Sfide scientifiche e tecnologiche della meteorologia moderna
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Progetto Nazionale Lauree Scientifiche (PLS)
Sfide scientifiche e tecnologiche
della meteorologia moderna
Prevedere il tempo nel più breve tempo: aspetti scientifici,
tecnologici e metodologici
della meteorologia
Dino Zardi
Professore di fisica dell’atmosfera e del clima,
Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica
Università degli studi di Trento
Composizione dell’atmosfera terrestre (fino a una quota di circa 100 km)
Simbolo Peso Contenuto
Componente Frazione delle Percentuale
chimico molecolare
molecole totali in massa
Azoto N2 28,016 0,78080 75,51%
Ossigeno O2 32,000 0,20950 23,14%
Argon A 39,940 0,00930 1,28%
Vapore acqueo * H 2O 18,016 0-0.04
Biossido di carbonio * CO2 44,010 325 ppm
Neon Ne 20,180 18 ppm
Elio He 4,000 5 ppm
Krypton Kr 83,700 1 ppm
Idrogeno H 2,020 .5 ppm
Ozono * O3 48,000 0-12 ppm
* Componenti soggetti a significativa variabilità spazio-temporale
3
Osservazione
Rispetto al Sole, l’atmosfera contiene quantità molto modeste di gas nobili.
• 1a ipotesi: la Terra si è formata attraverso un processo che non coinvolse gas
(ad es. per agglomerazione di particelle solide)
• 2a ipotesi: le componenti gassose dell’atmosfera primitiva si sono rapidamente
dileguate
E’ comunque molto probabile che la Terra non avesse inizialmente atmosfera
all’epoca della sua formazione (~ 4.5 109 anni fa).
⇓
L’atmosfera primordiale si è formata per progressiva espulsione di sostanze
volatili dal sottosuolo, principalmente nel corso delle eruzioni vulcaniche.
4
Le eruzioni vulcaniche
I gas che normalmente vengono emessi sono:
• 85 % Vapore acqueo (H2O)
• 10 % Biossido di carbonio (CO2)
• 5 % Azoto (N2), zolfo (S), biossido di zolfo (SO2), solfuro
d’idrogeno (H2S)
Manca ossigeno (O2) libero !
Per comprendere lo stato attuale dell’atmosfera occorre studiarne
l’evoluzione come componente di un sistema che comprende anche
• Idrosfera + Criosfera,
• Litosfera,
• Biosfera
5
Le componenti del sistema clima
?
Componenti (in grassetto), processi e interazioni (frecce), aspetti suscettibili di
cambiamenti (frecce in grassetto)
(Fonte: Panel Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici (IPCC), “Climate Change 2001”.
Distribuzione dell’idrosfera terrestre
Componente Massa (kg) %
Oceani 1.32 1021 97%
Ghiacci 3.26 1019 2,4%
Acque dolci sotterranee 8.16 1018 0,6%
Acque dolci superficiali (laghi, fiumi) 2.72 1017 0,02%
Atmosfera 1.36 1016 0,001%
TOTALE 1.36 1021 100%
(Fonte: H. H. Lamb, "Climate: present, past and future" Mathuen & Co. Ltd. London, p. 482.)
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L’atmosfera può contenere solo una piccola parte dell’acqua che viene emessa dalle
eruzioni:
NUBI → PRECIPITAZIONI → MASSE D’ACQUA
Tuttavia se si prende come stima del vapore acqueo emesso dai vulcani la somma
delle emissioni rilevabili nell’ultimo secolo, la massa dell’idrosfera risulta di due
ordini di grandezza inferiore rispetto al valore atteso.
Possibili spiegazioni:
1. Perdite sul fondo degli oceani, in corrispondenza delle faglie,
2. Fotodissociazione: 2H2O ⎯[~UV]→ 2H2↑ + O2↑
Radiazione ultravioletta (UV): 15 nm < λ < 400 nm
Radiazione visibile: 400 nm < λ < 800 nm
OSSERVAZIONE: il confronto con i pianeti prossimi: Venere e Marte.
