Ondata di “freddo” e global warming: due facce della stessa medaglia

[andrea.corigliano]

Lo studio della termodinamica prima o poi ci serve a qualcosa, eh?

Eh... già!
Come sai, se poi ci metti anche la passione fai bingo! Senza passione, alle 2 di notte vuoi solo andare a dormire e non metterti a scrivere ste cavolate...

Oddio cosa ho dettoooo!!!!

[zi pacciano]

Ti rispondo facendo un discorso, spero il più esaustivo possibile, per coprire tutte e tre le domande.

Come dicevo, tutto si basa sul primo principio della termodinamica: dE = dU + dL
Significa, in pratica, che se l’aumento delle concentrazioni dei gas serra portano ad un incremento dell’energia che rimane intrappolata in atmosfera perché c’è più radiazione infrarossa che viene rinviata alla Terra da parte dei gas, allora questa energia può essere utilizzata in due modi:
1) per incrementare l’energia interna del sistema (sarebbe dU)
2) per compiere del lavoro (dL)

L’energia interna del sistema è l’energia che deriva dal moto delle molecole. Supponendo che una molecola abbia massa “m” e velocità “v”, la sua energia cinetica è data semplicemente da

U = 1/2 mv2

da cui si deduce che l’energia del sistema non sarà altro che la somma di tutti i contributi delle energie cinetiche di tutte le molecole. Se quindi aumenta l’energia U, è facile intuire che l’unico parametro che può modificarsi in questa formula è la velocità, visto che la massa si deve conservare. Per semplificare ulteriormente il problema, supponiamo ora che le molecole che costituiscono l’aria siano costituite da un solo atomo che possiamo identificare come un punto materiale nello spazio. Affinché questo punto possa essere individuato, c’è bisogno di tre coordinate che forniscano la sua posizione rispetto ad una terna di assi x, y e z. Per questo motivo, si dice allora che l’atomo possiede tre gradi di libertà e infatti la formula dell’energia cinetica si può scomporre nelle tre componenti del vettore di velocità “v” con cui l’atomo si muove. Possiamo quindi scrivere:

U = 1/2 m(vx)2 + 1/2 m(vy)2 + 1/2 m(vz)2

dove (vx), (vy) e (vz) indicano le tre componenti del vettore velocità lungo i tre assi. A questo punto, per il teorema dell’equipartizione dell’energia, bisogna sapere che ad ogni grado di libertà della molecola corrisponde a 1/2 kT di energia termica. Se i gradi di libertà sono tre, allora l’energia termica sarà data da 3/2 kT, dove k è la costante di Boltzman e T e la temperatura: da qui si deduce, allora, che se aumenta l’energia interna del sistema aumenta la sua temperatura. Il discorso è molto più complesso, perché bisogna tener conto che le molecole dei gas serra sono poliatomiche e quindi sono diversi i moti a cui possono andare incontro. Il concetto basilare però è quello che ho appena spiegato.

La restante energia viene utilizzata per produrre lavoro dL. Nel caso di un recipiente chiuso da un pistone si può pensare ad un lavoro si espansione del gas che finisce per sollevare il pistone stesso. Se proiettiamo questo modo di vedere le cose anche in atmosfera, possiamo paragonare il tutto, ad esempio, ad un’avvezione calda o fredda che sposta una cupola anticiclonica verso nord o una saccatura verso sud (la cupola e la saccatura sarebbero il pistone). Quindi questa energia trasformata in lavoro dL, sarebbe proprio la benzina che darebbe un’ulteriore apporto energetico sia ad un anticiclone africano per portare verso l’Italia intense ondate di calore e sia a una saccatura polare per portare una goccia fredda a imperversare su di noi.

Quanto al Mar Mediterraneo, il nostro bacino è concausa di amplificazione di quanto proviene dall’esterno di esso, perché allo scontro delle masse d’aria che avviene alle nostre latitudini si somma l’effetto dell’orografia e il fatto che, mediamente, le nostre acque sono più calde di 4 °C di quelle del vicino Atlantico. In questo caso, quindi, si tratta di amplificazione di fenomeni legati più a circolazioni cicloniche e non anticicloniche. Lo stallo anticiclonico che, purtroppo, sembra interessarci spesso tra l’autunno e l’inverno non dipende dal Mediterraneo, semmai da quel dL di cui ho parlato prima. Solo che qui, il concetto di espansione del pistone che ho fatto prima deve essere visto proprio come l’espansione della cella di Hadley verso nord.

Spero di essere stato sufficientemente chiaro

Grazie!
Complimenti..ci arricchisci di cultura meteo

[inocs]

Ti rispondo facendo un discorso, spero il più esaustivo possibile, per coprire tutte e tre le domande.

