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

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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 -
1. INTRODUZIONE AL PLANETARY BOUNDARY LAYER.—————————————————————————————————————sostanzialmente deterministico, e le fluttuazioni altamente irregolari e totalmente imprevedibili,praticamente di natura stocastica (fluttuazioni turbolente). A prima vista il termine fluttuante potrebbesembrare completamente casuale, tuttavia ad un esame più attento, esso suggerisce la presenza di unaqualche forma di regolarità. La ricerca micrometeorologica ha cercato spiegazioni di questo fatto ed hatentato, con successo, di usare proprio questo apparente rumore per trarre informazioni preziose sullostato e sulla estensione verticale del PBL.105u (m/s)0-5-1015v (m/s)105042w (m/s)0-2-40 360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 3240 3600tempo (s)Fig. 1.11: andamento temporale delle tre componenti del vento( frequenza di campionamento di1Hz, Città del Messico, 14 Settembre 1993)1.2.3 LA FENOMENOLOGIA DELLA TURBOLENZA DEL PBLL'aria del PBL, è un fluido viscoso che scorre sopra una frontiera rigida e rugosa (il suolo); ciòcomporta che la velocità media del fluido decresca quanto più ci si avvicina al suolo, fino ad annullarsiin corrispondenza di questa barriera rigida, rispettando la no-slip condition. Si produrrà quindi ungradiente nella velocità dell'aria (shear del vento), tanto più marcato quanto minore è la distanza dalsuolo. Oltre a ciò, il moto dell’aria è altamente turbolento, tranne che per un piccolo strato a contattocon il suolo ed estremamente sottile (dell’ordine di ν/U) in cui il moto del fluido è sostanzialmentelaminare. Nella maggior parte del PBL quindi la turbolenza è presente in forma più o meno accentuata,con strutture più o meno irregolari e tridimensionali che vengono normalmente indicate col terminevortici (eddy) che sicuramente hanno origine dall’interazione tra il suolo ed l'atmosfera e si propaganoverso l’alto. L'osservazione del PBL ha evidenziato che le situazioni diurne, caratterizzate da un fortesoleggiamento, differiscono profondamente da quelle notturne, anche se in entrambe è presente laturbolenza. Nel presentare la fenomenologia tipica del PBL separeremo nettamente questi due casi che—————————————————————————————————————- 26 -
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