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METEOROLOGIA e TERMODINAMICAMETEOROLOGIA e TERMODINAMICAdidattica della fisica – SSIS 2008/9didattica della fisica – SSIS 2008/9
Al servizio di una fisica “socialmente utile”
meteorologia: bastano i proverbi o c’è di meglio?
statistica: la scienza delle previsioni ci azzecca di più di maghi ed indovini?
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Meteorologia in breveMeteorologia 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
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Rilevazione Rilevazione sinotticasinottica dei dati dei dati meteorologicimeteorologici
• 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
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Strumentazione di baseStrumentazione di base
• anemometro vento
• termometro temperatura
• barometro pressione
• psicrometro umidità
• pluviometro precipitazioni
• radiometro irraggiamento
• eliografo esposizione
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Postazione meteorologica: Postazione meteorologica: capanninacapannina
• gli standard di acquisizione di dati meteorologici
• posizionamento• errori da minimizzare:
esposizione solare diretta e mancata ventilazione (errore di capannina)
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Atmosfera terrestreAtmosfera terrestre
• troposfera• composizione• modello base:
collegamenti alla teoria cinetica dei gas
• grandezze in gioco: importanza dei valori numerici
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Misure di pressioneMisure 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
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Variazione di pressione e Variazione di pressione e temperatura con la quotatemperatura 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
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Misure di temperaturaMisure 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
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Richiami di termodinamica classicaRichiami di termodinamica classica
• legge di Stevino, dP=gdz;• legge di stato per i gas ideali, =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=3103 K/m.• Ipotesi adiabiatica: variazione della temperatura
con la quota: P1T=cost,
• T(z)=T0Bz, B=(1)mg/( R)=6.1103 Km1 (gradiente verticale di circa 6°C per km di altezza).
• Variazione integrata di pressione/temperatura:
dz
zdz
RT
mg
T
dT
P
dP
1
1
00 1)(
z
T
BPzP
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Umidità atmosfericaUmidità atmosferica
• quantità di vapore d’acqua nell’aria• e’ il gas (4% di volume in media, Pg=40 hPa)
fondamentale per i fenomeni di evaporazione e condensazione.
• equazione di Clausius-Clapeyron
S
L Gcond/evap
fus/solid subl
0.3 MJ/kg 2.8 MJ/kg
2.5 MJ/kg
)( ji
ijij
vvT
q
dT
dP
T
P
S
L
VPT
PC
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pressione - tensione di vapore acqueo (pressione - tensione di vapore acqueo (ee))
• 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*
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Umidità assoluta e Umidità assoluta e relativarelativa
• 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%.
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Misura di umidità e punto di rugiadaMisura di umidità e punto di rugiada
• Igrometro a capellirisposta non lineare (allungamento 2.5% per variazione di f da 0 a 100%)
• Psicrometrodifferenza di temperature di aria “secca” e “umida”: f 100k(T TB)
• rilevamento ottico della condensazione del vapore d’acqua
![Page 15: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/15.jpg)
RadiazioneRadiazione
• 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.
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VentiVenti
• 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)
forza barica
forza di Coriolis
B
Agrado 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.
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NuvoleNuvole• 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 m;
• 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)
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Tipi di nuvoleTipi 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)
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Piano superiorePiano superiore
Cirrocumuli – oltre i 7 km – segno di instabilità e peggioramento delle condizioni meteorologiche
Cirri e cirrostrati – segno di una perturbazione distante
![Page 20: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/20.jpg)
Piano intermedioPiano intermedio
Altocomuli associati ad una depressione in avvicinamento
Altostrati associati ad una debole perturbazione ma con pressione elevata
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Piano Piano bassobasso
Stratocumulo (sottile)
![Page 22: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/22.jpg)
Nubi isolateNubi isolate
Cumulo “umile”
o del bel tempo.
Cumulonembo
temporalesco
Lenticolare da ondulazione
orografica
![Page 23: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/23.jpg)
PrecipitazioniPrecipitazioni• 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.
![Page 24: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/24.jpg)
dinamica atmosferica: cicloni, anticicloni e frontidinamica 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
![Page 25: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/25.jpg)
Ciclogenesi e Ciclogenesi e frontogenesifrontogenesi
• 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.
![Page 26: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/26.jpg)
Dinamica dei fronti Dinamica dei fronti atmosfericiatmosferici
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.
![Page 27: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/27.jpg)
Lettura di carte meteorologicheLettura di carte meteorologiche
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Situazioni tipiche associate a fronti e Situazioni tipiche associate a fronti e ciclonicicloni
• 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)
![Page 29: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/29.jpg)
Risorse Internet (I)Risorse Internet (I)
weather.noaa.gov/weather/metar.shtmlweather.noaa.gov/weather/metar.shtml
Stato meteo attuale (METAR) e previsioni (TAF) con Stato meteo attuale (METAR) e previsioni (TAF) con cadenza di 20’ (codificato ed in chiaro)cadenza di 20’ (codificato ed in chiaro)
![Page 30: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/30.jpg)
Risorse Internet (II)Risorse Internet (II)
Istituto S.Michele all’AdigeIstituto S.Michele all’Adige
database storici
![Page 31: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/31.jpg)
Risorse Internet (III)Risorse Internet (III)
MeteotrentinoMeteotrentinoBollettino per la Protezione Civile
![Page 32: METEOROLOGIA e TERMODINAMICA didattica della fisica – SSIS 2008/9](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051001/568148bb550346895db5d83b/html5/thumbnails/32.jpg)
Risorse Internet (IV)Risorse Internet (IV)
RADAR METEO
Monte Macaion
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Risorse Internet (V)Risorse Internet (V)
EUMETSAT (meteosat)
http://www.eumetsat.int/
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Bibliografia essenzialeBibliografia 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