− 333.7Lf = C.L. di congelamentoL→S

333.7Lf = C.L. di fusioneS→L

2834.5 − 0.29 TLs = C.L. di sublimazioneS→V

− 2550.8 + 2.39 TLc = C.L. di condensazioneV→L

2550.8 − 2.39 TLe = C.L. di evaporazioneL→V

Valore (J/kg)Calore LatenteTransizione

Termodinamica dell’atmosfera umidaL’acqua è la componente atmosferica più variabile, presente in tutte e tre le fasi (solida, liquida, vapore), ed è uno dei principali fattori che controllano il tempo e il clima. La transizioni di fase

comportano lo scambio, con l’ambiente circostante, di calore latente.

Aria umida = Aria secca + Vapor d’acqua

Aria, acqua e vapore in equilibrio termodinamico

Si consideri un sistema chiuso con aria, vapore e acqua. Si hanno contemporaneamente evaporazione e condensazione. A regime, si raggiunge un equilibrio termodinamico in cui i tassi di evaporazione e condensazione si equivalgono: in tale condizione, l’aria è satura e contiene la quantità massima di vapore.

Mescolando aria secca e vapore aventi la stessa temperatura, densità e pressione (dette relative) si sommano.

vd

d ePPρρρ +=

+=Pressione

Densità

Aria umidaAria secca

Vapore

Umidità assoluta

TRPTRe

dd

vv

ρρ'=

=Equazione di stato per il vapore

Equazione di stato per l’aria secca

Rv = Costante del gas per il vapore = 461.5 J/kg°K

v

v

RRRR

622.0''61.1

==

( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

++=+=+=

dv

dvdvdvdvv RTRTRTRP

ρρρρρρρρρρ

/1/61.11'61.1''

( )qTRw

wTRP 61.01'1

61.11' +=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

++

= ρρEquazione di stato per l’aria umida

=−

==ePew

d

v 622.0ρρ

Rapporto di mescolamento ==ρρvq Umidità specifica

[g/m3]

[g/kg]

La tensione (pressione) di vapore a saturazione dipende dalla temperatura

Equazione di Clausius-Clapeyron 2TRLe

dTde

v

ss =

Umidità relativa

seeU 100= [%]

( ) ( )

KBPaA

TBATes

°×=

×=

−≈

1042.5 1053.2

/exp

3

11

Aria insatura

Aria satura o sovra-satura

Temperatura di rugiadaIl termometro per la misura della temperatura di rugiada sfrutta la definizione di questa grandezza, per cui l’umidità relativa alla temperatura di rugiada è del 100%. Pertanto, raffreddando con l’etere una massa d’aria non satura, il raggiungimento della temperatura di rugiada si nota quando sulla parete (di vetro) inizia a formarsi la “rugiada”.

Temperatura virtuale = Temperatura che l’aria secca dovrebbe avere per ottenere la stessa densità e pressione dell’aria umida w

wTTv ++

=1

61.11

Umidità relativaGli igrometri sono strumenti con i quali si determina direttamente una grandezza igrometrica dell’atmosfera, per esempio

l’umidità dell’atmosfera. Affinché gli igrometri forniscano l’umidità dell’aria senza essere influenzati dalla radiazione solare, vanno esposti nella capannina meteorologica.

L’igrometro a capelli si basa sulla proprietà che hanno i capelli, o anche alcune specie di setole, di variare la loro lunghezza al variare dell’umidità dell’aria. Generalmente, come elemento sensibile viene impiegato proprio un fascio di capelli. Previa taratura, gli igrometri a capelli misurano direttamente la frazione di saturazione, ossia l’umidità relativa. La lunghezza dei capelli aumenta con l’aumentare dell’umidità relativa e viceversa. La variazione di lunghezza è approssimativamente logaritmica. L’inerzia di un igrometro a capelli, accettabile per le condizioni di umidità e temperatura ordinarie, peggiora nettamente per valori estremi e, aumentando col diminuire della temperatura, diventa praticamente infinita a qualche decina di gradi sotto zero°C. La precisione di questi strumenti è inferiore rispetto a quella degli psicrometri.

