Incontro informativo

Termodinamica dell’atmosfera

PNLS 2012-13

15 giugno 2012

T López-Arias

HAMLET: Do you see yonder cloud that’s almost in shape of a camel?

POLONIUS: By the mass, and ’tis like a camel indeed.

HAMLET: Methinks it is like a weasel

POLONIUS: It is backed like a weasel

HAMLET: Or like a whale

POLONIUS: Very like a whale

Hamlet, William Shakespeare (1564-1616)

Protagoniste..le nuvole

Termodinamica

Espansione (e compressione)

adiabatica

Pressione e pressione di vapore

Atmosfera

Aria (gas ideale) e acqua (solida, liquida,

vapore)

Andamento della pressione e della

temperatura con la quota

Stabilità e instabilità dell’atmosfera

Come si spostano le masse d’ariaPressione e pressione di vapore

Pressione di vapore all’equilibrio

(curva di saturazione): come

dipende la pressione di vapore

dalla temperatura

Umidità e la sua misura

Circolazione atmosferica globale

Di cosa sono fatte (e come facciamo a saperlo)?

Le nuvole.. sono tutte uguali?

(quota, forma, colore)

(acqua, neve, ghiaccio, grandine)

Come si formano?

Che indicazioni ci possono dare per la previsione?

(convezione, avvezione, sollevamento, fronti..)

(cicloni, fronti, tornado..)

COLLEGAMENTI INTERDISCIPLINARI FISICA-SCIENZE

Fisica

dell’atmosfera

Matematica

Grafici, funzioni, scala logaritmica

Statistica e probabilità (previsione)

Chimica

Microfisica delle nuvole: gocce e superfici

Nuclei di condensazione: reazioni chimiche che

li producono

Nuclei idrosolubili o non-solubili: implicazioni

per la formazione della precipitazione

Fisica

moderna

La fornace del tempo/clima: il Soledell’atmosfera

Scienze

Classificazione delle specie (Linneus), teorie geologiche

(Lyell) e classificazione delle nuvole (Howard); FitzRoy e

Darwin

Vulcani e atmosfera (nuclei di condensazione, influenza

sul tempo e il clima)

Oceani e atmosfera (circolazione)

Le stagioni

Il tempo e la fisiologia umana

Interazione terra-oceani-atmosfera

Circolazione atmosferica e oceanica

Ruolo del vapore acqueo e della CO2

nel riscaldamento globale

Fluidodinamica

Altre atmosfere, altri climi

Fisica e clima

La fornace del tempo/clima: il Sole

Reazioni nucleari nel Sole

Lo spettro EM del Sole

COLLEGAMENTI INTERDISCIPLINARI CON ALTRE MATERIE

Fisica

dell’atmosfera

Storia & Geografia

Rivoluzioni, guerre e sviluppi tecnologici

La macchina a vapore e la rivoluzione industriale

Parafulmini, telegrafo, computer, satelliti, internet, GPS

L’importanza del tempo negli eventi storici (la guerra di Crimea,

l’eruzione del Krakatoa, il D-day, la “nuvola” di Chernobyl )

Arte

J. Constable, J.M.W.Turner, C.D.

Friedrich: scienza e arte

Il ruolo del pittore e del fotografo nella

scoperta scientifica

dell’atmosfera

Italiano,

letteratura

Lettura di testi scientifici originali, redazione di

articoli/schede scientifiche/relazioni di laboratorio

Il genere “scientifico”: lo stile di chi scrive di scienza

Scienziati e letteratura

Lingue antiche e

straniere

Goethe e Luke Howard: scienza e poesia

Il latino come lingua per classificare e ricordare

I. Termodinamica: le nuvole

Equilibrio aria-aqua

Studio dei processi adiabatici

Il vapore acqueo, l’umidità, la sua misura

Un personaggio: Luke Howard

II. Ottica: i colori

Fenomeni atmosferici ottici osservabili ad occhio nudo

Il colore del cielo o perchè il cielo è blu?

Rifrazione, riflessione, diffrazione, polarizzazione

Un personaggio: Horace-Bénédict de SaussureUn personaggio: Horace-Bénédict de Saussure

III. Elettromagnetismo: i fulmini

Fenomeni elettrici e magnetici in atmosfera

Equilibrio radiativo Terra-Atmosfera

Spettro elettromagnetico del Sole

Fulmini

Un personaggio: Benjamin Franklin

Per ogni modulo: la meteorologia

Le teorie dei “fronti”, la circolazione atmosferica

Un pò di storia: i primi calcoli numerici, le previsioni,

la nascita della meteorologia moderna

Personaggi: Von Neumann, Bjerknes, Rossby

Il bagaglio necessario

Principio zero della termodinamica, ovvero, il concetto di temperatura

Primo principio della termodinamica, ovvero, la conservazione dell’energia

Processi adiabatici

La pressione atmosferica, equazione barometricaLa pressione atmosferica, equazione barometrica

Il gas ideale (quando va bene questa approssimazione?) e il gas reale (tutti)

Processi termodinamici nell’atmosfera

ARIA

Gas reale e ideale

Temperatura critica

Leggi dei gas

VAPORE ACQUEO

Pressione di vapore, umidità

Calore latente di vaporizzazione

Punto di rugiada

Psicrometro

NUBI:

