Catalogo dei Corsi di studio

Introduzione alla Fisica dell’atmosfera

Docenti: Siani A.M., S. Falasca

Modulo Siani (3 CFU)

Composizione dell’atmosfera e classificazione in base alla composizione chimica e grado di ionizzazione. Evoluzione Gas in traccia. Profili verticali della pressione, densità, temperatura. Equazione di stato per aria umida, temperatura virtuale, simboli sinottici dei parametri meteo.

DINAMICA atmosfera: Equazione idrostatica,  geopotenziale, altezza del geopotenziale, Equazione idrostatica usando il geopotenziale, Equazione ipsometrica, Riduzione della pressione al livello del mare.  Mappe in superficie e in quota. Configurazione bariche. Sistemi di Coordinate in Fisica dell’Atmosfera,  legge della conservazione della quantità di moto. Forza gradiente di pressione, Forza gravitazionale. Forza viscosa, Sistema di riferimento solidale con la terra, Forza centrifuga, gravità. Forza di Coriolis, equazioni primitive del moto nel sistema rotante. Approccio lagrangiano ed euleriano. Classificazione dei moti atmosferici. Analisi di scala. Applicazione alle componenti orizzontali e verticali del moto. metodo delle differenze centrate, applicazione al vento geostrofico, coordinate isobariche, vento geostrofico in coordinate isobariche. 

Equazione della continuità. Conservazione dell'energia. Equazioni primitive del moto, Approssimazione quasi statica.

TERMODINAMICA: Richiami di termodinamica classica. Mezzo continuo. Pacchetto d’aria. Temperatura potenziale. Lapse rate adiabatico secco. Stabilità verticale. Lapse rate atmosferico. Miscela aria vapore d’acqua: pressione parziale, mixing ratio, umidità specifica, temperatura virtuale. Misura dell’umidità. Aria satura: mixing ratio di saturazione, temperatura di rugiada, lapse rate adiabatico umido. Lifting condensation level. Temperatura potenziale equivalente. Diagrammi termodinamici: Stuve e Skew-T. Uso dei diagrammi per lo studio dei processi adiabatici atmosferici, della stabilità statica, delle inversioni di temperatura.

Modulo Falasca (3CFU)

BOUNDARY LAYER: Caratteristiche dello strato limite atmosferico e della turbolenza. Tecniche computazionali per la simulazione di moti turbolenti. Equazioni di Reynolds. Flussi turbolenti. Problemi di chiusura. Spirale di Ekman. Circolazione secondaria. Evoluzione giornaliera dello strato limite atmosferico. Venti locali. Cenni sulla dispersione atmosferica.

TRASFERIMENTO RADIATIVO: spettro elettromagnetico. Grandezze radiative. Teoria del corpo nero: leggi di Plank, Stefan-Boltzmann, Wien, Kirchhoff. Applicazione al bilancio energetico terrestre. Emissione solare e terrestre. Equilibrio radiativo. Effetto serra: modello singolo strato. Assorbimento ed emissione della radiazione: sezioni d’urto d’assorbimento, temperatura di brillanza. Scattering elastico: teoria di Rayleigh e di Mie, sezione d’urto di scattering, funzione di fase. Equazione generale del trasferimento radiativo. Approssimazioni: leggi di Beer-Lambert e Schwarzchild, atmosfera piano-parallela. Spessore ottico. Soluzione generale: coefficienti di assorbimento, emissione e scattering, albedo di singolo scattering. Cenni sulla fotochimica dell’ozono.

Modulo di base 

Ripasso dei concetti fondamentali sui parametri termoigrometrici (temperatura dell’aria; temperatura di rugiada, temperatura di brina, temperatura di bulbo bagnato, umidità specifica, umidità specifica di saturazione, umidità relativa).
Equazione di stato per l’aria secca ed umida. Proprietà termiche dell’acqua. L’equazione di Clausius Clapeyron. Processi adiabatici per aria secca e per aria satura. Stabilità dell’aria.  Inversione termica. Diagrammi termodinamici e loro utilizzazione. in ambiente esterno e interno .
Strumenti per la misura della temperatura aria e dell'umidità.
Analisi della stabilità dell'aria ambiente interno esterno.