Un igrometro a capelli dotato di un dispositivo di scrittura viene detto igrografo e serve per registrare l’andamento dell’umiditàrelativa dell’aria in funzione del tempo. E’ composto di un fascetto di capelli, un semplice sistema di amplificazione con una leva porta-pennina ed il tamburo registratore. Il fascetto di capelli è fissato con i suoi estremi A e B al sostegno e presenta un gomito in corrispondenza del gancetto a cui viene collegata la leva porta-pennina. Il fascetto viene mantenuto in tensione da un piccolo contrappeso. Generalmente, il fascetto di capelli viene disposto orizzontalmente, e protetto contro gli urti da una gabbietta.

Temperatura di bulbo bagnatoLo psicrometro è uno strumento col quale si determinano

direttamente la temperatura dell’aria (rilevandola con il termometro asciutto dello psicrometro) e la temperatura del bulbo bagnato (rilevandola con il termometro “bagnato” dello strumento) ed indirettamente la tensione del vapore acqueo presente nell’aria, la temperatura di rugiada e l’umidità relativa. Esso è composto di una coppia di termometri a mercurio in vetro, graduati al quinto di grado, disposti verticalmente ed affiancati l’uno all’altro su apposito sostegno. Il bulbo di ciascun termometro è circondato da una doppia guaina cilindrica metallica speculare con intercapedine ad aria; un aspiratore concarica a molla consente di sottoporre a ventilazione i bulbi conuna velocità del vento compresa tra 2.5 e 10 m/s. Uno dei bulbi è permanentemente rivestito da una calzetta, che al momento dell’osservazione viene bagnata con acqua distillata. Ne consegue che l’evaporazione dell’acqua della calzetta, accelerata dalla ventilazione, determina un abbassamento della temperatura indicata dal termometro bagnato, tanto più marcato quanto piùl’ambiente è favorevole all’evaporazione, ossia quanto più èsecco. L’abbassamento della temperatura cesserà allorché si verificherà la compensazione tra il calore sottratto al termometro per consentire l’evaporazione ed il calore che l’ambiente cede al bulbo del termometro stesso. Ciò si otterrà dopo alcuni minuti di funzionamento dell’aspiratore. Le formule per ottenere l’umiditàvariano in funzione delle caratteristiche dello psicrometro. Lo strumento viene normalmente impiegato nella capannina meteorologica. Tra i più noti, vi sono lo psicrometro di Assmanne quello di August.

Altri tipi di igrometriI dispositivi a semiconduttore sono sempre più utilizzati come sensori di umidità. I semiconduttori a stato solido cambiano la loro conducibilità elettrica in risposta alle variazioni di vapore acqueo.

I materiali a metallo nobile sono usati nei sensori, al posto del più diffuso ossido di alluminio o altri metalli instabili. Infatti, l’uso dei metalli nobili riduce l’isteresi e l’instabilità del sensore a livelli trascurabili sotto un determinato intervallo di temperatura, pressione, e umiditàstabilite dalla calibrazione del National Bureau of Standards’.

La struttura del sensore dielettrico è altamente porosa, per cui le molecole di vapore acqueo circolano liberamente in entrambe le direzioni, attraverso la superficie del sensore. Il movimento del vapore acqueo causa una ridistribuzione degli elettroni, così l’impedenza del sensore cambia in funzione della densità del vapore acqueo.

Le costanti di calibrazione di tutti i sensori di umidità, possono cambiare con il tempo. Mckay (McKay D.J., 1978) ha verificato che la maggior parte dei sensori di umidità devono essere ricalibrati quando sono sottoposti a condizioni estreme. E’ importante che l’operatore ricontrolli periodicamente la calibrazione di questi dispositivi utilizzando strumenti tradizionali (come lo psicrometro di Assmann).

Misure della velocità e della direzione del ventoGli strumenti che indicano la direzione del vento si dicono anemoscopi, e sono essenzialmente costituiti da una banderuola,

girevole attorno ad un asse verticale, collegata ad un apposito indice mobile su una scala. Una banderuola è costituita da metalli leggeri, cuscinetti a sfere, adatti lubrificanti, ed è bilanciata con opportuni contrappesi.

Per la determinazione della velocità del vento, si usano comunemente cinque tipi di anemometri.

