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Oggetto:
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Fisica dell'atmosfera

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Physics of the Atmosphere

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Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN0835
Docente
Prof. Claudio Cassardo (Titolare del corso)
Corso di studi
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno
Periodo didattico
Primo periodo didattico
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto
Prerequisiti
I corsi di base di fisica del primo triennio della laurea triennale in fisica.
The basic courses of the first 3 years of the batchelor in Physics.
Propedeutico a
Meteorologia, Fisica dell'ambiente, e in generale a tutti i corsi di indirizzo.
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L’insegnamento intende fornire le basi fisico-matematiche che regolano il comportamento dell’atmosfera terrestre, ponendo l'accento sui fenomeni legati alla stabilità (anche dal punto di vista dell'inquinamento), sulle trasformazioni termodinamiche, sulle grandezze igrometriche, e sulla dinamica, evidenziando il diverso contributo delle forze coinvolte nella dinamica dell'atmosfera stessa. Una sezione a parte introduce l'analisi dimensionale e la teoria della similitudine.

The course is aimed to give the physical-mathematical bases which regulate the behavior of the terrestrial atmosphere, pointing out on the phenomena connected to the stability (also by the point of view of the pollution), on the thermodynamic transformations, on the hygrometric variables and on the dynamics, pointing out on the different contribution of the forces involved in the dynamics of the atmosphere. A special section introduces the dimensional analysis and the similarity theory.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Lo studente sarà in grado di comprendere i processi fisici che regolano la statica, la dinamica e la termodinamica dell'atmosfera, e di padroneggiare le principali equazioni su cui tali discipline si basano. Inoltre possiederà le necessarie basi fisico-matematiche indispensabili per affrontare con successo argomenti quali la meteorologia e lo studio della turbolenza nello strato limite.

The student will be able to understand the physical processes which regulate the statics, the dynamics and the thermodynamics of the atmosphere, and to manage the main equations on which such disciplines are based. The student will also possess the necessary physical-mathematical background indispensable to successfully face arguments like the meteorology or the study of the boundary layer turbulence.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Le modalità di verifica dell'apprendimento saranno effettuate mediante test scritti a domande aperte multiple.

The methods for learning verification will be carried out by means of written tests with multiple open questions.

Esame: è prevista una sola prova scritta, con 2 o 3 domande a risposta aperta. Exam: there will be a written examination, with 2 or 3 open questions.

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Attività di supporto

Visite a laboratori o altre postazioni sperimentali. Esecuzione di semplici applicazioni in aula.

Visits to laboratories or other experimental locations. Performing simple experiments in the classroom.

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Programma

Introduzione. Rappresentazione euleriana e lagrangiana. Formazione dell'atmosfera terrestre e sua evoluzione. Regioni atmosferiche. Forze agenti sull'atmosfera statica. Equilibrio idrostatico. Equazione di stato per l'aria secca. Equazione di stato per l'aria reale. Temperature convenzionali: la temperatura virtuale. Energia potenziale gravitazionale. Il geopotenziale. Formule barometriche e altezze di scala dell’atmosfera. Varie semplificazioni di atmosfera: omogenea, isoterma, politropica. Formula barometrica generale. Rappresentazioni in coordinate di pressione.
Altezze di scala. Coordinate isentropiche. Grandezze igrometriche. Trasformazioni termodinamiche. Trasformazioni cicliche. Processi isentropici. Primo principio della termodinamica per l'atmosfera.
Trasformazioni adiabatiche reversibili per aria non satura. Temperatura potenziale. Stabilità dell’atmosfera non satura. Prima legge della Termodinamica per i processi adiabatici saturi in atmosfera. Equazione di Clapeyron. Trasformazioni infinitesimali adiabatiche per aria satura.
Processi pseudo-adiabatici. Stabilità atmosferica per processi adiabatici saturi e non saturi. Temperature convenzionali. La stabilità atmosferica con il modello dello strato. Instabilità e stabilità convettive. Le principali forze reali nell’atmosfera in movimento. Le forze apparenti nell’atmosfera. Moto relativo rotatorio uniforme. Sistemi di riferimento non inerziali. Coordinate locali. Equazione vettoriale del moto sulla Terra rotante. Equazione del moto in coordinate polari. Approssimazione geostrofica. Approssimazione idrostatica. L’equazione di continuità. Equazione di conservazione dell’energia termodinamica. Analisi di scala delle equazioni di conservazione della quantità di moto, massa ed energia termodinamica, dell’equazione di continuità, dell’equazione dell’energia termodinamica. Equazioni della dinamica in coordinate isobariche.
Coordinate naturali. Flusso geostrofico. Flusso ciclostrofico. Vento di gradiente. Atmosfera baroclina e barotropica: il vento termico. La vorticità. La circolazione. Il teorema di Kelvin della circolazione.
L’equazione dinamica della vorticità. La vorticità potenziale. Legge di conservazione della vorticità potenziale. Equazione della componente verticale della vorticità e sua analisi di scala. Analisi dimensionale. Similarità dinamica e teoria della similitudine. I modelli fisici.
Dispersione e trasporto di inquinanti aeriformi. L’equazione di diffusione. Sorgenti a emissione istantanea (puff). Il caso dell’emissione piana. Il metodo delle “immagini”. La diffusione continua, o a “plume”. Lo Strato Limite Atmosferico. Il vento nello Strato Superficiale dell’atmosfera. Flussi turbolenti di calore, umidità e quantità di moto. Tipologie caratteristiche degli strati limite dell’atmosfera. Sviluppo dello strato convettivo diurno instabile. Sedimentazioni di polveri. La termoforesi. La diffusioforesi. Il flusso di Stefan.

