Materiale per il corso di: Modellistica dell'Atmosfera (L.M. Fisica)
Modelli Predittivi e Cambiamenti Climatici
(L.M. Biologia Ambientale) - A.A. 2012/13
Docente G. Redaelli (Gianluca.Redaelli@aquila.infn.it)
Orario Lezioni: Martedì 14.15-16.15; Giovedì 9.15-11.15 - AULA 1.1
Ricevimento del docente: Lunedì 14.00-16:00 su appuntamento
Testi di riferimento:
Jacobson M. Z., Fundamentals of Atmospheric Modeling, Cambridge University Press, 1999
Jacob D. J., Introdution to Atmospheric Chemistry, Princeton University Press, 1999
AA. VV., IPCC Third Assessment Report - Climate Change 2001 (disponibile online)
Calendario Lezioni
| 1 |
Ma 12 Marzo 14.15 |
Introduzione al corso. Definizione di modello numerico dell'atmosfera e diagramma dei principali processi simulati al suo interno. |
| 2 |
Gi 14 Marzo 9.15 | Fasi successive nello sviluppo di un modello atmosferico: scelta di processi di riferimento e variabili, analisi di scala, coordinate. Modelli atmosferici da 0 a 3 dimensioni. Approccio euleriano vs lagrangiano. |
| 3 |
Ma 19 Marzo 14.15 | Fasi successive nello sviluppo di un modello atmosferico: scelta dei metodi di integrazione, medie temporali e tecniche statistiche. Soluzione numerica delle equazioni alle differenziali: caratteristiche di ODE e PDE. |
| 4 |
Gi 21 Marzo 9.15 | Step e intervalli temporali. Separazione degli operatori. Soluzioni delle equazioni differenziali con approssimazione alle differenze finite. Criteri di convergenza, consistenza e stabilità. Errore di troncamento e ordine di approssimazione. |
| 5 |
Ma 26 Marzo 14.15 | Espansione in serie di Taylor. Approssimazione alle differenze finite (centrale, in avanti e all'indietro) della derivata prima. Derivata totale scritta in forma Euleriana e Lagrangiana. |
| 6 |
Gi 4 Aprile 9.15 | Operatore gradiente e scrittura della derivata totale in coordinate cartesiane. Equazione di continuità per un gas, nella formulazione per concentrazione o rapporto di mescolamento. Metodi numerici di integrazione delle equazioni differenziali alle differenze fininte: Eulero, Leap-Frog. |
| 7 |
Ma 9 Aprile 14.15 | Metodi numerici di integrazione delle equazioni differenziali alle differenze fininte: Runge-Kutta. Reazioni chimiche e fotochimiche in atmosfera: scrittura delle velocità di reazione. |
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Gi 11 Aprile 9.15 | Reazioni chimiche e fotochimiche in atmosfera: calcolo dei coefficienti di velocità e loro dipendenza da temperatura e pressione. |
| 9 |
Ma 16 Aprile 14.15 | Set di reazioni chimiche. Sistemi 'stiff'. Tempi di vita media. Caratteristiche generali dei sistemi ODE di equazioni chimiche e dei metodi per risolverli. |
| 10 |
Gi 18 Aprile 9.15 |
Metodi di soluzione espliciti per ODE chimiche: Serie di taylor ed Eulero Forward. |
| 11 |
Ma 23 Aprile 14.15 |
Linearizzazione delle ODE chimiche e metodi di soluzione impliciti:Eulero Backward, Simple Exponential e Quasi Steady State. |
| 12 | Ma 30 Aprile 14.15 |
Soluzione
delle ODE con il metodo delle 'famiglie chimiche'. Calcoli delle vite
medie, approssimazione allo statio stazionario ed esempio su Ox. |
| 13 |
Gi 2 Maggio 9.15 |
Famiglie chimiche: calcolo dei rapporti di partizione per set di reazioni unimolecolari e bimolecolari. |
| 14 |
Ma 7 Maggio 14.15 |
Chimica dell'ozono stratosferico: Ciclo di Champman e stima della distribuzione verticale. |
| 15 |
Gi 9 Maggio 9.15 |
Chimica dell'ozono stratosferico: distruzione mediante cicli catalitici (HOx, NOx, ClOx) |
| 16 |
Ma 14 Maggio 14.15 |
Il 'buco dell'ozono' antartico. Cause dinamiche e chimiche. Implicazione della chimica eterogenea sulle nubi stratosferiche polari. |
| 17 |
Gi 16 Maggio 9.15 |
Chimica dell'ozono troposferico:principali reazioni chimiche e budget totale di creazione e distruzione |
| 18 |
Ma 21 Maggio 14.15 |
Chimica dell'ozono troposferico:cicli chimici di produzione in aree inquinate |
| 19 |
Gi 23 Maggio 9.15 |
Chimica dell'ozono troposferico: stima della dipendenza della rate di produzione dalle concentrazioni di NOx e RH per lo sviluppo di strategie di controllo |
| 20 |
Ma 28 Maggio 14.15 |
Il "Sistema Climatico e le sue componenti. I clicli bio-geo-chimici. |
| 21 |
Gi 30 Maggio 9.15 |
Ciclo del carbonio ed acidificazione degli oceani. |
| 22 |
Ma 4 Giugno 14.15 |
Modelli Energy Balance. Approccio zero-dimensionale e calcolo della "Temperatura Effettiva" |
| 23 |
Gi 6 Giugno 9.15 |
Il bilancio radiativo della Terra. Effetto Serra e forzante radiativo. Sensibilità climatica. |
| 24 |
Ma 11 Giugno 14.15 |
Modelli Energy Balance. Approccio mono-dimensionale con calcolo del flusso meridionale di energia termica. |
| 25 |
Gi 13 Giugno 9.15 |
Esercitazione
Numerica su Modelli Energy Balance. Risposta della temperatura media
superficiale alla variazione di parametri notevoli. |
Indicazioni specifiche su dove sono trattati gli argomenti nei testi di riferimento:
- Lezioni 1-3 (Introduzione ai modelli): FAM (Fond. Atm. Mod) 1, 21.1.0-21.1.5
- Lezione 3 (Caratteristiche generali ODE): FAM 6.1-6.2
- Lezioni 4-6 (Differenze finite e metodi numerici per l'integrazione): FAM 6.4.0-6.4.2
- Lezione 4 (Gli studenti di fisica interessati possono trovare approfondimenti sulla scrittura dell'eq. di continuità per un gas in FAM 3.1-3.3)
- Lezioni 7-9 (Cinetica chimica): FAM 11.2-11.6
- Lezioni 9-11 (Set di reazioni chimiche e metodi numerici di soluzione): FAM 13.1-13.6
- Lezioni 12-13 (Famiglie chimiche): FAM 13.9
- Lezioni 14-19 (Chimica dell'Ozono stratosferico e troposferico): IAC (Intr. Atm. Chem.) 10-12
- Lezioni 20-21 (Cicli bio-geo-chimici. Ciclo del carbonio): IAC 6
- Lezioni 20-22 (Il sistema climatico.Il bilancio energetico della Terra): IPCC 2001 Cap 1 [scarica] - (L'intero Report è disponibile presso lo stesso sito per chi fosse interessato ad approfondimenti specifici)
- Lezione 23 (Bilancio radiativo ed effetto serra) IAC 7