Negli anemometri a rotazione la velocità del vento è dedotta dal movimento di rotazione di un mulinello a coppe mobili attorno ad un asse verticale. Questi strumenti sono relativamente semplici e poco costosi, e forniscono la velocità media del vento, ma a causa della loro inerzia non permettono la determinazione della velocità del vento con la precisione richiesta (1 nodo circa).

- Negli anemometri a coppelle fisse tre o quattro coppelle sono libere di ruotare attorno all’asse verticale. Numerosi esperimenti in galleria a vento hanno dimostrato che il sistema a 3 coppe è migliore rispetto a qualsiasi altro sistema avente più di tre coppe (ha una coppia maggiore per unità di peso e più uniforme attraverso ogni rotazione).

Nell’anemometro triassiale ad elica sono montate tre eliche di materiale molto leggero (in genere carbonio) lungo le tre direzioni degli assi coordinati o comunque lungo tre direzioni perpendicolari.

- Gli anemometri a pressione utilizzano il principio del tubo di Pitot (legge di Bernoulli). L’intensità del vento si valuta dalle pressioni dinamiche che il vento esercita su un corpo appropriato. Il fatto che esso abbia diversi organi delicati fa si che non sia molto diffuso (attualmente è soprattutto utilizzato in Inghilterra).

Negli anemometri a filo riscaldato l’intensità del vento viene valutata dalla perdita di calore che un conduttore riscaldato subisce quando è investito dal vento.

L’alloggiamento tipico degli anemometri è su un palo alto 10 m sul livello del suolo, su suolo erboso senza ostacoli in un raggio di 50-100 m attorno al palo.

Anemometri sonici

Un tipo particolare di anemometri è quello degli anemometri sonici, nei quali la velocità del vento viene dedotta dalla ricostruzione del vettore velocità di un’onda acustica in propagazione tra due trasduttori dei quali è nota la distanza, tramite la misura del tempo necessario all’onda per coprire la distanza tra i trasduttori.

Normalmente, gli anemometri sonici sono dotati di tre coppie di trasduttori orientati lungo tra direzioni diverse, dalle quali è possibile ottenere la misura del vettore velocità (e della temperatura sonica)

Scala Beaufort del ventoCodice Fenomeni M/s Nodi

0 Calma di vento fumo verticale 0 0

1 Bava di vento si muove il fumo ma non le foglie 0.8 2

2 Brezza leggera le foglie stormiscono 2.4 5

3 Brezza tesa si muovono i rametti 4.3 9

4 Brezza moderata si solleva la polvere 6.7 13

5 Brezza fresca si muovono i piccoli alberi, si increspano i laghi 9.3 19

6 Brezza forte i fili sibilano; gli ombrelli sono inutili 12.3 24

7 Burrasca leggera gli alberi si muovono, si cammina a fatica 15.5 30

8 Burrasca rottura di ramoscelli 18.9 37

9 Burrasca forte leggeri danni strutturali agli edifici 22.6 44

10 Tempesta alberi divelti, danni strutturali agli edifici 26.4 52

11 Tempesta violenta Danni ingenti a edifici e vegetazione 30.5 60

12 UraganoVisibilità ridotta da polvere e goccioline, mare bianco >32.7 >64

PRECIPITAZIONEMeccanismi principali coinvolti nella formazione delle precipitazioni

1. Aria umida in ascesa → diminuzione della sua pressione → raffreddamento2. Raggiungimento del limite di saturazione → condensazione del vapore, con

ulteriore disponibilità di energia per controbilanciare le tensioni superficiali all’interfaccia liquido/vapore delle gocce di condensa → formazione di nubi. Maggiore è la presenza di nuclei di condensazione (polveri, sali, ecc.), minore èl’energia addizionale richiesta.

3. La condensa, in forma di goccioline d’acqua o cristalli di ghiaccio, deve ‘crescere’fino a raggiungere dimensioni tali da vincere la spinta verso l’alto fornita dal moto ascensionale presente nella nube quindi precipitare al suolo.

