L`ATMOSFERA TERRESTRE

L’ATMOSFERA TERRESTRE
La composizione dell’aria
Nei primi 100 Km di altezza, ciò che chiamiamo “aria”
risulta costituito da un miscuglio di gas, alcuni dei
quali, come l’azoto, l’ossigeno ed i gas nobili, sono
presenti ovunque in percentuali fisse; altri, come
l’anidride carbonica, presentano piccole variazioni
percentuali in tempi lunghi; altri ancora, come l’ozono,
il vapore d’acqua ed il cosiddetto “pulviscolo
atmosferico”, oltre ad essere presenti in quantità
variabili, hanno anche quote di esistenza preferenziali.
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• tra 0 e 100 km
– gas presenti ovunque in percentuali fisse
• azoto, ossigeno, gas nobili
– gas con variazioni percentuali in tempi lunghi
•
anidride carbonica
– gas in quantità variabili ed a quote preferenziali
• ozono, vapore acqueo, pulviscolo atmosferico
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• tra 100 e 130 km
– stessi gas, diverse percentuali
– maggior presenza di ossigeno
• tra 130 e 1100 km
– prevalenza di azoto e ossigeno atomico
• oltre 1100 km
– prevalenza di elio ed idrogeno
LA COMPOSIZIONE DELL’ARIA
COMPONENTI PERMANENTI DELL’ARIA
Componenti
Simbolo
Azoto
N2
O2
A
CO2
Ne,Kr,Xe
H
He
Ossigeno
Argon
Anidr. Carb.
Gas nobili
Idrogeno
Elio
% Vol.
78,08
COMPONENTI VARIABILI DELL’ARIA
Componenti
Ozono
Formula
Quote di
concentrazione
O3
da 25 a 70 Km
H2O
fino ai 12-18 Km
NaCl, C,
nei primi Km
20,94
0,93
Vapor d'acqua
0,03
Pulviscolo
Tracce
ecc.
Tracce
AZOTO e OSSIGENO costituiscono insieme circa il 99% dell’aria.
Nonostante ciò non hanno alcun ruolo nella produzione e evoluzione
dei fenomeni meteorologici. Fondamentale è invece il VAPORE
ACQUEO.
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• azoto ed ossigeno
– costituiscono oltre il 99% dell’atmosfera
– non hanno alcun ruolo nei fenomeni meteorologici
• grande importanza meteorologica
– componenti variabili
• vapore acqueo
• pulviscolo atmosferico
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• vapore acqueo
– primi km di altezza (fino a 12-18 km)
– evaporazione da superfici liquide
– percentuali variabili (pochi gr/kg di aria)
– importanza meteorologica dovuta a
• scambi energetici (600 cal/g acqua)
• limite alla dispersione del calore irradiato dalla Terra
sottoforma di radiazione infrarossa (effetto serra)
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
• pulviscolo atmosferico
– particelle sospese nei bassi strati
– hanno origine:
• naturale (sale marino, ceneri vulcaniche)
• artificiale (residui processi di combustione ⇒ smog)
– importanza meteorologica dovuta a:
• proprietà igroscopiche (nuclei di condensazione)
• ⇒ formazione delle nubi
PROPRIETA’ DELL’ATMOSFERA
• pressione e densità
– diminuiscono con l’altezza
• temperatura
– variabilità di comportamento
– alternanza di massimi e minimi
– serie di strati a profilo termico uniforme
(sempre crescente o decrescente)
– strati di transizione a temperatura costante
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• strati a profilo termico uniforme
– troposfera
• temperatura decrescente
– stratosfera
• temperatura crescente
– mesosfera
• temperatura decrescente
– strati esterni: termosfera, ionosfera, esosfera
• temperature crescenti (superiori al migliaio di gradi)
• approssimazione gas perfetti
• strati di transizione a temperatura costante
– tropopausa
– stratopausa
– mesopausa
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
STRATI A PROFILO TERMICO UNIFORME E COSTANTE
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• troposfera
– altezza variabile per rotazione terrestre
• 8 km ai poli
• 11 - 12 km latitudini intermedie
• 17 km all’equatore
– temperatura diminuisce con la quota
• valore medio s.l.m. : 15°C
• valore medio a quota massima: - 55°C
– sede di tutti i fenomeni meteorologici
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• tropopausa
– spessore dell’ordine di una decina di km
– temperatura costante - 55°C
– presenza delle correnti a getto
• stratosfera
– altezza massima circa 50 km
– temperatura aumenta con la quota
• massima concentrazione ozono
