58357 - FISICA DELL'ATMOSFERA E METEOROLOGIA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente: - applica la conoscenza dell'elettromagnetismo e della fisica quantistica ai processi di assorbimento e di emissione della radiazione da parte di solidi e gas; - conosce il bilancio energetico del pianeta,gli scambi energetici con lo spazio esterno e le misure che sono utilizzate per determinarli, come pure le loro limitazioni intrinseche; - conosce le leggi di conservazione alla base della dinamica e della termodinamica dell'atmosfera e le principali forme di instabilità; - conosce le caratteristiche e le proprietà delle onde di gravità, barocline e delle onde di Rossby; - conosce le principali tipologie dei modelli numerici di previsione del tempo e le problematiche relative alle parametrizzazioni utilizzate; - utilizza le conoscenze acquisite per interpretare dati misurati da sensori per lo studio dell'atmosfera e per interpretare i prodotti dei modelli di previsione allo scopo di prevedere il tempo; - utilizza testi e appunti di lezione del docente scritti in lingua inglese ed acquisisce abilità nella comunicazione sulla materia venendo a conoscenza della terminologia inglese in uso; - sviluppa modelli semplici (termodinamica, effetto serra) durante le esercitazioni; - predispone una relazione al termine delle esercitazioni e la espone durante la prova finale.

Programma/Contenuti

Modulo 1: Fisica dell'atmosfera 3 CFU (18 ore frontali, 10 ore di laboratorio)

Introduzione alla fisica dell’atmosfera ed alla meteorologia (storia, applicazioni trasversali, problemi aperti, opportunità offerte dalla LM FST). Il sistema osservativo per l’atmosfera (misure in situ e da remote sensing).

Media temporale e spaziale di variabili geofisiche scalari e vettoriali. Profilo verticale medio della concentrazione dei costituenti gassosi principali e del peso molecolare medio. Omosfera ed eterosfera: ruolo dei processi di convezione e di diffusione.
Profilo verticale della temperatura media ed introduzione ai fenomeni fisici che la generano. Sezione verticale della temperatura media zonale e della componente ovest-est del vento medio. Cenni sulla circolazione meridiana e cella di Hadley.

Definizione base delle variabili radiometriche, relazione tra radianza ed irradianza. Radianza ed irradianza spettrale. Richiami di radianza di corpo nero. Temperatura di brillanza con esempi. Sensitività della funzione di Planck in vari intervalli spettrali. Assorbimento ed emissione. Legge di Kirckhoff; equilibrio termodinamico locale (LTE) e limiti di applicazione.

Irradianza spettrale del sole alla sommità dell'atmosfera. Insolazione istantanea e giornaliera: distribuzione dell'insolazione in funzione della latitudine e del tempo. Modello base di equilibrio energetico planetario: temperatura di emissione in funzione della irradianza solare e dell'albedo planetario. Ruolo dei gas atmosferici nel modulare l'emissione di onda lunga, l'effetto serra naturale e forcing radiativo dei gas serra.

Equazione differenziale per l'estinzione. Cammino ottico e trasmissività. Il calcolo della trasmissività monocromatica e su intervalli spettrali finiti. Estinzione della radiazione solare diretta: equazione di Bouguer. Rilevanza dei fenomeni di assorbimento e diffusione in atmosfera in funzione della lunghezza d'onda.

L'equazione differenziale di trasferimento radiativo in presenza di processi di assorbimento ed emissione. Derivazione della soluzione di Schwarzschild nel caso generale e per una atmosfera piano-parallela. Simulazione della radianza misurata al suolo e da satellite. Misure di radianza spettrale da satellite attorno alla Terra ed attorno a Marte. Ruolo della spettroscopia nella derivazione delle informazioni da misure di radianza spettrale.

Proprietà radiative di superfici naturali ed artificiali. Presentazione del satellite MSG e del radiometro SEVIRI. Discussione approfondita delle immagini SEVIRI e di sequenze di immagini multispettrali. Fenomeni tipici della meteorologia alle medie latitudini nelle immagini da satellite: cicloni extratropicali. Modello della scuola di Bergen.

