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Oggetto:
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Processi Atmosferici ed inquinamento

Oggetto:

Atmospheric processes and pollution

Oggetto:

Anno accademico 2020/2021

Codice dell'attività didattica
FIS0151
Docenti
Prof. Silvia Ferrarese (Titolare del corso)
Dott. Silvia Trini Castelli (Titolare del corso)
Corso di studi
008510-101 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica Nucleare e Subnucleare e Biomedica
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico e delle Tecnologie Avanzate
Anno
2° anno
Periodo didattico
Primo periodo didattico
Tipologia
C=Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/06 - fisica per il sistema terra e per il mezzo circumterrestre
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
E' consigliato l'aver seguito il corso di Fisica dell' Atmosfera.
The attendance of the course in Physics of the Atmosphere is recommended
Propedeutico a
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Conoscenza dei principali processi fisici dello strato limite atmosferico, dei processi turbolenti e dispersivi che lo caratterizzano e che determinano l’inquinamento atmosferico. Conoscenza delle caratteristiche dell’inquinamento atmosferico. Conoscenza della modellistica atmosferica.

Knowledge of the main physical phenomena governing the atmospheric boundary layer, of the turbulent and dispersive processes characterizing it and determining the atmospheric pollution. Knowledge of the atmospheric pollutions characteristics. Knowledge of the atmospheric modelling approaches.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

 Conoscenza e capacita' di comprensione (knowledge and understanding):

Conoscenza dei principali processi fisici nello strato limite atmosferico
 
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione  (applying knowledge  and understanding):

Capacita' di interpretazione di misure e output modellistici nello strato limite planetario

Knowledge and understanding:

Main physical processes in the atmoapheric boundary layer

Applying knowledge  and understanding:

Ability in analysing mesures and model output in the atmospheric boundary layer.

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Modalità di insegnamento

Durante l'anno accademico 20-21 le lezioni sono in presenza, le registrazioni delle lezioni sono disponibili su moodle e le slide sono disponibili su campusnet

During academic year 20-21 lectures are in classroom,  lecture recordings are available on moodle and slides are available on campusnet

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Orale

Oral examination

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Attività di supporto

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Programma

  

PROCESSI ATMOSFERICI

RADIAZIONE: Descrizione dei fenomeni radiativi nell’atmosfera terrestre: Principali leggi della radiazione: di Planck, di Wien, di Stefan-Boltzmann, assorbivita', reflettivita', trasmissivita', radianza ed irradianza - Legge di Beer. Radiazione solare:costante solare, calcolo della posizione del sole, spettro solare, radiazione diretta e diffusa. Radiazione terrestre: spettro di emissione, bilancio radiativo, effetto serra. Radiazione netta

VAPORE: Il vapore nell’atmosfera terrestre. Le leggi fondamentali, l’umidità dell’aria

FLUSSI DI ENERGIA ALLA SUPERFICIE: Descrizione del bilancio energetico alla superficie terrestre. Flussi di calore misurati e parametrizzati in diverse condizioni di suolo (nudo, vegetato, umido, ghiacciato, oceano).

STABILITA' ATMOSFERICA. Descrizione delle diverse condizioni di stratificazione dell’atmosfera, definizione delle diverse classi stabilità che le caratterizzano e introduzione delle grandezze atmosferiche che le definiscono: Lapse rate adiabatico secco e umido; Temperatura potenziale; Frequenza di Brunt-Vaisala; Stabilità statica e dinamica dell'atmosfera secca, umida  e satura; Instabilita' di Kelvin-Helmholtz e Turbolenza in aria chiara; Numero di Richardson. 

TURBOLENZA. Introduzione alla turbolenza atmosferica, ai processi e alle leggi che la determinano, alle grandezze che la descrivono: Flussi laminari e turbolenti; Spettro della turbolenza; Turbolenza meccanica e termica; Stress di Reynolds; Equazioni del flusso turbolento e loro semplificazioni; Energia cinetica turbolenta, sua equazione di bilancio e problema della chiusura; Relazione tra stabilità atmosferica e energia cinetica turbolenta.

STRATO SUPERFICIALE. Descrizione delle caratteristiche dello strato atmosferico alla superficie e introduzione alla teoria della similarità di Monin-Obukhov, dei parametri e delle quantità che lo definiscono: Profilo logaritmico della velocità del vento; Lunghezza di scala di Obukhov; Velocità di attrito, altezza di rugosità; Teoria K di flusso gradiente e lunghezza di mescolamento.