Come dicevo, tutto si basa sul primo principio della termodinamica: dE = dU + dL
Significa, in pratica, che se l’aumento delle concentrazioni dei gas serra portano ad un incremento dell’energia che rimane intrappolata in atmosfera perché c’è più radiazione infrarossa che viene rinviata alla Terra da parte dei gas, allora questa energia può essere utilizzata in due modi:
1) per incrementare l’energia interna del sistema (sarebbe dU)
2) per compiere del lavoro (dL)

L’energia interna del sistema è l’energia che deriva dal moto delle molecole. Supponendo che una molecola abbia massa “m” e velocità “v”, la sua energia cinetica è data semplicemente da

U = 1/2 mv2

da cui si deduce che l’energia del sistema non sarà altro che la somma di tutti i contributi delle energie cinetiche di tutte le molecole. Se quindi aumenta l’energia U, è facile intuire che l’unico parametro che può modificarsi in questa formula è la velocità, visto che la massa si deve conservare. Per semplificare ulteriormente il problema, supponiamo ora che le molecole che costituiscono l’aria siano costituite da un solo atomo che possiamo identificare come un punto materiale nello spazio. Affinché questo punto possa essere individuato, c’è bisogno di tre coordinate che forniscano la sua posizione rispetto ad una terna di assi x, y e z. Per questo motivo, si dice allora che l’atomo possiede tre gradi di libertà e infatti la formula dell’energia cinetica si può scomporre nelle tre componenti del vettore di velocità “v” con cui l’atomo si muove. Possiamo quindi scrivere:

U = 1/2 m(vx)2 + 1/2 m(vy)2 + 1/2 m(vz)2

dove (vx), (vy) e (vz) indicano le tre componenti del vettore velocità lungo i tre assi. A questo punto, per il teorema dell’equipartizione dell’energia, bisogna sapere che ad ogni grado di libertà della molecola corrisponde a 1/2 kT di energia termica. Se i gradi di libertà sono tre, allora l’energia termica sarà data da 3/2 kT, dove k è la costante di Boltzman e T e la temperatura: da qui si deduce, allora, che se aumenta l’energia interna del sistema aumenta la sua temperatura. Il discorso è molto più complesso, perché bisogna tener conto che le molecole dei gas serra sono poliatomiche e quindi sono diversi i moti a cui possono andare incontro. Il concetto basilare però è quello che ho appena spiegato.

La restante energia viene utilizzata per produrre lavoro dL. Nel caso di un recipiente chiuso da un pistone si può pensare ad un lavoro si espansione del gas che finisce per sollevare il pistone stesso. Se proiettiamo questo modo di vedere le cose anche in atmosfera, possiamo paragonare il tutto, ad esempio, ad un’avvezione calda o fredda che sposta una cupola anticiclonica verso nord o una saccatura verso sud (la cupola e la saccatura sarebbero il pistone). Quindi questa energia trasformata in lavoro dL, sarebbe proprio la benzina che darebbe un’ulteriore apporto energetico sia ad un anticiclone africano per portare verso l’Italia intense ondate di calore e sia a una saccatura polare per portare una goccia fredda a imperversare su di noi.

Quanto al Mar Mediterraneo, il nostro bacino è concausa di amplificazione di quanto proviene dall’esterno di esso, perché allo scontro delle masse d’aria che avviene alle nostre latitudini si somma l’effetto dell’orografia e il fatto che, mediamente, le nostre acque sono più calde di 4 °C di quelle del vicino Atlantico. In questo caso, quindi, si tratta di amplificazione di fenomeni legati più a circolazioni cicloniche e non anticicloniche. Lo stallo anticiclonico che, purtroppo, sembra interessarci spesso tra l’autunno e l’inverno non dipende dal Mediterraneo, semmai da quel dL di cui ho parlato prima. Solo che qui, il concetto di espansione del pistone che ho fatto prima deve essere visto proprio come l’espansione della cella di Hadley verso nord.

Spero di essere stato sufficientemente chiaro

Grandissimo Andrea, davvero

[cut-off]

............Queste estremizzazioni possono essere viste come una corda di un violino che, una volta pizzicata, comincia a vibrare. Se aumento la pressione per pizzicare la corda, allora le vibrazioni aumentano ma senza arrivare ad ampiezze infinite: raggiunta la massima elasticità la corda si rompe e il violino non si può più suonare (nuovo stato di equilibrio). Allo stesso modo il nostro sistema climatico: in realtà non conosciamo quale sia il suo grado di elasticità e fino a quando lo scambio meridiano può andare avanti. Se per caso dovessimo arrivare a rompere questa soglia critica, ci troveremmo anche in questo caso in una nuova situazione di equilibrio del sistema strettamente correlata a forzanti interne che innescherebbero feedback negativi o positivi. Su chi vincerà, bisognerà vedere il peso di ogni singola componente in un verso e nell'altro. Visto la complessità del nostro sistema, è molto difficile dirlo a priori.