Introduction. Eulerian and Lagrangian representation. Formation of the earth and its evolution. Atmospheric regions. Forces acting on the static atmosphere. Hydrostatic equilibrium. Equation of state for dry air. Equation of state for the actual air. Conventional temperatures: the virtual temperature. Gravitational potential energy. The geopotential. Barometric general formulations and scaling heights of the atmosphere. Various simplifications of atmosphere: homogeneous, isotherm, politropic. General barometric formula. Representations in pressure coordinates. Scale heights. Isentropic coordinates. Hygrometric variables. Thermodynamic transformations. Cyclical transformations. Isentropic processes. First principle of thermodynamics for the atmosphere. Reversible adiabatic transformations for saturated air. Potential temperature. Stability of the non-saturated atmosphere. First law of thermodynamics for adiabatic saturated processes in the atmosphere. Clapeyron equation. Infinitesimal adiabatic transformations for saturated air. Pseudo-adiabatic processes. Atmospheric stability for saturated and
not saturated adiabatic processes. Conventional temperatures. The atmospheric stability with the model of the layer. Convective instability and stability. The main real forces in the moving atmosphere. The apparent forces in the atmosphere. Uniform rotation relative motion. Reference systems non-inertial. Local coordinates. Vector equation of motion on the rotating Earth. Equation of motion in polar coordinates. Geostrophic approximation. Hydrostatic approximation. The equation of continuity. Equation of conservation of thermodynamic energy. Analysis of scale of the equations of conservation of momentum, mass and energy, thermodynamics, equation of continuity, equation of thermodynamics. Equations of dynamics in isobaric coordinates. Natural coordinates. Geostrophic flow.
Ciclostrophic flow. gradient Wind. Barocline and barotropic atmosphere: thermal wind. The vorticity. Circulation. The Kelvin theorem of the circulation. The dynamic equation of the vorticity. The potential vorticity. Law of conservation of the potential vorticity. Equation of the vertical component of the vorticity and its scale analysis. Dimensional analysis. Dynamic similarity and similarity theory. Physical models. Transport and dispersion of atmospheric pollutants. The diffusion equation. Sources with instantaneous emissions (puff). The case of the plane emission. The method of the "images". The continuous diffusion, or "plume". The Atmospheric boundary layer. The wind in the surface layers of
the atmosphere. Turbulent heat fluxes of heat, moisture and momentum. Characteristics types of boundary layers in the atmosphere. Development of the daytime unstable convective layer. Sedimentation of dusts. Thermophoresis. Diffusiophoresis. The Stefan flow.

Concetti fondamentali relativi all'atmosfera terrestre, alla fisica dei principali processi di interazione, e interpretazione dei relativi prodotti.

Basic properties of the Earth's atmosphere, the main physical processes of interaction and interpretation of related products.

Testi consigliati e bibliografia

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Oltre al materiale didattico su Campusnet:

• Arnaldo Longhetto (2009) - “Corso di Fisica dell’atmosfera, dell’ambiente e del clima terrestre”
• James R. Holton (2004) - "An Introduction to Dynamic Meteorology“ Elsevier Inc.
• Joseph Pedlosky (1979) - "Geophysical Fluid Dynamics“, Springer-Verlag

In addition to educational material on Campusnet:

• Arnaldo Longhetto (2009) - “Corso di Fisica dell’atmosfera, dell’ambiente e del clima terrestre”
• James R. Holton (2004) - "An Introduction to Dynamic Meteorology“ Elsevier Inc.
• Joseph Pedlosky (1979) - "Geophysical Fluid Dynamics“, Springer-Verlag


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Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata.

Per la gestione degli appelli (inclusi DATE e ORARI), si prega di non riferirsi a questo sito ma al sito ESSE3, ove saranno anche riportati gli esiti. La registrazione all'esame scritto è obbligatoria e si deve fare usando i servizi interattivi per gli studenti.

I risultati delle prove saranno riportati per consultazione su questo sito. Successivamente si provvederà alla registrazione su ESSE3.

No required propedeucity. Frequency is not mandatory, but strongly suggested.

For the exam management (inclusive of DATE and TIME), please do not refer to this site but to the site ESSE3, where the results will also be reported. The registration for the written exam is mandatory and must be done using the servizi interattivi per gli studenti.

The exam results will be reported on this site. Subsequently there will be the registration on ESSE3 portal.

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Ultimo aggiornamento: 16/04/2015 15:14