Compressioni ed espansioni adiabatiche

Gradiente adiabatico dell’aria e stabilità o

instabilità atmosferica

Il ruolo del calore latente di vaporizzazione

Conducibilità termica PRESSIONE Conducibilità termica

Formazione ed evoluzione delle nubiPRESSIONE

Pressione atmosferica

Equazione barometrica

Esperimenti “quantitativi”

(triennio)

• Misura della costante adiabatica dell’aria secca

• Verifica delle legge di Boyle (PV = K)

• Misura del calore latente di vaporizzazione• Misura del calore latente di vaporizzazione

• Misura della curva di saturazione dell’acqua

• Misura del raffreddamento di una massa d’acqua

Esperimenti “qualitativi” ma molto

illustrativi

• Misura del punto di rugiada

• Costruzione e uso di un psicrometro

• Conducibilità dell’acqua e ruolo del mezzo • Conducibilità dell’acqua e ruolo del mezzo

ambiente

Esperimenti “biennio”

• Le nuvole nella teiera

• La nebbia in una bottiglia

• La pioggia sul piatto

• La convezione in un tubo• La convezione in un tubo

• La pressione in una lattina

• La circolazione oceanica in una vasca

• La circolazione atmosferica in una pentola

• 5 incontri di 3 ore ciascuno

• 1 incontro con un fisico-previsore del Meteotrentino

• 1 incontro con un esperto sulla fisica del clima

• Visita guidata alla stazione meteorologica delle Laste

Schema del modulo formativo

• Visita guidata alla stazione meteorologica delle Laste

• Visita guidata alla sala previsori del Meteotrentino

• Programmazione congiunta Povo-docenti

• Preparazione curricolare preliminare degli studenti da parte

del docente

• Somministrazione agli studenti di un test preliminare sulle

loro conoscenze, prima di iniziare il percorso didattico PNLS

• 2 incontri con gli studenti a Povo

Schema della sperimentazione del

laboratorio con gli studenti

• 2 incontri con gli studenti a Povo

• Visita alla stazione radar del Monte Macaion (Bz)

• Intervento esperto esterno (fisico-previsore)

• Concorso fotografico per gli studenti: “Fisica tra le nuvole”

• Somministrazione agli studenti di un test in uscita alla

conclusione del percorso

• Incontro conclusivo con i docenti per la valutazione finale del

percorso didattico

Schema del laboratorio con gli studentiObbiettivi:

Comprensione del ruolo del profilo di pressione e di temperatura dell’atmosfera

nella formazione delle nuvole e nella circolazione atmosferica

Comprensione del ruolo del vapore acqueo negli scambi termici nell’atmosfera

Comprensione della differenza tra umidità assoluta e relativa

Comprensione del significato e delle condizioni perchè un processo reale possa

essere considerato adiabatico

Misura dell’umidità relativa: punto di rugiada e psicrometro, significato di questi

due processi

Prerequisiti:

La legge del gas ideale

I principi della termodinamica

Concetti di pressione e temperatura

Come “conciliare” la fisica e le scienze?

Durante il modulo

Da un punto di vista dei contenuti:

momenti “semplici” per i fisici e “difficili” per i docenti di scienze;

momenti condivisi, di scambio di competenze, nel trovare i collegamenti disciplinari

Da un punto di vista esperimentale:

Realizzazione degli esperimenti (quantitativi e qualitativi) in gruppi misti

Durante il percorso didattico:

Coordinamento docente fisica-docente scienze: non è necessario, ma può

aiutare; nel caso di un docente di scienze “solo”, supporto da Povo che, in

ogni caso c’è per tutti..

Scambio di competenze, ma anche di “entrata in classe”, per favorire la

gestione degli argomenti, la preparazione delle esperienze, l’integrazione

degli argomenti nel curriculum di entrambe le materie..

Coordinamento nella programmazione: temi congiunti, prove coordinate..

Compresenza dei docenti nei laboratori per gli studenti, tenuti a Povo

Come sfruttare il modulo sia nel biennio che

nel triennio?Gli esperimenti “quantitativi” richiedono delle competenze (laboratoriali,

matematiche e concettuali) di più alto livello, e sono da escludere nel biennio.

I risultati di questi esperimenti, tuttavia, possono essere sfruttati anche nel biennio

Un esempio: anche se non ricavo (nè sperimentalmente nè analiticamente) la curva

di saturazione dell’acqua, non conosco la funzione esponenziale, nè i logaritmi,

posso capire che la pressione di vapore alla saturazione dipende dalla temperatura

in un certo modo (lo accetto), e posso comprendere le implicazioni che questo ha in

certi processi (con l’aiuto di altri esperimenti). certi processi (con l’aiuto di altri esperimenti).

Un’altro esempio: posso imparare a usare un psicrometro, e ricavare il valore

dell’umidità relativa, facendo una misura semplice di temperatura e consultando una

tabella; posso discutere i risultati, e arrivare a capire la differenza tra umidità

assoluta e relativa, senza bisogno di capire che il psicrometro rappresenta un

processo isentalpico

Allo stesso modo, gli esperimenti “biennio”, qualitativi, rapidi, e facilmente attuabili

nella classe (senza bisogno di andare in laboratorio) non sono da escludere (anzi!)

nel triennio

Grazie!

A voi la parola..