Insegnamento mutuato da: B028842 - FISICA DELL'ATMOSFERA Laurea Magistrale in SCIENZE FISICHE E ASTROFISICHE Curriculum ASTROFISICA
Lingua Insegnamento
Italiano
Contenuto del corso
Struttura e composizione dell’atmosfera media. Elementi di trasporto radiativo, bilanci energetici e termodinamica in atmosfera. Cenni su struttura e processi ionosferici. Fluidodinamica atmosferica, instabilità e transizione alla turbolenza. Strato limite. Dinamica dei fluidi rotanti, circolazione generale, vorticità. Ruolo di elementi introdotti nella previsione numerica meteorologica. Formazione e microfisica delle nubi, fenomeni di precipitazione e strumenti di osservazione meteorologica
An Introduction to Dynamic Meteorology
Autore: James R. Holton
Casa editrice: Elsevier, ISBN: 0123848660
An Introduction to Atmospheric Physics
Autore: David G. Andrews
Casa editrice: Cambridge University Press, ISBN: 0521693187
Atmospheric Science, An introductory survey
Autori: John M. Wallace e Peter V. Hobbs
Casa editrice: Academic Press, ISBN 9780127329512
Physics and dynamics of clouds and precipitation
Autore: P. K. Wang
Casa editrice: Cambridge Univ. Press, ISBN: 9781107005563
Microphysics of clouds and precipitation
Autore: H. R. Pruppacher and J.D.Klett
Casa editrice: Springer, ISBN: 9780792342113
Obiettivi Formativi
Il corso si propone come introduzione alla Fisica dell’Atmosfera, per fornire le basi fisiche che regolano il comportamento dell’atmosfera terrestre e gli strumenti matematici alla base della loro modellazione. Attenzione specifica è posta alla fluidodinamica geofisica, ai fenomeni legati alla stabilità e alle trasformazioni termodinamiche connesse ai fenomeni di maggior interesse meteorologico.
La scelta degli argomenti trattati è frutto in larga parte dell’esperienza maturata dal Consorzio LaMMA, servizio meteorologico regionale, nell’attività operativa di previsione numerica delle condizioni meteorologiche, con la quale gli studenti potranno confrontarsi in percorsi di stage e/o di tesi che eventualmente vorranno intraprendere sul tema. Gli argomenti comunque verranno trattati anche con l’obiettivo di valorizzare le connessioni con le conoscenze acquisite in altre tematiche del corso di laurea, relativamente allo studio dei sistemi dinamici, della fisica computazionale e delle parti di fisica dell’atmosfera trattate nei corsi di carattere astrofisico.
Alla fine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze sulla struttura dell’atmosfera, sarà in grado di comprendere i processi fisici che ne regolano la dinamica e determinano i fenomeni di maggior interesse meteorologico padroneggiando i principali strumenti matematici su cui tali processi si basano. Possiederà quindi gli strumenti da cui partire per affrontare i problemi connessi alle previsioni meteorologiche e affini, sui quali, se di interesse, potrà cimentarsi già all’interno di stage o lavori di tesi proposti.
Prerequisiti
Meccanica Classica, Fluidodinamica, Termodinamica, Metodi Matematici della Fisica, come svolti nei corsi di base della laurea triennale in fisica.
Metodi Didattici
Insegnamento frontale con supporto informatico.
Proposta di seminari integrativi in relazione agli specifici interessi degli studenti
Altre Informazioni
Come possibile integrazione alle tematiche trattate nel corso potrà essere valutata l’organizzazione di seminari su temi di interesse attuale quali, a titolo di esempio, i sistemi di misura meteorologica, i cambiamenti climatici, l’ottica atmosferica, l’oceanografia, la qualità dell’aria.
Come possibile integrazione al corso per gli studenti interessati ad approfondire l’applicazione delle conoscenze alla meteorologia applicativa, si propongono stage in cui verrà dedicata una parte (circa 1/3 del tempo di stage) per introdurli alla previsione numerica meteorologica. Essa sarà inquadrata come problema alle condizioni iniziali e al contorno, in connessione alla disponibilità ed evoluzione degli strumenti di osservazione della Terra e di quelli computazionali. Gli studenti saranno quindi introdotti ai principali schemi di discretizzazione delle equazioni (quando possibile tenendo conto di quanto svolto nel corso di Laboratorio di Fisica Computazionale) e al problema della chiusura, al concetto di parametrizzazione e ai principi dell’assimilazione dei dati nei modelli di previsione numerica. Il problema della dipendenza forte dalle condizioni iniziali sarà messo in relazione con la non linearità delle equazioni di Navier-Stokes e il conseguente problema della predicibilità meteorologica sarà sviluppato arrivando a introdurre i moderni approcci di previsione di insieme (Ensemble Prediction Systems). La parte pratica degli stage poi potrà essere focalizzata nel cimentarsi con uno dei problemi sopra descritti, eventualmente anche in ambito oceanografico, attraverso la realizzazione di simulazioni per casi significativi, che verranno scelti e discussi anche in base all’interesse specifico degli studenti.
Modalità di verifica apprendimento
Esposizione orale (circa 45 minuti) di un progetto su un tema proposto dallo studente, argomentato attraverso competenze e dati acquisiti durante il corso. L'esposizione può essere supportata da slide. La prova include anche domande (3-5) di approfondimento su alcuni degli argomenti specifici trattati o di carattere più generale sulle tematiche svolte nel corso, comunque connesse al progetto sviluppato.