• assorbimento radiazione solare UV
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
STRATOSFERA: LO STRATO DI OZONO
PROCESSO DI DISTRUZIONE DELL’OZONO
UN PROCESSO CONTINUO
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• stratopausa
– limite superiore della stratosfera
• mesosfera
– altezza massima circa 80 km
– temperatura diminuisce con la quota
– 1% massa atmosferica totale
– pressione compresa tra 1 e 0,01 hPa
– nubi nottilucenti (quota ≈ 80 km)
• formate da polveri cosmiche
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
MESOSFERA
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
• mesopausa
– limite superiore della mesosfera
• termosfera e ionosfera
– predominano particelle ionizzate
• riflessione onde radio (strati di Heaviside)
• aurore polari
– temperatura aumenta con la quota
• temperatura in senso cinetico-statistico: T~Ecinetica~½mv2
• approssimazione con gas perfetto (elevato c.l.m. molecole)
• esosfera
– oltre 800 km di quota
– transizione tra atmosfera e spazio cosmico
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
TERMOSFERA e IONOSFERA
Le aurore, sono strati multicolore frequenti nei cieli a
latitudini molto alte nord e sud. La loro causa è l’interazione
tra il vento solare – un tenue flusso di particelle cariche
provenienti dal sole - ed il campo magnetico terrestre. Le
luci sono frutto dell’impatto degli elettroni e protoni con le
molecole dell’alta atmosfera.
Questa spettacolare immagine mostra un’aurora boreale su
di un campo coperto di neve ed alberi congelati in Alaska.
Le aurore difficilmente scendono sotto I 60 km e possono
salire fino a 1000 km. Vista dallo spazio un’aurora può
apparire come un cerchio attorno ad uno dei poli magnetici
terrestri.
PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA
ESOSFERA
Le forze:
• gravità terrestre (intesa come forza risultante della gravità e
della forza centrifuga, derivante dalla rotazione terrestre);
• pressione atmosferica (tenuto conto che i gas tendono ad
occupare tutto il volume) e che la pressione atmosferica tende
a distribuire questa massa gassosa addensandone di
più nei
bassi strati e via via in modo decrescente con l’altezza;
• l’ineguale distribuzione dell’energia solare (dovuta alle
caratteristiche astronomiche e fisiche del globo)
determina
differenze di pressione tra punti posti alla stessa
altezza, e
mette l’aria in movimento rispetto alla terra.
Se ne deduce che mentre il 50% della massa atmosferica
totale è concentrata nei primi 5,5Km circa, il 99,7% di essa
non va oltre ai 40Km.
1000
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
0
5,5
10
20
40
Hpa/mb
1000
500
250
50
2,7
P. riduz.%
100%
50%
25%
5%
0,27%
Km
4.Struttura termica verticale dell’atmosfera
T=1400°C
(600km)
km
120
TERMOSFERA
80
75
Mesopausa
MESOSFERA
60
50
Stratopausa
STRATOSFERA
20
14
Tropopausa
TROPOSFERA
l.m.m
-85
-55
0
15
°C
(1) nella Troposfera la temp. diminuisce con h (var. con LATITUD. e STAGIONI)
(2) nella Stratosfera la temp. aumenta (inv.term. Impedisce mov.verticali quindi le nubi)
(3) nella Mesosfera la temp. diminuisce nuovamente
(4) nella Termosfera la temp. aumenta in modo esponenz. (concetto cinetico-statistico)
La radiazione solare
Tutti i corpi con temperatura maggiore dello zero assoluto (-273°C)
hanno la proprietà di irraggiare nello spazio “granuli d’energia”
sotto forma di onde elettromagnetiche. Questi granuli sono detti
“fotoni”o “quanti” e presentano un contributo energetico
inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda.
Il sole, radiatore ideale, ha una temp. superficiale di 6000°C ed
emette radiazioni su un vastissimo spettro: dai raggi gamma (10-6
micron) fino a radiazioni con lunghezze d’onda di qualche Km.
Soltanto quella con spettro compreso tra 0,15 e 14 micron (tra U.V.
e I.R.) giunge ai confini con la mesosfera. Quella con lunghezza
d’onda inferiore a 0,15micron (alto contenuto energetico) raggiY,
raggi X e parte degli U.V. vengono assorbite nella termosfera (ecco
una spiegazione delle alte temp). La radiazione oltre i 14micron, a
basso contenuto energetico) viene riflessa nella ionosfera.