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Origine dell’ossigeno atmosferico
1. Fotodissociazione: 2H2O ⎯[~UV]→ 2H2↑ + O2↑
2. Fotosintesi: H2O + CO2⎯[~Visibile]→ {CH2O} + O2↑
L’efficacia della 1. è materia controversa: dipende (a) dalla competizione con
altre reazioni che assorbono radiazione ultravioletta, (b) dalla rapidità con cui
vengono rimossi i prodotti (in particolare H2)
La 2. è legata a processi biologici in organismi vegetali.
CICLO VIRTUOSO:
1. Sviluppo di organismi che realizzano fotosintesi (ca. 2÷3 109 anni fa) →
arricchimento di ossigeno;
2. Sviluppo di ozono: 3O2 ⎯[~UV]→ 2O3↑ e formazione dell’ozonosfera;
3. Riduzione della componente UV nella radiazione al suolo;
4. Emersione e proliferazione delle forme vegetali → maggiore produzione O2 .
9
Nell’atmosfera è contenuto attualmente circa il 10% del quantitativo netto di
ossigeno prodotto dai vegetali in tutta la storia del pianeta.
La maggior parte dell’ossigeno prodotto si è fissato in ossidi (ad es. Fe 2O3) e
composti carbonati (CaCO3, MgCO3) nella crosta terrestre. In questi ultimi è
anche concentrata la maggior parte del biossido di carbonio emesso dai vulcani.
I carbonati si formano mediante reazioni di scambio ionico che si realizzano in
certi organismi marini: tra questi i più importanti sono i foraminiferi unicellulari.
Il biossido di carbonio disciolto forma una soluzione debole di acido carbonico:
H2O + CO2 ⎯→ H2CO3
Segue una serie di reazioni il cui risultato netto è:
H2CO3 + Ca++ ⎯→ CaCO3 + 2H+
10Il carbonato di calcio entra nei gusci di alcuni animali. Pare che i foraminiferi ed
altri animali, che producono carbonati, svolgano un ruolo importante nella
stabilizzazione dell’ossigeno in atmosfera, la cui concentrazione si è mantenuta
stabile per milioni di anni.
11Distribuzione del carbonio in prossimità della crosta terrestre
Quantità
Componente
relativa
Biosfera marina 1
non marina 1
Atmosfera (CO2) 70
Oceani (CO2 disciolto) 4'000
Cobustibili fossili 800
Scisti 800'000
Rocce carbonatiche 2'000'000
(Fonte: P. K. Weyl, “Oceanography”, John Wiley and Sons, New York, 1970)
12Distribuzione del carbonio in prossimità della crosta terrestre
La respirazione o la decomposizione di materiale organico ossidano di nuovo il
carbonio.
Su qualche decina di migliaia di molecole di carbonio “fotosintetizzate”, una
sfugge alla ri-ossidazione venendo “sepolta“ ovvero fossilizzata.
La maggior parte del carbonio non ossidato sulla terra è contenuta negli scisti,
mentre una quantità molto minore è conservata (in forma più concentrata) nei
combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturali).
Attualmente si consuma in un anno quanto la fotosintesi ha prodotto in circa un
migliaio di anni!
13Processi lenti e veloci nel ciclo del carbonio
Vi sono evidenze che mostrano una tendenza all’aumento del biossido di carbonio in atmosfera
CO2 concentrations (monthly averages) measured by continuous analysers over the period 1970 Fi gur e 2. 3 to 2005 from Mauna Loa, Hawaii (19°N, black) and Baring Head, New Zealand (41°S, blue). Due to the larger amount of terrestrial biosphere in the NH, seasonal cycles in CO2 are larger there than in the SH. In the lower right of the panel, atmospheric oxygen (O2) measurements from flask samples are shown from Alert, Canada (82°N, pink) and Cape Grim, Australia (41°S, cyan). The O2 concentration is measured as ‘per meg’ deviations in the O2/N2 ratio from an arbitrary reference, analogous to the ‘per mil’ unit typically used in stable isotope work, but where the ratio is multiplied by 106 instead of 103 because much smaller changes are measured.
Altri componenti dell’atmosfera
• Azoto (N2)
Mediante meccanismi analoghi a quelli visti in precedenza il 20% circa dell’azoto
emesso dai vulcani è entrato a far parte della crosta terrestre.
Specie chimicamente inerte, poco solubile in acqua ( 1/70 rispetto al biossido di
carbonio) è rimasto in buona parte in atmosfera, dove è la specie dominante.