STRATO LIMITE PLANETARIO (PBL): Descrizione dei processi turbolenti e dispersivi che caratterizzano lo strato limite atmosferico; Ciclo giornaliero e definizione dell’altezza di strato limite; Funzioni di similarità nel PBL; Condizioni di stratificazione e stabilità: strato rimescolato, residuo e notturno; dinamica della dispersione di traccianti nello strato limite e nelle diverse condizioni di stabilità atmosferica.

INQUINAMENTO ATMOSFERICO. Definizione di ‘inquinante atmosferico’ e descrizione dei diversi inquinanti atmosferici, gas e aerosol, e delle loro caratteristiche, densità e concentrazione, sorgenti di inquinamento e loro tipologie; processi di emissione, dispersione (trasporto e diffusione), deposizione secca e umida, trasformazione e rimozione in atmosfera degli inquinanti; concetti e metodi per lo studio dell’impatto ambientale e degli effetti sulla salute.

APPROCCIO MODELLISTICO E STRUMENTI DI MISURA

LA MODELLISTICA. Introduzione a modellistica fisica e modellistica numerica. Descrizione dei modelli atmosferici: Equazioni di conservazione; Parametrizzazioni di turbolenza, strato superficiale e strato limite, radiazione, microfisica. Approcci modellistici RANS e LES. Modellistica della dispersione e della qualità dell’aria, dal modello Gaussiano ai modelli Euleriani e Lagrangiani. Sistemi modellistici meteo-dispersivi. Applicazione dei modelli numerici, dalla scala sinottica alla scala urbana: Studio della circolazione e della dispersione; Valutazione dell’impatto ambientale; Previsioni e valutazione della qualità dell’aria. Esempi ed esperienze.

GLI STRUMENTI DI MISURA Principali strumenti di misura delle grandezze meteorologiche. Radiometri, igrometri, termometri, anemometri, polverimentri. Strumenti di tipo tradizionale ed avanzato per misure di turbolenza nello strato limite planetario.

ATMOSPHERIC PROCESSES

RADIATION: Description of the radiative phenomena in the Earth atmosphere: Basic black body radiation laws: Plank, Wien, Stefan-Boltzmann, absorptivity, reflectivity, transmissivity, radiance and irradiance, Beer's law. Solar radiation: Solar constant, calculation of the Sun position, solar spectrum, direct and diffuse radiation. Terrestrial radiation: emission spectrum, radiative budget, greenhouse effect. Radiative flux energy budget.

VAPOR: Vapor in the Earth atmosphere. Basic laws, humidity.

ENERGY BUDGETS AT THE SURFACE: Description of the energy budget at the surface. Measure and parametrization of the energy fluxes at different kinds of surfaces (bare, vegetated, humid, glacier, ocean).

ATMOSPHERIC STABILITY: Description of the different stratification conditions of the atmosphere, definition of the different stability classes and introduction of the atmospheric quantities involved in stratification description: Dry and humid adiabatic lapse rate; Potential temperature; Brunt-Vaisala frequency; Static  and dynamic stability of dry, moist, and saturated atmosphere; Kelvin-Helmholtz instability and clear air turbulence (CAT); Richardson number.

TURBULENCE : Introduction of the atmospheric turbulence: processes, laws and physical quantities: Laminar and turbulent flows; Turbulence spectrum; Mechanic and thermal turbulence; Reynolds stress, Equations of the turbulent flux and their simplifications; Turbulent kinetic energy and its equation budget; turbulence closure problem, relation between atmospheric stability and turbulent kinetic energy.

SURFACE LAYER: Description of the atmospheric layer at the surface and introduction to the Monin-Obukhov similarity theory and its parameters and quantities. Log-wind profile; the Obukhov scale length, friction velocity, roughness lengths, K-theory of the gradient flux and mixing length.

PLANETARY BOUNDARY LAYER (PBL): Description of the turbulent and dispersive processes in the atmospheric boundary layer. Diurnal cycle and definition of the boundary layer height; Similarity functions in PBL, Conditions of stratification and stability, mixed layer, residual and nocturnal, dynamics of tracer dispersion in the boundary layer and in the different conditions of atmospheric stability.

ATMOSPHERIC POLLUTION: Definition of ‘atmospheric pollutant’, description of the different pollutants in atmosphere, gas and aerosol, density and concentration, sources. Emission processes, dispersion (transport and diffusion), humid and dry deposition, transformation and removal in atmosphere, concepts and methods for the environmental impact and effects on health.