LE CAUSE DEL TEMPO
In definitiva la causa principale è:
• Diversa distribuzione
dell’energia solare in
seno al sistema
terra-atmosfera.
Dovuta a:
• Forma
geometrica
della terra. (sferoidale con
incidenza
della
radiazione più concentrata
all’equatore).
• Inclinazione dell’asse
di rotazione della terra
(il quale nel suo movimento
di rotazione intorno al sole
rimane inclinato di 23°).
CIRCOLAZIONE GENERALE
ATMOSFERICA
ANALISI DELLA C. G. A.
FORZA DEVIANTE DI CORIOLIS
CONSEGUENZE DELLA C.G.A.
CIRCOLAZIONI TERMICHE
CIRCOLAZIONE DELLE MEDIE LATITUDINI
DISTRIBUZIONE STAGIONALE DELLE CALORIE
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• cause fondamentali
– differente riscaldamento nelle diverse regioni del globo
• riscaldamento maggiore nelle zone tropicali, minore nelle polari
• necessità di trasferire calore da equatore verso poli
• caso ipotetico
– Terra non in rotazione e superficialmente omogenea (oceani)
⇒ unica circolazione convettiva meridiana a scala emisferica
⇒ Cella di Hadley:
•
•
•
•
salita di aria in quota all’equatore
flusso in quota verso i poli
discesa di aria al suolo ai poli
flusso in superficie verso equatore
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
La Cella di Hadley
(caso semplificato ipotetico)
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• caso ipotetico
– Terra in lenta rotazione
• ancora unica circolazione convettiva
• deviazione di Coriolis
– Emisfero Nord:
– Emisfero Sud:
flusso in superficie nord-orientale
flusso in quota sud-occidentale
flusso in superficie sud-orientale
flusso in quota nord-occidentale
• EMISFERO SUD
– DEVIAZIONE
CORIOLIS
AGISCE
IN
DIREZIONE
OPPOSTA
– CIRCOLAZIONE ATMOSFERICA SPECULARE EMISFERO
NORD
– A SEGUIRE SEMPRE RIFERIMENTO A EMISFERO NORD
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• caso reale
– Terra in rotazione con periodo 24 h
• modello a singola Cella di Hadley non più plausibile
– flusso superficiale completamente orientale prima equatore
– componente orientale vento ∼ centinaia nodi
– attrito equatoriale tale da rallentare rotazione terrestre
• modello complesso di circolazione atmosferica
• da unica circolazione meridiana a sistema di tre circolazioni:
– meridiana interpropicale o cella di Hadley 0° - 30°N
– extratropicale o cella di Ferrel
30°N - 60°N
– cella polare
60°N - 90°N
TRE CELLE DI CIRCOLAZIONE
IL “TEMPO” SI GENERA ALLE MEDIE LATITUDINI
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• scala moti atmosferici
– moti verticali
• massima estensione: intero spessore troposfera
– moti orizzontali meridiani
• forte componente in direzione meridiana
• massima estensione: fascia latitudinale di ∼ 30°
– moti orizzontali zonali
• forte componente in direzione paralleli
• massima estensione: intera circonferenza terrestre
CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERICA
• conseguenze
– venti permanenti (superficie)
• nordorientali intertropicali (alisei)
• venti occidentali medie latitudini
• venti orientali polari
– sistemi barici dinamici
• basse equatoriali
• alte subtropicali
• basse polari
• alte artiche
VENTI PERMANENTI
• alisei
–
–
–
–
velocità e direzione costanti lungo tutto l’anno
tra latitudini Nord e Sud comprese tra 5° e 30°
quote inferiori a 1 - 2 km (venti al suolo)
caratteristiche:
• velocità media circa 13 nodi (molto regolari sul mare)
• secchi e freschi
– causati da:
• spostamento aria da fascia H subtropicale a L equatoriale
• Coriolis ⇒ provenienza nord-orientale
• convergenza all’equatore in fascia di 3° - 5° latitudine
⇒ calme equatoriali o convergenza intertropicale ITCZ
– circolazione invertita in quota ⇒ controalisei
– inversione periodica (scala diversi anni) alisei ⇒ El Niño
VENTI PERMANENTI
• venti occidentali
– zone temperate oceaniche entrambi emisferi
– tra latitudini 40° e 60°