Componente importante degli amminoacidi → proteine.
• Zolfo (S)
Lo zolfo e i suoi composti emessi dai vulcani (H2S, SO2) vengono rapidamente
ossidati per dare SO3 che si scioglie nelle gocce di pioggia e forma soluzioni diluite
di acido solforico (H2SO4).
17• Ozono (O3)
E’ una forma allotropica dell’ossigeno. Nelle condizioni di temperatura e pressione
che si riscontrano mediamente al suolo è instabile e decade in O3 ⎯→ O2 + O
Ha una vita media relativamente più lunga in uno strato compreso fra ca. 20 e 25
km di quota (ozonosfera).
Valor medio zonale
nel periodo
Gennaio-Febbraio
1979 del rapporto di
mescolamento di
ozono (isolinee) e
densità
(ombreggiatura: i
livelli corrispondono
al 20, 40 e 60% del
massimo) in
funzione della
latitudine e della
pressione
atmosferica (ossia
della quota). Dati
ottenuti dal Limb
Infrared Monitor
della Stratosfera
(LIMS) a bordo ella
sonda Nimbus-7. 18Il contenuto di ozono viene spesso quantificato in Unità Dobson:
http://www.atm.ch.cam.ac.uk/tour/dobson.html)
19Distribuzione del valor medio zonale della quantità colonnare di ozono in unità
Dobson in funzione della latitudine e del mese, sulla base di serie di misure
antecedenti il 1980 (London, 1980).
20• Vapore
acqueo
(H2O)
E’ la specie
aeriforme che
presenta la più
elevata
variabilità nello
spazio e nel
tempo. La
figura mostra la
distribuzione
globale
dell’abbondanza
colonnare di
vapore acqueo
o vapore
precipitabile
totale rilevato il
4 Marzo 1984
dalla Sonda
TIROS
21Distribuzione spaziale media del vapore acqueo
22Struttura dell’atmosfera media
Strumenti per sondaggi verticali dell’atmosfera
Rocketsonde
Radiosonda
Dropsonde
23Strumenti per telerilevamento dell’atmosfera
LIDAR SODAR
SATELLITEDove si trovano i dati dei radiosondaggi
http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.htmlRadiosondaggi in Italia
In Italia, le stazioni che effettuano il
radiosondaggio alle ore prestabilite Udine
(ovvero ogni 6 ore, e precisamente Milano
alle 00, 06, 12, 18 UTC), sono 7:
• Milano Linate (16080), S.Pietro Capofiume
• Udine Rivolto (16044),
• San Pietro Capofiume (BO),
Brindisi
• Pratica di Mare (16245), Pratica di Mare
• Cagliari Elmas (16560),
• Brindisi Casale (16320),
Cagliari
• Trapani Birgi (16429)
Trapani
tutte mantenute dalla Aeronautica
Militare Italiana, eccetto San Pietro
Capofiume (Servizio Meteorologico
Regionale dell’Emilia-Romagna).Esempio di radiosondaggio: dati
Esempio di radiosondaggio: diagrammi
RADIOSONDAGGIO MILANO 10 09 1998 18Z
30000
25000
Quota s. l. m. [m]
Temperatura
20000
Temperatura di rugiada
15000
10000 TROPOPAUSA
5000
0
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Temperatura [°C]RADIOSONDAGGIO MILANO 10 09 1998 18Z
4000
Temperatura
Temperatura di rugiada
Temperatura potenziale
3000
Quota s. l. m. [m]
2000
1000
0
0 10 20 30 40
Temperatura [°C]30
MESOSFERA
Si sovrappone alla parte inferiore della ionosfera. Si possono sviluppare moti verticali.
Nubi nottilucenti
TERMOSFERA
Si estende fino a quote di parecchie centinaia di chilometri. La temperatura oscilla fra
500 K e 2000 K a seconda dell’attività solare.
31Struttura dell’atmosfera media
32Profili verticali di
pressione in mb (---
) densità in g/m3
(—) e cammino
libero medio in m
(— - —) per la
estensione per gli
U.S. dell’Atmosfera
Standard
dell’Organizzazione
Internazionale
dell’Aviazione Civile
(ICAO)
3334
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