La valutazione terrà conto della capacità dello studente di argomentare lo sviluppo del tema del progetto con chiarezza espositiva, rigore scientifico e padronanza della materia, e di motivare la scelta e la connessione logica degli argomenti esposti in relazione alle finalità del progetto sviluppato.
Programma del corso
Il corso è organizzato sostanzialmente in tre moduli, raggruppati secondo tematiche affini.
Il primo modulo (circa 16 ore di lezione) consiste in lezioni introduttive sull’atmosfera terrestre, trasporto radiativo e termodinamica, ed è organizzato in due parti. La prima introduce le ipotesi di formazione dell’atmosfera in relazione alla sua struttura media e ai principali processi che ne determinano la composizione. La seconda tratta gli elementi di base del trasporto radiativo e dei bilanci energetici alla base della struttura termica dell’atmosfera, richiamando anche gli elementi di termodinamica, già noti dai corsi propedeutici, soffermandosi quindi sui più rilevanti per la trattazione dei fenomeni atmosferici. Viene introdotta infine la ionosfera con i principali processi che la caratterizzano.
Il secondo modulo (circa 20 ore di lezione) consiste nella trattazione della fluidodinamica geofisica. Anche questo modulo è organizzato in due distinte parti, relative alla meccanica dei fluidi e ai fluidi rotanti e sistemi geofisici. Nella prima parte gli aspetti fondamentali della fluidodinamica di base sono riassunti in modo sintetico, come richiamo a quanto già trattato nei corsi propedeutici. Pur rimanendo in tali limiti, verrà curato l’approfondimento di alcuni dettagli peculiari della fisica dell’atmosfera, approfondendo in particolare gli aspetti legati alla transizione alla turbolenza, a partire dalla descrizione dei fluidi newtoniani mediante le equazioni di Navier-Stokes. Tali aspetti giocano un ruolo importante nella fluidodinamica geofisica, anche alla luce delle instabilità dei flussi idrodinamici e geofisici. In questo quadro verranno descritti gli esperimenti di Rayleigh-Benard e di Taylor-Couette, riprendendo tematiche di rilievo nell’ambito della Teoria dei Sistemi Dinamici, in particolare per quanto riguarda le vie di transizione al caos ed alla turbolenza.
La seconda parte ha l’obiettivo di fornire le nozioni fondamentali della dinamica dei fluidi rotanti e di utilizzarla per descrivere e spiegare sinteticamente, ma rigorosamente, la circolazione generale dell’atmosfera, mettendo anche in luce la relazione con l’analoga oceanografica, inquadrandone le differenti scale spazio-temporali mediante l’uso dell’analisi dimensionale delle equazioni fondamentali per i fluidi rotanti. Sarà evidenziato il ruolo fondamentale della vorticità, accennando anche al ruolo nella previsione numerica in meteorologia. La complessa sequenza di sistemi meteorologici alle varie scale, presenti all’interno della circolazione generale e con essa interagenti, verrà descritta sinteticamente facendo uso dei concetti legati alle instabilità dei flussi geofisici. In tale quadro saranno trattati lo strato limite e la turbolenza in atmosfera.
Il terzo modulo (circa 12 ore di lezione) tratta l’instabilità atmosferica e la fisica delle nubi. In quest'ultimo modulo vengono analizzati i principali meccanismi di formazione delle nubi e dei fenomeni di precipitazione ad essa connessi in relazione ai processi di instabilità atmosferica. Per le strutture di maggior interesse meteorologico vengono presentati i processi microfisici di formazione delle nubi (dal processo di nucleazione alla crescita delle varie tipologie di idrometeore e alle loro interazioni reciproche) e analizzati i modelli con cui descriverli. Infine vengono introdotti gli strumenti attuali di misura, sia da terra che da remoto, con cui si osservano tali processi e si quantificano i fenomeni ad essi connessi.
Sintesi degli argomenti trattati.
Introduzione all’origine e composizione dell’atmosfera: origine dell’atmosfera terrestre, composizione e struttura dell'atmosfera standard, bilancio dei principali componenti.
Trasporto radiativo e termodinamica dell’atmosfera: processi di assorbimento, emissione e scattering, bilanci di radiazione al suolo e in quota, struttura termica dell’atmosfera, cenni sui processi Ionosferici, richiami di termodinamica (aria secca e umida) e applicazioni al sistema atmosfera
Meccanica dei fluidi: richiami di cinematica dei sistemi continui, leggi di conservazione in atmosfera, tensore di deformazione e tensore degli sforzi, fluidi newtoniani, analisi dimensionale delle equazioni di Navier-Stokes: numeri di Reynolds e di Froude, viscosità e strato limite, instabilità idrodinamiche, vie di transizione al caos e turbolenza, modello di Salzmann-Lorenz ‘63 e suoi analoghi dinamici
Fluidi rotanti e sistemi geofisici: equazioni di Navier-Stokes in sistemi rotanti, forza di Coriolis e conservazione del momento angolare, equazioni per la vorticità, analisi adimensionale in sistemi rotanti: numeri di Rossby e di Ekman, teorema di Taylor-Proudman, circolazione generale dell’atmosfera
Instabilità atmosferica e fisica delle nubi: instabilità atmosferica e fenomenologia alle diverse scale, processi di formazione delle nubi e delle idrometeore, precipitazione liquida e solida, ruolo dell'aerosol atmosferico, cenni sugli strumenti di misura in meteorologia.