Bello il paragone! Qualcosa mi dice che è il caso di augurarsi che l'elasticità del sistema non sia già al limite, sempre meglio un violino suonato un po' brutalmente che uno rotto.
Come dici giustamente non possiamo sapere adesso "chi vincerà", ma il rischio che questo nuovo livello di equilibrio non sia in linea con le nostre esigenze temo non sia affatto basso!

[matmet]

C'entra poco con questa discussione, ma pongo la domanda qui ugualmente.
Un uragano (faccio questo esmpio per la quantità di energia che alimenta il sistema) di fatto trasforma energia termica in lavoro? E' un fenomeno che contribuisce a dissipare energia termica?

Il concetto di dissipazione di energia mi è francamente un po' ostico, tra l'altro normalmente si fa riferimento alla dissipazione di energia come alla conversione di un energia "nobile" in calore, ma in questo caso penso ad un fenomeno che si alimenta di energia termica e può trasformarla in lavoro ad esempio spostando metri cubi di acqua nel tropical surge (sta solo aumentando l'energia potenziale dell'acqua spostata?) o spezzando rami o altro. E' un caso di dissipazione di energia? L'energia dissipata di fatto ha contribuito all'aumento dell'entropia?

Scusate le molte domande, ma sarei grato a chiunque riuscisse a chiarirmi anche solo un po' le idee.



Matteo

[andrea.corigliano]

C'entra poco con questa discussione, ma pongo la domanda qui ugualmente.
Un uragano (faccio questo esmpio per la quantità di energia che alimenta il sistema) di fatto trasforma energia termica in lavoro? E' un fenomeno che contribuisce a dissipare energia termica?

Il concetto di dissipazione di energia mi è francamente un po' ostico, tra l'altro normalmente si fa riferimento alla dissipazione di energia come alla conversione di un energia "nobile" in calore, ma in questo caso penso ad un fenomeno che si alimenta di energia termica e può trasformarla in lavoro ad esempio spostando metri cubi di acqua nel tropical surge (sta solo aumentando l'energia potenziale dell'acqua spostata?) o spezzando rami o altro. E' un caso di dissipazione di energia? L'energia dissipata di fatto ha contribuito all'aumento dell'entropia?

Scusate le molte domande, ma sarei grato a chiunque riuscisse a chiarirmi anche solo un po' le idee.



Matteo

Proviamo a rispondere…
L’uragano è l’esempio calzante di una macchina termica. Per capirne il funzionamento dal punto di vista prettamente energetico, è necessario, anche in questo caso, andare a scomodare la termodinamica e il suo secondo principio. Prima, però, ti invito a guardare questa illustrazione

macchina_uragano.JPG

Il secondo principio della termodinamica dice che “è impossibile attivare un processo il cui unico risultato sia quello di trasformare in lavoro il calore sottratto da un’unica sorgente”. Nel funzionamento della macchina termica (illustrazione a sinistra) si assorbe una quantità di calore da una sorgente a temperatura alta, si fa del lavoro meccanico e si cede del calore ad un serbatoio avente temperatura più bassa. Come si può intuire, la macchina che lavora deve avere un rendimento, che è definito come il rapporto tra il lavoro complessivo eseguito e il calore assorbito dalla sorgente calda. Per essere più chiari, si può pensare al rendimento come al rapporto tra “ciò che si ottiene” (lavoro meccanico) e “ciò con cui si paga” (calore sottratto alla sorgente calda). Questo risultato fa vedere che una macchina termica ha rendimento pari al 100% solo se non viene ceduto calore al serbatoio freddo. Ma questo è impossibile, perché violerebbe proprio il secondo principio il cui enunciato è stato appena scritto sopra. Se quindi una quantità di calore viene prelevata da una sorgente calda, parte di questa energia deve essere utilizzata per compiere del lavoro meccanico e parte deve essere ceduta al serbatoio più freddo.

La stessa identica cosa succede per l’uragano (illustrazione a destra). Viene prelevato calore da una sorgente calda quale è il mare e questo calore viene utilizzato per fare anche in questo caso del lavoro meccanico, ovvero per produrre piogge torrenziali e venti forti. Parte del calore prelevato dal mare deve essere anche ceduto alla sorgente fredda, che in questo caso è l’atmosfera. Ma come avviene questo processo? Sappiamo che le forti correnti ascendenti che accompagnano l’uragano trasportano ingenti quantitativi di umidità e sappiamo altrettanto che la condensazione dell’umidità libera calore latente: ecco il cedimento di energia termica al serbatoio più freddo!

