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

1. INTRODUZIONE AL PLANETARY BOUNDARY LAYER.—————————————————————————————————————del vento o dell'ordine di alcune ore (derivanti dai moti a mesoscala) o dell'ordine dei minuti e deisecondi (dovuti alla turbolenza). Non si notano variazioni con periodi intermedi. Tale fenomeno è deltutto generale ed è noto col termine spectral gap. In pratica, dalla Fig.1.23 lo spectral gap è moltoevidente ed è la valle tra i due picchi. Non era quindi arbitrario definire il PBL come quella porzionedi troposfera che risponde alle forzanti su una scala temporale dell'ordine dell'ora (Stull, 1989);implicito era il fatto che la turbolenza fosse la principale forza motrice agente nel PBL. Lo spectralgap è quindi un mezzo per separare le influenze turbolente sul PBL da quelle influenze che turbolentenon sono, molto più immediato e comprensibile della (1.72). E' interessante notare che, se si analizzasselo spettro del vento sopra il PBL, non si troverebbe lo spectral gap.1.3.2.2 Le scale della turbolenzaL'evidenza sperimentale ha ormai mostrato che il PBL, specialmente convettivo, è sede di vortici divarie dimensioni, da vortici dell'ordine del chilometro a vortici dell'ordine del millimetro. Nel 1926Richardson notò che i moti a scala più piccola hanno sempre origine dall'instabilità dei moti a scalamaggiore. Ha quindi origine un processo di energy cascade in cui i vortici di dimensioni maggiori siframmentano in vortici sempre più piccoli fino ad arrivare a dimensioni talmente limitate da dissiparetutta l'energia cinetica turbolenta disponibile in calore. Per quantificare un poco questi concetti, siimmagini di poter disporre di una fotografia spaziale della meteorologia in un dato istante (le misurefatte con gli aerei sono un esempio più o meno vicino a ciò). Se immaginiamo un'atmosfera omogenea,il coefficiente di correlazione spaziale più che dipendere da due punti distinti dello spazio, dipende dallaloro distanza r. Una misura della distanza entro cui il segnale resta correlato con sé stesso è lalunghezza integrale di scala L, definita come:∞∫0( r) R( )L = R 0 dr[1.109]Questa lunghezza di scala è interpretabile come la lunghezza caratteristica dei vortici dominanti.Essa caratterizza i vortici che trasportano la maggior parte dell'energia cinetica turbolenta edeterminano la maggior parte della turbolenza atmosferica. In linea di principio, tale lunghezza integraledi scala è tipica di ogni tipo di proprietà del flusso e, in generale, dipende dalla distanza dal suolo, dallastabilità, e dalla direzione adottata per il suo calcolo.Se E è l'energia cinetica turbolenta, ε la sua dissipazione turbolenta (pari alla variazione temporale di Edovuta agli effetti derivanti dalla viscosità; di essa si tratterà più estesamente nel seguito) e ν laviscosità cinematica, è possibile ottenere un’importante lunghezza di scala η, detta miscoscala diTaylor, così definita:( νEε ) 1 2η = [1.111]che indica la dimensione in corrispondenza della quale gli effetti viscosi diventano significativi.In un PBL convettivo con E pari a circa 2 m 2 ⋅s -2 , ν pari a 1.5⋅10 -5 ed ε dell’ordine di circa 3⋅10 -3 , η valecirca 0.1 m.Il PBL non è mai né omogeneo né isotropo, per la presenza del suolo su cui scorrono le masse d’aria.Tuttavia il PBL può essere considerato localmente omogeneo ed isotropo in piccole sottoregionidell'atmosfera abbastanza distanti dal suolo. Misure fatte hanno mostrato come tale supposizione siasoddisfatta dai vortici di piccole dimensioni che, a causa della loro ridotta dimensione, non riescono ad—————————————————————————————————————- 55 -