Modulo di tecniche Avanzate

Statistica parametrica: la curva normale e la stima del valor medio e della deviazione standard. Il principio di massima verosimiglianza. Residui e momenti di una distribuzione normale: skewness e kurtosi. Popolazione e campione. Distribuzione normale standardizzata: significato di 1 sigma e 2 sigma Utilizzo di  un foglio di lavoro per individuare i principali descrittori statistici della statistica parametrica: media, varianza, deviazione standard, curtosi, skewness.
Statistica non parametrica: media, mediana e moda. Significato dei percentili: 25mo e 75mo percentile. Intervallo inter-quartile e suo utilizzo. Test del chiquadro per la normalità di una distribuzione. Metodo dei minimi quadrati. Regressione lineare.
Box-whisker plot e sua relazione con la distribuzione di Gauss. Confronto di mediane diverse attraverso i boxplot. Media aritmetica e media pesata. Media mobile: rilevare le fluttuazioni di una grandezza su scale temporali diverse. Cicli e trend. Frequenza cumulata. Le variazioni giornaliere di una grandezza (daily span). Diagramma a regressione tra daily span di temperatura e umidità relativa e suo significato in termini di derivata.

Determinazione clima storico secondo la Normativa EN 15757 2010, generalità classi di controllo ASHRAE.

Utilizzo foglio di lavoro per derivare le grandezze statistiche di interesse.

Introduzione all’uso del programma Surfer ed applicazione. 

Esercitazioni pratiche in ambiente confinato: misure di temperatura dell'aria e di grandezze igrometriche, analisi dei dati e discussione. 

Introduction of atmospheric physics applied to microclimate analysis and conservation. Atmospheric composition, atmospheric pressure and vertical profile. 
The Fundamental forces: the pressure gradient force, the gravitational force, the viscous force. Noninertial reference frame and the apparent forces. Scale analysis. The basic conservations laws in the Lagrangian and Eulerina frames: conservation of mass, momentum and energy. Geostrophic flow, the effect of the friction. Generality on atmospheric turbulence. Measuring wind and indoor motions: hot wire anemometry and sonic anemometer.
Air temperature, indoor temperature. The key moisture variables (mixing ratio of dry air and water vapor, absolute humidity, specific humidity, relative humidity). Wet bulb temperature and dew point temperature. The psichrometric chart. Air-surface intercations and environmental diagnostics.
Condensation of liquid water on the object surface. Time-of-Wetness. Micropore condesation. Kelvin equation.
The solar spectrum, attenuation of light in the atmosphere, daily and seasonal cycles of solar radiation on a surface, radiation emitted by Earth and its atmosphere. Radiative balance and energy balance at surface.
 Characterizing indoor conditions with descriptive statistical analysis of microclimate data on the basis of European Standards 
 

Modulo di base 

Ripasso dei concetti fondamentali sui parametri termoigrometrici (temperatura dell’aria; temperatura di rugiada, temperatura di brina, temperatura di bulbo bagnato, umidità specifica, umidità specifica di saturazione, umidità relativa).
Equazione di stato per l’aria secca ed umida. Proprietà termiche dell’acqua. L’equazione di Clausius Clapeyron. Processi adiabatici per aria secca e per aria satura. Stabilità dell’aria.  Inversione termica. Diagrammi termodinamici e loro utilizzazione. in ambiente esterno e interno .
Strumenti per la misura della temperatura aria e dell'umidità.
Analisi della stabilità dell'aria ambiente interno esterno.