In sintesi, il lavoro che viene svolto dall’uragano è quello di prelevare una quantità di calore dal mare e trasformarla in eventi atmosferici dissipando proprio l’energia termica immagazzinata dalle acque oceaniche. Ma perché ciò accada, un’altra quantità di calore deve essere ceduta all’atmosfera sotto forma di calore latente di condensazione, altrimenti l'uragano non si potrebbe formare in quando verrebbe violato proprio il secondo principio della termodinamica.



PS: devo confessare che sono meravigliato e felice allo stesso tempo. Non credevo questo interesse per la fisica! Buono a sapersi...

[matmet]

Grazie Andrea!

[stellon]

in teoria quanto dici (in modo bellissimo come sempre) non fa una piega.

Però secondo me ci dobbiamo sempre confrontare con i dati.

Il 3d che allego rappresenta solo un piccolo esempio di dati, ma che (con mio stupore) non testimonia affatto alla tendenza alla estremizzazione del clima

ciao

http://forum.meteogiornale.it/showthread.php?t=38996

[daverose240573]

Ti dirò Andrea, che sono da sempre stato abituato a mettere fenomenologie del tipo:
-neve a 800 m (in Veneto) il 2 Giugno 2006
-3 tornadi del 9 Luglio 2007 (in pp) e neve a 1700 m (prealpi vicentine) il giorno dopo
-i violenti temporali del 2 Gennaio 2007 (basso vicentino)
... eccc ecc... nel calderone del global warming.
Sulle T lascio il ragionamento agli altri.
E' sufficiente tener sempre conto dei "bilanci energetici" in gioco, per percepire questa continua mancanza di equilibri... ops... questo continuo sviluppo di nuovi equilibri volevo dire...
Davide V

[Burian&Rodan]

Proviamo a rispondere…
L’uragano è l’esempio calzante di una macchina termica. Per capirne il funzionamento dal punto di vista prettamente energetico, è necessario, anche in questo caso, andare a scomodare la termodinamica e il suo secondo principio. Prima, però, ti invito a guardare questa illustrazione

Il secondo principio della termodinamica dice che “è impossibile attivare un processo il cui unico risultato sia quello di trasformare in lavoro il calore sottratto da un’unica sorgente”. Nel funzionamento della macchina termica (illustrazione a sinistra) si assorbe una quantità di calore da una sorgente a temperatura alta, si fa del lavoro meccanico e si cede del calore ad un serbatoio avente temperatura più bassa. Come si può intuire, la macchina che lavora deve avere un rendimento, che è definito come il rapporto tra il lavoro complessivo eseguito e il calore assorbito dalla sorgente calda. Per essere più chiari, si può pensare al rendimento come al rapporto tra “ciò che si ottiene” (lavoro meccanico) e “ciò con cui si paga” (calore sottratto alla sorgente calda). Questo risultato fa vedere che una macchina termica ha rendimento pari al 100% solo se non viene ceduto calore al serbatoio freddo. Ma questo è impossibile, perché violerebbe proprio il secondo principio il cui enunciato è stato appena scritto sopra. Se quindi una quantità di calore viene prelevata da una sorgente calda, parte di questa energia deve essere utilizzata per compiere del lavoro meccanico e parte deve essere ceduta al serbatoio più freddo.

La stessa identica cosa succede per l’uragano (illustrazione a destra). Viene prelevato calore da una sorgente calda quale è il mare e questo calore viene utilizzato per fare anche in questo caso del lavoro meccanico, ovvero per produrre piogge torrenziali e venti forti. Parte del calore prelevato dal mare deve essere anche ceduto alla sorgente fredda, che in questo caso è l’atmosfera. Ma come avviene questo processo? Sappiamo che le forti correnti ascendenti che accompagnano l’uragano trasportano ingenti quantitativi di umidità e sappiamo altrettanto che la condensazione dell’umidità libera calore latente: ecco il cedimento di energia termica al serbatoio più freddo!

In sintesi, il lavoro che viene svolto dall’uragano è quello di prelevare una quantità di calore dal mare e trasformarla in eventi atmosferici dissipando proprio l’energia termica immagazzinata dalle acque oceaniche. Ma perché ciò accada, un’altra quantità di calore deve essere ceduta all’atmosfera sotto forma di calore latente di condensazione, altrimenti l'uragano non si potrebbe formare in quando verrebbe violato proprio il secondo principio della termodinamica.



PS: devo confessare che sono meravigliato e felice allo stesso tempo. Non credevo questo interesse per la fisica! Buono a sapersi...

La Fisica ? Mi ci piace "sguazzarci" !

Molto eloquente e ben fatto il paragone dell'uragano come macchina termica che rispetta il II° Principio della Termodinamica......

Fa capire come agisce la macchina termica Terra-Atmosfera..... e quindi la "logica" dello scambio di calore nelle discese meridiane delle saccature e salite meridiane dei promontori