Bilancio energetico della Terra nello spazio. La misura della irradianza solare totale: introduzione alle tecniche di misura e limitazioni. Misure giornaliere di TSI da parte di vari sensori. Errori sistematici e correlazioni tra serie di dati diversi. Bilancio energetico alla sommità della atmosfera: definizioni, tecniche di misura e limitazioni. Esempi di misure di budget radiativo (CERES) e budget radiativo zonale. Bilancio energetico globale medio dell'atmosfera.

Laboratorio di analisi dati: esercitazioni complesse sul clima in condizioni di equilibrio (10 ore).

Modulo 2: Meteorologia sinottica e previsione del tempo (22 ore frontali, 6 ore di laboratorio)

Richiami di termodinamica: equazione di stato dell’aria secca e processi adiabatici; proprietà termodinamiche dell’acqua, equazione di stato dell’aria umida; temperatura potenziale equivalente, adiabatiche umide; stabilità verticale. Cenni sul sistema osservativo per l’atmosfera (misure in situ e da remote sensing).

Stabilitità statica: Frequenza di Brunt-Vaisala. Onde interne.

Onde nei fluidi: onde di superficie in fluidi non ruotanti e ruotanti. Aggiustamento al bilancio geostrofico.

Fluidi barotropici e baroclini. Conservazione della vorticità nei fluidi barotropici. Conservazione della vorticità potenziale. Circuitazione.

Onde di Rossby, libere e forzate dalla orografia. Esempi di soluzione numerica della equazione di conservazione della vorticità. Onde dispersive.

Instabilità idrodinamica. Introduzione qualitativa all'instabilità baroclina.

Metodi di previsione pre-computer. Persistenza, tendenze, analoghi. Metodi statistici per migliorare la qualità delle previsioni locali.

Metodi di previsione numerica del tempo. Integrazione della equazione di avvezione. Esempio di instabilità numerica CFL. Esempi di scale spaziali non risolte e conseguente rumore numerico dovuto al troncamento.

Metodi numerici per la soluzione delle equazioni del moto. Discretizzazioni orizzontali. Griglie staggered, rappresentazioni spettrali. Discretizzazioni verticali. Coordinate sigma, theta, eta ibride.

Parametrizzazioni fisiche nei modelli numerici. Radiazione, PBL flussi turbolenti, rappresentazione degli effetti del suolo

Parametrizzazione della precipitazione nei modelli numerici. Precipitazione a grande scala. Schemi di precipitazione convettiva.

Analisi dati per l'inizializzazione dei modelli numerici. Esempi di analisi 3D Var.

Laboratorio di analisi dati: esercitazioni complesse su argomenti di termodinamica (6 ore).

Testi/Bibliografia

Le dispense (in lingua inglese) del docente sono disponibili online.

Le dispense contengono inoltre una bibliografia estensiva.

Atmospheric Science, an introductory survey. John M. Wallace e Peter V. Hobbs, second edition Academic Press 2006.

Metodi didattici

Lezioni frontali con ampio utilizzo di materiali multimediali.

Esercitazioni in aula con intervento attivo degli studenti.

Esercitazioni più complesse sul clima in condizioni di equilibrio e sulla termodinamica dell'atmosfera sono svolte durante il laboratorio finale.

Le lezioni possono essere svolte in lingua inglese, se richiesto dagli studenti.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Relazione scritta sulle attività svolte durante il laboratorio.

La verifica è affidata ad un esame orale unico per i due moduli, consistente in una discussione sulla relazione del laboratorio del modulo 1 ed in domande libere sugli argomenti del programma che possono prevedere la risoluzione di esercizi.

Strumenti a supporto della didattica

Pc e videoproiettore.

Attività più complesse in aula possono essere svolte su pc o con un notebook personale.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Rolando Rizzi

Consulta il sito web di Silvana Di Sabatino