– regolarità disturbate da depressioni mobili
⇒ perturbazioni
VENTI PERMANENTI
DISTRIBUZIONE DEI SISTEMI BARICI
SISTEMI BARICI DINAMICI
• originati dai moti verticali aria
– anticicloni
• subsidenza
• divergenza al suolo, convergenza in quota
– cicloni
• salita aria in quota
• convergenza al suolo, divergenza in quota
• fasce circumpolari di:
–
–
–
–
bassa pressione equatoriale
alta pressione tropicale
bassa pressione polare
alta pressione artica
SISTEMI BARICI DINAMICI
Distribuzione circumpolare
delle fasce bariche dinamiche
SISTEMI BARICI DINAMICI
• nuclei barici dinamici
– punti di massimo e minimo barico relativo interni alle fasce
– in corrispondenza degli oceani
• temperatura e flusso del vento più uniformi lungo tutto anno
• attrito sui continenti effetti più marcati sul flusso geostrofico
– anticicloni rinforzati su Azzorre, Bermuda, Pacifico orientale
– cicloni accentuati su Aleutine e Islanda
SISTEMI BARICI DINAMICI
Distribuzione dei centri barici
dinamici di alta e bassa pressione
CIRCOLAZIONE INTERTROPICALE
• cella di Hadley confinata tra equatore e tropico
– salita in quota di aria calda a equatore
• fascia di bassa pressione al suolo
– in quota correnti meridiane verso polo
• intervento della forza deviante
• correnti divengono sudoccidentali (controalisei)
• tra 25°N e 40°N circolazione diviene zonale
– discesa di aria al suolo a latitudini subtropicale
• fascia di alta pressione subtropicale
• per divergenza, parte aria verso il polo, parte verso equatore
– al suolo correnti meridiane verso equatore
• intervento della forza deviante
• correnti divengono nordorientali (alisei)
contributo al fine ultimo della circolazione generale:
ridistribuzione del calore solare
riduzione del divario termico tra equatore e polo
CIRCOLAZIONE TERMICHE
• origina da gradiente orizzontali di temperatura
• inizialmente superfici isobariche parallele suolo
– in assenza di gradiente barico
• diverso riscaldamento del suolo a pressione costante
– l’aria scaldata si espande e diminuisce la densità
– l’aria raffreddata si contrae e diminuisce la densità
• superfici isobariche inclinate all’aumentare della quota
• si origina gradiente barico in quota
– alta pressione su zona calda
– bassa pressione su zona fredda
CIRCOLAZIONE TERMICHE
• aria fluisce in quota da zona calda verso zona fredda
• perdita di massa in colonna d’aria su zona calda
– diminuisce pressione al suolo su zona calda
• guadagno di massa in colonna d’aria su zona fredda
– aumenta pressione al suolo su zona fredda
• gradiente barico al suolo opposto a quello in quota
• aria fluisce al suolo da zona fredda verso zona calda
– circolazione al suolo come flusso di ritorno di quelle in quota
CIRCOLAZIONE TERMICHE
EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL
SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME:
AVVIO DI CIRCOLAZIONE TERMICA IN QUOTA
CIRCOLAZIONE TERMICHE
EFFETTO DI DIVERSO RISCALDAMENTO AL
SUOLO SU UN CAMPO BARICO UNIFORME:
CIRCOLAZIONE TERMICA COMPLETA
CIRCOLAZIONE TERMICHE
• stesso origine per fenomeni a scale molto diverse:
– mesoscala (centinaio di km): brezze
– sinottica (decine di migliaia di km): monsoni
• caratteristiche delle circolazioni termiche:
– i venti scorrono al suolo da zone fredde verso zone calde
– i venti invertono periodicamente la circolazione
• esempi di circolazioni termiche
– brezze: periodo di dodici ore
– monsoni: periodo di sei mesi
• circolazione monsonica:
–
–
–
–
ovunque ci sia vasto continente circondato da oceani
dipende da forma e morfologia del continente
dipende anche dalle variazioni in latitudine della ITCZ
è più forte ed incisiva nel sud est asiatico
CIRCOLAZIONE TERMICHE
ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A MESOSCALA:
BREZZE DI MARE E BREZZE DI VALLE
CIRCOLAZIONE TERMICHE
ESEMPI DI CIRCOLAZIONI A SCALA SINOTTICA:
I MONSONI