Elementi di Fisica atmosferica e Climatologia

1. Federico Angelini f.angelini@isac.cnr.it Elementi diFisica atmosferica eClimatologia Roma, 26/10/2007

2. PARTE PRIMA:Struttura dell’atomosfera terrestre

3. 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.

4. Intensità spettrale Trasmittanza atmosferica Bilancio radiativo:Il motore dell’atmosfera • Le emissioni di Terra e Sole sono sostanzialmente disaccoppiate, per cui i processi possono essere interpretati separatamente.

5. Bilancio radiativo terrestre

6. =F Equilibrio radiativo terrestre • Potenza intercettata dalla Terra: • Potenza emessa dalla Terra: • Il bilancio è allora: RT raggio terrestre RS raggio solare AT albedo terrestre RST raggio Sole-Terra TS temp. solare (superficie) TT temp. terrestre F costante solare (1340 W/m2) PE= 4 R2T T4T 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 DP= PI - PE

7. Bilancio radiativo ed effetto serra Dalle formule enunciate si ricava la temperatura di equilibrio: L’albedo media terrestre è circa 0.28, per cui si ha: 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!

8. Grandezze in atmosfera • Composizione chimica • Temperatura • Pressione

9. Grandezze in atmosfera • Composizione chimica • Omosfera (da 0 a 100 km) • Eterosfera (oltre i 100 km) • Temperatura • Pressione

10. 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

11. 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

12. Grandezze in atmosfera • Composizione chimica • Temperatura • La temperatura mostra andamenti differenti con la quota • Pressione

13. 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

15. 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:

16. 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= - r g dh con la condizione r = p M/kT e si ottiene infatti: che è facile da integrare se T è costante e si ha:

17. PARTE SECONDA:Elementi di dinamica atmosferica

18. Tutti i moti atmosferici sono dovuti all’energia ricevuta dal sole ! 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.

19. Equazioni del moto • Forze agenti su una massa d’aria • Forza di pressione • Forza di Coriolis • Forza di gravità • Attrito • Equazioni non lineari: • Dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali

20. Vento geostrofico Si vede che il gradiente di pressione è ortogonale al vento geostrofico: Equilibrio idrostatico 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: Trascurando le accelerazioni e le forze di attrito, si ha bilancio tra la forza di Coriolis e la forza di pressione: A medie latitudini cos f = sen f per cui 2 W sen f è circa costante e lo chiamo f. Per definizione la forza di Coriolis è ortogonale alla velocità.

21. Circolazione ciclonica e anticiclonica • Il vento a grande scala è sostanzialmente ortogonale alle isobare (non è intuitivo!)

22. Effetto dell’attrito sul vento geostrofico

23. Circolazione generale • 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. B H B H B

24. PARTE TERZA:Cenni di climatologia

25. 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)

26. Definizione di clima

27. Tutto ciò determina un forcing radiativo più o meno periodico: buona concordanza con le glaciazioni 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

28. 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?

29. Dati paleoclimatici dal Vostok Ice Core

30. Clima recente e CO2

31. Aumento delle emissioni gas serra dall’anno 0 Vari studi hanno mostrato che gran parte della CO2 immessa è di origine fossile

32. 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!

33. 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

34. 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.