Roberto Sozzi (ARPA Lazio) Teodoro Georgiadis (CNR-IBIMET ...

1. INTRODUZIONE AL PLANETARY BOUNDARY LAYER.—————————————————————————————————————regolarizzatore del moto stesso. Alti valori di Re stanno a significare che l'azione destabilizzantedelle forzanti inerziali prevale sull'effetto regolarizzante dei termini viscosi.• la sua tridimensionalità: in Tennekes e Lumley (1972) è evidenziato come nel moto dei principalifluidi geofisici sono spesso evidenti perturbazioni bidimensionali che non sono turbolenti (unesempio è costituito dai cicloni). L'impronta della turbolenza è data quindi dalla presenza di struttureirregolari tridimensionali che ne costituiscono l'elemento distintivo.• è un fenomeno dissipativo: i flussi turbolenti sono sempre dissipativi. Gli sforzi viscosi compionolavoro di deformazione che aumenta l'energia interna del fluido a spese dell'energia cineticaposseduta dal fluido stesso. Pertanto, perché permanga, la turbolenza richiede una continuafornitura di energia per compensare le perdite dovute all'azione degli sforzi viscosi. Se cessa questafornitura di energia esterna, la turbolenza decade rapidamente.• è un fenomeno continuo: la turbolenza non è un fenomeno di tipo microscopico, ma macroscopicoed è quindi governato dalle leggi della Meccanica dei Fluidi. Questa affermazione potrebbesembrare una contraddizione con la prima delle caratteristiche elencate, tuttavia così non è. Comesarà più chiaro nel Cap.2, effettivamente è possibile presentare un apparato teorico che descrive ilmoto turbolento di un fluido impiegando le leggi della Meccanica dei Fluidi, tuttavia la presenza dinon linearità in tali leggi da un lato spiega l'apparente caoticità del moto turbolento e dall'altroevidenzia come un tale costrutto teorico non sia in grado di produrre un modello praticamenteutilizzabile. Pertanto il trattare la turbolenza come un fenomeno più o meno stocastico, più cheessere dettata da una necessità teorica, è dettata dalla disperazione nel trattare nella pratica motidi questo genere.Per quanto riguarda il PBL, se consideriamo la Fig.1.5, si può individuare in 10 3 m l'estensione tipicadel Boundary Layer. Con valori tipici di velocità del vento di 5÷10 m⋅s -1 è immediato stimare un Re dicirca 10 8 ÷10 9 , valore estremamente elevato che dovrebbe comportare un moto delle masse d'aria nelPBL di tipo turbolento, cosa confermata dalle osservazioni sperimentali. Un esempio significativo èpresentato in Fig.1.11 in cui è presentata l’evoluzione temporale delle tre componenti del vento rilevatia 10 m dal suolo con uno strumento a bassa inerzia.Ciò che incuriosisce immediatamente è l'estrema irregolarità delle misure, non dovuta a disturbiderivanti dall’apparato di misura, ma propria dell'aria del PBL. Le irregolarità si riscontrano su tutte lecomponenti del vento e ciò è un'impronta inequivocabile della tridimensionalità di un fenomenoturbolento. In quanto turbolento, il PBL non presenta, in condizioni nominalmente stazionarie, un campodi velocità veramente costante nel tempo, ma piuttosto un andamento irregolare, anche se noncompletamente casuale. La varietà di fluttuazioni di differenti periodi e ampiezze osservate nei treandamenti di Fig.1.11 illustrano la complicata struttura della turbolenza che è la responsabile dellaelevata capacità da parte di un fluido turbolento di trasferire quantità di moto e calore, di rimescolarespecie chimiche differenti e di propagare reazioni chimiche (in particolare la combustione).Da un punto di vista puramente teorico, il moto turbolento di un fluido reale come l’atmosfera è unesempio di un sistema meccanico non lineare con un enorme numero di gradi di libertà, che nonconsentono di giungere ad una definizione consistente del fenomeno. Spesso viene naturale pensare chetale complesso comportamento del fluido, nella realtà, sia il risultato della sovrapposizione di motidisordinati e difficilmente prevedibili ad un moto sostanzialmente regolare e prevedibile. Questa è inpratica l’ipotesi di Reynolds che, come vedremo nel seguito, separa il moto in due componentiprofondamente differenti: un andamento medio, regolare e prevedibile (valore medio),—————————————————————————————————————- 25 -