Atmosfera e Termodinamica
Meteorologia – Lezione 22 | Corso PPL NIBBIO IV
L'Atmosfera
L'atmosfera è una miscela di gas che circonda il nostro pianeta e, accompagnando la Terra nel moto di rotazione, ne subisce gli effetti sia della gravità che dell'orografia.
- Lo spessore dell'atmosfera è molto sottile rispetto al raggio della Terra.
- Metà della massa atmosferica si trova nei primi 5 km dalla superficie.
- La densità (rapporto tra la massa e il volume) decresce abbastanza rapidamente con l'altezza.
Composizione dell'Atmosfera
| Elemento | Simbolo | Frazione |
|---|---|---|
| Azoto | N2 | 78% |
| Ossigeno | O2 | ~21% |
| Argon | Ar | ~1% |
| Vapore acqueo | H2O | 0–5% |
| Anidride carbonica | CO2 | 338 ppm |
| Ozono | O3 | 0–0,1 ppm |
| Idrogeno/Elio | H2He | Tracce |
Nota: La percentuale di vapore acqueo (H2O) varia tra 0% e 5% a seconda delle condizioni locali – è il componente più variabile e fondamentale per i fenomeni meteorologici.
Termodinamica
La termodinamica descrive i fenomeni termici e la loro relazione con i fenomeni meccanici. In generale, studia i fenomeni termici in relazione ad altre forme di energia.
Un sistema termodinamico è descritto dalle variabili:
| Variabile | Simbolo | Descrizione |
|---|---|---|
| Pressione | P | Forza per unità di superficie (hPa, Pa) |
| Temperatura | T | Grado di agitazione termica delle molecole (K, °C) |
| Densità | ρ | Massa per unità di volume (kg/m³) |
| Volume | V | Spazio occupato dal sistema (m³) |
Stati della Materia
| Stato | Caratteristica | Esempio in atmosfera |
|---|---|---|
| Solido | Forma e volume propri; molecole in posizioni fisse | Ghiaccio, grandine |
| Liquido | Volume proprio, forma del contenitore; molecole libere di scorrere | Gocce d'acqua, pioggia |
| Gas | Né forma né volume propri; molecole molto distanziate | Vapore acqueo, aria |
Trasformazioni Termodinamiche
Il passaggio da uno stato all'altro avviene attraverso trasformazioni termodinamiche. Le trasformazioni particolari sono:
| Trasformazione | Grandezza costante | Rilevanza per il volo |
|---|---|---|
| Isoterma | Temperatura T | Espansione/compressione a T costante |
| Isobara | Pressione P | Aria che si riscalda a pressione costante |
| Isocora | Volume V | Riscaldamento in spazio chiuso |
| Adiabatica | Nessuno scambio di calore | Fondamentale per moti verticali dell'aria |
Adiabatica – fondamentale per la meteorologia: quando una massa d'aria sale senza scambiare calore con l'esterno, si espande e si raffredda (adiabatica secca: ~1°C/100 m). Questo determina instabilità, formazione di nubi e precipitazioni.
Gas Perfetto
Un gas perfetto è un gas ideale le cui molecole hanno volume trascurabile e non interagiscono tra loro se non con urti elastici. L'aria per semplicità viene trattata come un gas perfetto.
| Simbolo | Significato | Valore/Unità |
|---|---|---|
| P | Pressione | Pa (Pascal) |
| V | Volume | m³ |
| n | Numero di moli | mol |
| R | Costante universale dei gas perfetti | 8,31 J K¹ mol¹ |
| T | Temperatura assoluta | Kelvin (K = °C + 273) |
Conseguenza pratica (PV=nRT):
- Un gas che sale in atmosfera: la pressione diminuisce → il volume aumenta (espansione) → la temperatura diminuisce.
- Un gas che scende in atmosfera: la pressione aumenta → il volume diminuisce (compressione) → la temperatura aumenta.
Calore ed Energia
Calore e lavoro sono le forme di energia che un sistema può scambiare con l'ambiente senza trasferimento di materia; gli scambi di calore sono la causa che innesca la dinamica atmosferica.
- Il calore Q è l'energia trasferita da un corpo più caldo a uno più freddo in conseguenza di un gradiente di temperatura.
- La capacità di cambiare temperatura in seguito a uno scambio di calore si chiama capacità termica di un corpo.
- Più grande è la capacità termica, minore sarà la variazione di temperatura per una data quantità di calore ricevuta (es. terra vs. oceano).
Applicazione aviazione: La diversa capacità termica di terra e mare spiega le brezze (mare/terra), i temporali pomeridiani sulle zone continentali e la convezione termica usata per lo studio della stabilità atmosferica.