MODELS AND INSTRUMENTS

MODELS: Introduction to physical modeling and numerical modeling. Description of atmospheric models: Conservation equations; Turbulence parametrizations, surface and boundary layer, radiation, microphysics. RANS and LES modeling approaches. Air dispersion and quality modeling, from the Gaussian model to the Eulerian and Lagrangian models. Weather-dispersive modeling systems. Application of numerical models, from the synoptic to the urban scale: Study of circulation and dispersion; Environmental impact assessment; Forecast and evaluation of air quality. Examples and experiences.

MEASUREMENT INSTRUMENTS Main instruments for measuring meteorological quantities. Radiometers, hygrometers, thermometers, anemometers, dust testers. Traditional and advanced instruments for turbulence measurements in the planetary boundary layer

 

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Arya: Introduction to Micrometeorology (2001), Academic Press.

Camuffo:  Microclimate for Cultural Heritage (2019), Elsevier.

Curry - Webster: Thermodynamics of Atmospheres & Oceans (1999), Academic Press

Foken: Micrometeorology (2016), Springer

Garratt : The Atmospheric Boundary Layer (1994), Cambridge University Press.

Jacob D.J.: Introduction to Atmospheric Chemistry (1999), Princeton University Press.

Jacobson M.Z.: Fundamentals of Atmospheric Modelling (2005), Cambridge University Press.

Kaimal J.C. and Finnigan J.J: Atmospheric Boundary Layer Flows (1994) Oxford University Press.

Markowski P., Richardson Y.:Mesoscale Meteorology in Midlatitudes (2010), Wiley-Blackwell

Montheith - Unsworth : Principles of Environmental Physics (2015), Academic press.

Moreira D. and Vilhena M. Eds: Air Pollution and Turbulence: Modeling and Applications (2010). CRC Press Taylor & Francis Group

Sorbjan Z.: Structure of the Atmospheric Boundary Layer (1989). Prentice Hall Publisher, USA.

Stull : An Introduction to Boundary Layer Meteorology (1989), Kluwer Academic Press.

Stull R.B.: Practical Meteorology: An Algebra-based Survey of Atmospheric Science (2017) -version 1.02b.  Univ. of British Columbia.  940 pages.  isbn 978-0-88865-283-6.

Wallace J.M., Hobbs P.V., 2006: Atmospheric Science, Elsevier, 484 pp.

Wingaard J.C.: Turbulence in the Atmosphere (2010). Cambridge University Press.

Arya: Introduction to Micrometeorology (2001), Academic Press.

Camuffo:  Microclimate for Cultural Heritage (2019), Elsevier.

Curry - Webster: Thermodynamics of Atmospheres & Oceans (1999), Academic Press

Foken: Micrometeorology (2016), Springer

Garratt : The Atmospheric Boundary Layer (1994), Cambridge University Press.

Jacob D.J.: Introduction to Atmospheric Chemistry (1999), Princeton University Press.

Jacobson M.Z.: Fundamentals of Atmospheric Modelling (2005), Cambridge University Press.

Kaimal J.C. and Finnigan J.J: Atmospheric Boundary Layer Flows (1994) Oxford University Press.

Markowski P., Richardson Y.:Mesoscale Meteorology in Midlatitudes (2010), Wiley-Blackwell

Montheith - Unsworth : Principles of Environmental Physics (2015), Academic press.

Moreira D. and Vilhena M. Eds: Air Pollution and Turbulence: Modeling and Applications (2010). CRC Press Taylor & Francis Group

Sorbjan Z.: Structure of the Atmospheric Boundary Layer (1989). Prentice Hall Publisher, USA.

Stull : An Introduction to Boundary Layer Meteorology (1989), Kluwer Academic Press.

Stull R.B.: Practical Meteorology: An Algebra-based Survey of Atmospheric Science (2017) -version 1.02b.  Univ. of British Columbia.  940 pages.  isbn 978-0-88865-283-6 .

Wallace J.M., Hobbs P.V., 2006: Atmospheric Science, Elsevier, 484 pp.

Wingaard J.C.: Turbulence in the Atmosphere (2010). Cambridge University Press.



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Orario lezioni

GiorniOreAula
Mercoledì14:00 - 16:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Giovedì11:00 - 13:00Aula Avogadro Dipartimento di Fisica
Venerdì11:00 - 13:00Aula C Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 22/09/2020 al 20/11/2029

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Note

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Ultimo aggiornamento: 29/09/2020 13:37