la micrometeorologia e la dispersione degli inquinanti ... - ARPA Lazio

LA MICROMETEOROLOGIA E LA CAPACITA’ DISPERDENTE DELL’ATMOSFERA
2.1.2.3 La fenomenologia della turbolenza del PBL
L'aria del PBL è un fluido viscoso in moto su una frontiera rigida e rugosa (il
suolo) e ciò comporta che la velocità media del fluido decresca con l’avvicinarsi al
suolo, fino ad annullarsi in corrispondenza di questa barriera rigida rispettando la
no-slip condition. Si produce quindi un gradiente nella velocità dell'aria (shear) tanto
più marcato quanto minore è la distanza dal suolo. Oltre a ciò, il moto dell’aria è
altamente turbolento, tranne che per un piccolo strato a contatto con il suolo ed
estremamente sottile (dell’ordine di v/U) in cui è sostanzialmente laminare. Nella
maggior parte del PBL quindi la turbolenza è presente con strutture più o meno
irregolari e tridimensionali normalmente indicate col termine di vortici (eddy).
L'osservazione del PBL ha evidenziato come le situazioni diurne con forte soleggiamento
differiscano profondamente da quelle notturne, anche se in entrambe è
presente la turbolenza, rappresentando di fatto due regimi completamente differenti.
Il primo caso prende normalmente il nome di situazione convettiva, mentre il
secondo caso viene normalmente indicato come situazione stabile.
2.1.2.3.1 Il PBL Convettivo
Dal punto di vista geometrico, il PBL è in una situazione del tutto simile ad altri
fluidi confinati da una frontiera rigida, come l’oceano per esempio. Ciò che rende
il PBL unico nelle situazioni convettive è che su di esso agisca una fonte di calore
ciclica. In effetti (Fig.2.7), alle medie e basse latitudini, il sole è una presenza diurna
costante con un suo ciclo giornaliero e stagionale. Senza entrare nel dettaglio, la
radiazione elettromagnetica emessa dal sole attraversa tutta l’atmosfera, perdendo
solo una parte della propria energia, e raggiunge il suolo dove subisce una riflessione
più o meno rilevante a seconda del tipo di suolo. L’atmosfera è quindi praticamente
trasparente alla radiazione solare e non riceve, se non in misura ridotta,
energia direttamente, mentre è il suolo che ne riceve la maggior parte e la restituisce
all'aria sovrastante, realizzando un efficiente trasferimento energetico. Infatti il
calore assorbito dal suolo viene reintrodotto con vari meccanismi all’interfaccia
suolo-atmosfera. L’atmosfera si trova quindi nelle condizioni di una enorme pentola
(generalmente animata da un moto di traslazione orizzontale) piena di aria posta al
di sopra di una intensa fonte di calore.
All’interfaccia suolo-atmosfera si stabiliscono due sorgenti di turbolenza completamente
differenti. La prima è di tipo meccanico, comune a tutti i fluidi viscosi in moto
su una superficie rigida e rugosa e che dà luogo a vortici di dimensione relativamente
limitata. La seconda è di tipo convettivo e quindi di origine termica, che produce
vortici (thermals) di dimensione decisamente maggiore sui quali agisce la forza
di Archimede dovuta alla differenza di densità dell’aria contenuta nei vortici rispetto
alla densità dell’aria circostante. La loro forza motrice è quindi il galleggiamento
(buoyancy) e le loro dimensioni sono ben maggiori di quelle di origine meccanica,
raggiungendo anche molte centinaia di metri.
Un possibile meccanismo per la loro formazione ed evoluzione è quello illustrato
in Fig.2.8. L'aria sopra superfici particolarmente calde si riscalda in maniera prevalente,
dando origine ad una bolla molto più calda dell'aria circostante, appiattita al
suolo (stadio 1) e che possiede un'instabilità interna che non si manifesta immediatamente,
ma solo dopo che la bolla ha catturato sufficiente calore. A questo
punto (stadio 2) essa inizia a contrarsi e ad assumere una forma sempre più sferica
finché inizia a staccarsi dal suolo ed ad iniziarsi entro il PBL, mossa dalla forza di
galleggiamento (stadio 3). Inizialmente la velocità di ascesa è elevata, tuttavia,
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