Modulo di tecniche Avanzate

Statistica parametrica: la curva normale e la stima del valor medio e della deviazione standard. Il principio di massima verosimiglianza. Residui e momenti di una distribuzione normale: skewness e kurtosi. Popolazione e campione. Distribuzione normale standardizzata: significato di 1 sigma e 2 sigma Utilizzo di  un foglio di lavoro per individuare i principali descrittori statistici della statistica parametrica: media, varianza, deviazione standard, curtosi, skewness.
Statistica non parametrica: media, mediana e moda. Significato dei percentili: 25mo e 75mo percentile. Intervallo inter-quartile e suo utilizzo. Test del chiquadro per la normalità di una distribuzione. Metodo dei minimi quadrati. Regressione lineare.
Box-whisker plot e sua relazione con la distribuzione di Gauss. Confronto di mediane diverse attraverso i boxplot. Media aritmetica e media pesata. Media mobile: rilevare le fluttuazioni di una grandezza su scale temporali diverse. Cicli e trend. Frequenza cumulata. Le variazioni giornaliere di una grandezza (daily span). Diagramma a regressione tra daily span di temperatura e umidità relativa e suo significato in termini di derivata.

Determinazione clima storico secondo la Normativa EN 15757 2010, generalità classi di controllo ASHRAE.

Utilizzo foglio di lavoro per derivare le grandezze statistiche di interesse.

Introduzione all’uso del programma Surfer ed applicazione. 

Esercitazioni pratiche in ambiente confinato: misure di temperatura dell'aria e di grandezze igrometriche, analisi dei dati e discussione. 

Introduction to the Physics of Atmosphere

Siani A.M.-Falasca F.

Siani A.M. (3CFU)

INTRODUCTION and characteristics of the atmosphere (atmospheric composition, pressure and vertical temperature profile). Weather symbols and definitions.

ATMOSPHERIC CIRCULATION. Fundamental forces, Non inertial reference frames and “Apparent” Forces. Structure of the Static Atmosphere, geopotential height. Vertical coordinate systems. The Momentum Equation, the Continuity Equation, The Thermodynamic Energy Equation. Scale Analysis of the Equations applied to different atmospheric motions, in particular to mid-latitude synoptic systems. The hydrostatic approximation. Natural coordinates, Balanced flow: geostrophic wind and the effect of friction; gradient wind and cyclostrophic flow. Thickness and Temperature. Pressure tendency equation. Quasi-static approximation.

ATMOSPHERIC THERMODYNAMICS. Complements of thermodynamics: Gas laws of dry and moist air, virtual temperature, Thermodynamics of the Dry Atmosphere, adiabatic processes, potential temperature, the moisture parameters (mixing ratio, absolute humidity, specific humidity). Saturation vapour pressure and saturation moisture parameters (relative humidity, and dew point temperature). Saturated adiabatic and pseudo-adiabatic processes. Lifting Condensation Level. Dry and saturated adiabatic lapse rates. Static Stability for dry and moist air.

Falasca S. (3CFU)

BOUNDARY LAYER: Properties of the atmospheric boundary layer and turbulence. Computational techniques for the study of turbulent motions. Reynolds equations. Turbulent flows. Turbulent closure. Ekman spiral. Secondary circulation. Evolution of the atmospheric boundary layer. Local winds. Elements of the atmospheric dispersion.

ATMOSPHERIC RADIATION: electromagnetic spectrum. Basic radiometric quantities.  Blackbody radiation theory: Plank’s law, Stefan-Boltzmann law, Wien’s displacement law, Kirchhoff’s law. Application to the terrestrial energy balance. Solar and terrestrial emission. Radiative equilibrium. Greenhouse effect: single-layer model. Absorption and emission of radiation: absorption cross sections, brightness temperature. Elastic scattering: Rayleigh and Mie theory, scattering cross section, phase function. The equation of radiative transfer. Approximations: Beer-Lambert law and Schwarzchild’s equation, plane-parallel atmosphere. Optical thickness. General solution: absorption, emission and scattering coefficients, single scattering albedo. Elements of ozone photochemistry.