità: la diffusione molecolare prevale
su quella turbolenta

Temperatura

Pressione
Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Temperatura


La temperatura mostra andamenti differenti con la quota
Pressione
Grandezze in atmosfera

Composizione chimica

Temperatura

La temperatura mostra andamenti differenti con la quota:






Troposfera (0 - 8/14 km): temperatura decrescente linearmente, con
gradiente medio pari a -6.5 K/km. Trappola per il vapore acqueo.
Stratosfera (10 - 50 km): temperatura cresce con gradiente inferiore.
Zona molto stabile. Ospita la fascia di ozono.
Mesosfera (50 - 80 km): pressione bassissima e popolata da elettroni
liberi e ioni (ionosfera).
Termosfera (80-200 km): temperatura alta ed atmosfera quasi libera
Esosfera (200 - 2000 km): cammino libero medio lunghissimo:
atmosfera libera.
Pressione
Grandezze in atmosfera
• Composizione chimica
• Temperatura
• Pressione
La pressione decresce monotonicamente e comanda anche la
densità, in quanto le variazioni di temperatura sono meno
importanti. L’eq. dei gas perfetti è pV=NkT, da cui:
NM kT
kT
p

V M
M
M
p
kT
Grandezze in atmosfera
• Composizione chimica
• Temperatura
• Pressione
Per atmosfera isoterma in equilibrio idrostatico (convezione
trascurabile) la pressione avrebbe andamento esponenziale, così
come la densità: dall’eq. dp= -  g dh
con la condizione
 = p M/kT e si ottiene infatti:
dp
gM

dz
p
kT
che è facile da integrare se T è costante
e si ha:
z
p( z )  p(0) e

H
PARTE SECONDA:
Elementi di dinamica
atmosferica
Il motore dell’atmosfera (2):
introduzione alla dinamica atmosferica



I moti atmosferici sono originati dalle differenze di
pressione (forze di pressione)
Tali differenze di pressione sono a loro volta originate
dall’ascesa e discesa di masse d’aria a diversa
temperatura (convezione)
Le differenze di temperatura dipendono dalla risposta
del suolo al bilancio radiativo locale.
Tutti i moti atmosferici sono dovuti
all’energia ricevuta dal sole !
Equazioni del moto
• Forze agenti su una massa d’aria
–
–
–
–
Forza di pressione
Forza di Coriolis
Forza di gravità
Attrito
• Equazioni non lineari:
dA A 
  v  A
dt t

   
  1
v
 v  v  p  2  v  g  F
t

• Dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali
Approssimazione geostrofica
Proiettando le equazioni vettoriali in un sistema di riferimento solidale con la
superficie terrestre, con l’asse x tangente al parallelo, l’asse y tangente al
meridiano e l’asse z diretto verso l’alto si ha:
A medie latitudini cos f = sen f per
cui 2  sen f è circa costante e lo
chiamo f.
Per definizione la forza di Coriolis è
ortogonale alla velocità.
Vento geostrofico
Trascurando le accelerazioni e le forze di attrito,
si ha bilancio tra la forza di Coriolis e la forza di pressione:
Si vede che il gradiente di pressione è
Equilibrio
ortogonale al vento
 p p 
(u, v)   ,   0
idrostatico
geostrofico:
 x y 
Circolazione ciclonica e
anticiclonica
 Il vento a grande scala è sostanzialmente ortogonale alle isobare
(non è intuitivo!)
Effetto dell’attrito sul vento
geostrofico
Circolazione generale

B

H

B
H

B
La maggiore insolazione
all’equatore genera
convezione;
La convezione si arresta e
l’aria viaggia verso i poli, si
raffredda e ridiscende (cella)
La forza di Coriolis fa sì che le
celle si rompano e creino
circolazioni da est e da ovest a
seconda della provenienza del
vento;
Si hanno così tre celle
separate da zone di
convergenza e divergenza
tipiche.
PARTE TERZA:
Cenni di climatologia
Definizione di clima

Il clima è la successione delle situazioni meteorologiche nei vari
punti della Terra. L’IPCC stabilisce che:
“Climate in a narrow sense is usually defined as the “average
weather”, or more rigorously, as the statistical description in terms of the
mean and variability of relevant quantities over a period of time ranging
from months to thousands or millions of years. The classical period is 30
years, as defined by the World Meteorological Organization (WMO).
These quantities are most often surface variables such as temperature,
precipitation, and wind. Climate in a wider sense is the state, including a
statistical description, of the climate system.”


Il clima è influenzato da vari fattori
A monte di tutto c'è l'energia solare, o meglio il bilancio
energetico terrestre, come già visto (forcing radiativo)
Definizione di clima
Cause delle variazioni
climatiche

Variazioni a lungo periodo (104-105 anni)
Determinate da fattori astronomici:




Variazione eccentricità orbita terrestre (105~ anni)
Precessione degli equinozi (~ 20000 anni)
Nutazione asse terrestre (~ 40000 anni)
Variazione geografia terrestre
Tutto ciò determina un forcing radiativo
più o meno periodico: buona
concordanza con le glaciazioni
Cause delle variazioni
climatiche

Variazioni a breve periodo (102-103 anni)
Di più difficile comprensione:





Eruzioni vulcaniche
Variazione composizione atmosfera (ozono,
vapore, gas serra)
Variazione dell'albedo planetaria
Processi casuali, risonanze stocastiche
Interazione oceano-atmosfera (NAO, ENSO)
Attività umane?
Dati paleoclimatici dal
Vostok Ice Core
Clima recente e CO2
Aumento delle emissioni gas
serra dall’anno 0
Vari studi hanno
mostrato che
gran parte della
CO2 immessa è
di origine fossile
Un esempio di “guarigione”:
il buco dell’ozono





Nel 1985 fu scoperto che lo strato di ozono stratosferico
sull’Antartide si era assottigliato in estensione e concentrazione;
Si scoprì che la dinamica dell’abbassamento dell’ozono seguiva
l’insolazione;
In seguito si scoprì che il responsabile era il cloro, che attraverso
reazioni fotochimiche catalizzate dalla radiazione ultravioletto
distruggeva grandi quantità di O3.
Il Cl originava dai CFC che, rilasciati in atmosfera, raggiungevano
la stratosfera e, aiutati dalla radiazione solare, si scindevano e
permettevano la realizzazioni di queste reazioni.
Il protocollo di Montreal (1987) ha bandito il rilascio dei CFC ed
ora il ‘buco’ sembra essersi stabilizzato; ci si aspetta che con il
tempo la radiazione solare permetta la ricostituzione della
normale concentrazione di ozono!
Conclusioni



E’ unanimemente accettato ormai che l’attività
umana stia modificando la composizione
chimica dell’atmosfera;
E’ quasi unanimemente accettato che vi sia un
riscaldamento globale terrestre;
Non ci sono prove inconfutabili che l’aumento
di temperatura sia causato dall’aumento di gas
serra, ma se così fosse potrebbe essere
troppo ‘costoso’ rimediare a cambiamenti
innescati, considerando l’imprevedibilità dei
vari fenomeni di retroazione, molti dei quali
ancora poco chiari.
 PRINCIPIO DI PRECAUZIONE
Bibliografia essenziale

http://www.ipcc.ch/

http://www.metoffice.gov.uk/

http://www.noaa.gov/

Mario Pinna, “Le variazioni del clima”, Franco Angeli ed.

Guido Visconti, “Fondamenti di fisica e chimica
dell’atmosfera” CUEN ed.