The actual circulation

•Earth is NOT homogeneous:- variability of surface characteristics of oceansand continents

- orographic effects on winds and currents

•Inclination of earth roation axis seasonality

In the southern hemisphere the actual circulation is more similar to the ideal one

January

July

L

HITCZ-L

H

L

L

H

ITCZ-L

H

L

Pressure systems and winds•Semi-permanent pressure systems

(semi variable intensity and position):

- polar depressions

- extratropical anticyclones

- ITCZ (Inter Tropical Convergence Zone)

•They generate the following prevalent wind systems:

-High latitude (polar) winds, from NE in the Northern hemisphere

-Mid-latitude winds (westerlies), highly variable, located (in the N. e.) on the NW border of anticyclones (from SW direction)

-Low latitude winds (trade winds), persistent, located (in the N. e.) on the SE border of anticyclones (from NE direction)

Idealized mid-latitude surface flow

Cold Front Warm Front

Diametro Velocità di caduta (m/s)

Forma

GocciolinePioviggine 0.2 mm 0.8 Sferica

Pioggia leggera 0.5 mm 4.0 Sferica

Pioggia forte 5.0 mm 10.0 Variabileinstabile

Nube Goccioline 1 µm 10-4 Sferica

Gocce 10 µm 0.01 Sferica

Neve

Cristalli piccoli 0.2 mm 0.3 A prisma

Cristalli medi 5.0 mm 0.7 A stella

Fiocchi piccoli 1.0 mm 0.5 Irregolare

Fiocchi grossi 20.0 mm 1.0 Irregolare

Grandine

Graupeln 0.5 mm 0.5 Conica

Grandine leggera 5.0 mm 2.5 Conica

Grandine 3.0 mm 8.0 Sferica

Grandine gigante > 20.0 mm 20.0 Sfericairregolare

Esempi di velocità di caduta

Tipi di precipitazione•Pioviggine: precipitazione di piccole gocce d’acqua di diametro 0.2 – 0.5 mm, in genere provenienti da St o da nebbie

•Pioggia: precipitazione di gocce di diametro > 0.5 mm, provenienti da Ns o Cb o nubi medio-alte (hanno più tempo per crescere per collisione)

•Pioggia congelantesi: precipitazione di piccole gocce di pioggia generatesi in uno strato di aria relativamente mite ma poi divenute sopraffuse durante il transito in uno strato d’aria piùfreddo a T < 0 °C, che quindi congelano immediatamente sulla superficie fredda a T < 0 °C

•Neve: precipitazione di cristalli di ghiaccio singoli o conglobati in fiocchi; i cristalli hanno una struttura esagonale; i fiocchi hanno dimensioni maggiori per T ≅ 0 °C; a volte si formano palline di neve, di forma conica, per accrescimento e collisione di cristalli a T ≅ 0 °C, oppure anche granuli di neve (graupeln), simili a pioviggine ricongelata, o polvere di diamante(precipitazione derivante da sublimazione diretta del vapore acqueo atmosferico a T molto basse: può avvenire anche a cielo sereno)

•Palline di ghiaccio o nevischio: precipitazione di gocce gelate di diametro < 5 mm, derivanti dal ricongelamento di gocce di pioggia dopo aver percorso uno strato di aria fredda sufficientemente spesso; rimbalzano sul terreno

•Grandine: precipitazione di pezzi sferici o frastagliati di ghiaccio, con stratificazioni interne “a cipolla” di ghiaccio duro e morbido alternate, prodotti nei Cb; non si sciolgono anche a T relativamente alte perché sono grossi e cadono molto velocemente

MISURE DI PRECIPITAZIONELa misurazione delle precipitazioni consiste nella determinazione della quantità di acqua, espressa generalmente in altezza di acqua liquida, che – proveniente dall’atmosfera – cade in un determinato intervallo di tempo su un dato luogo. Se si tratta di precipitazioni solide, si valuta la quantità di acqua ottenuta dalla loro liquefazione.

A = Area della bocca di un recipiente (captatore, misure standard: 0.1 m2, 0.02 m2)V = Volume d’acqua raccolto nell’intervallo di tempo Dt

h = V/A = altezza di precipitazione (mm) nell’intervallo di tempo DtP = h/Dt = intensità media di precipitazione (mm/ora) nell’intervallo di tempo Dt

a) Pluviometro totalizzatore: Dt fissato (24 ore), si misura hb) Pluviometro registratore a vaschetta basculante: h fissato (0.2 mm), si misura Dt