OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Il modulo di Geophysical Fluid Dyanamics  si propone di immergere gli studenti nell'affascinante mondo dei fluidi geofisici, esplorando le dinamiche che governano gli oceani e l'atmosfera terrestre. Concentrandosi esclusivamente sulla componente di fluidodinamica geofisica, il modulo punta a sviluppare una comprensione avanzata e multidisciplinare di come i principi fisici influenzino i movimenti su grande scala dei fluidi nel contesto geofisico. Di seguito, vengono espansi gli obiettivi formativi relativi a questa tematica:

Fondamenti di Fluidodinamica Geofisica

Il cuore del corso è dedicato alla comprensione dei principi che governano la fluidodinamica geofisica. Gli studenti studieranno in dettaglio:

• Le equazioni di Navier-Stokes in un contesto rotante: analisi delle equazioni di Navier-Stokes modificate per includere gli effetti della rotazione terrestre, fondamentali per comprendere i pattern di circolazione globale nell'atmosfera e negli oceani.

• Teoria della circolazione generale: esame dei meccanismi di circolazione atmosferica e oceanica su scala globale, inclusi i venti alisei, le correnti oceaniche maggiori, e il trasporto meridionale di energia.

• Fenomeni di instabilità e turbolenza geofisica: Studio di come le instabilità nei fluidi geofisici possano portare a turbolenza e mescolamento, esplorando fenomeni come l'instabilità di Kelvin-Helmholtz e l'instabilità di Rayleigh-Taylor nel contesto della rotazione terrestre.

• Onde e oscillazioni nei fluidi geofisici: introduzione alle onde atmosferiche e oceaniche, incluse le onde di gravità, le onde di Rossby e le oscillazioni a scala planetaria, e il loro ruolo nella trasmissione di energia e momento attraverso i fluidi geofisici.

Applicazioni Pratiche e Ambientali

• Modellazione numerica dei fluidi geofisici: Gli studenti acquisiranno competenze pratiche nella modellazione numerica dei fluidi geofisici, utilizzando software specializzati per simulare fenomeni atmosferici e oceanici. Le esercitazioni al calcolatore permetteranno di applicare i principi teorici a casi di studio reali.

Approccio Interdisciplinare

Il modulo enfatizzerà l'importanza di un approccio interdisciplinare, collegando la fluidodinamica geofisica a temi quali il cambiamento climatico, la meteorologia, l'oceanografia e le scienze ambientali. Questo permetterà agli studenti di apprezzare il ruolo centrale che la fluidodinamica geofisica gioca nella comprensione e nella gestione dei sistemi naturali della Terra.

Preparazione alla Ricerca e alla Professione

Completando questo modulo, gli studenti saranno pronti a intraprendere carriere nel campo della ricerca scientifica o come professionisti in agenzie ambientali, istituti di meteorologia e organizzazioni oceanografiche. Saranno dotati non solo delle competenze teoriche e pratiche necessarie ma anche della capacità di affrontare questioni complesse, di lavorare in modo interdisciplinare e di contribuire a soluzioni innovative per le sfide ambientali contemporanee.

In conclusione, il modulo mira a formare esperti di fluidodinamica geofisica capaci di interpretare e modellare i complessi sistemi dinamici della Terra, contribuendo significativamente all'ingegneria ambientale e alla comprensione del nostro pianeta.

MODALITA' DIDATTICHE

Il modulo si articola in una struttura didattica bilanciata che intende fornire agli studenti una formazione completa nel campo della fluidodinamica geofisica, combinando approfondimenti teorici con applicazioni pratiche significative. La metodologia adottata mira a stimolare non solo l'apprendimento dei concetti fondamentali ma anche lo sviluppo di competenze tecniche attraverso l'uso di strumenti computazionali avanzati. Di seguito, sono dettagliate le modalità didattiche previste per il corso.

Parte Teorica

La componente teorica del corso si svolge attraverso lezioni frontali che mirano a introdurre e spiegare i principi fondamentali della fluidodinamica geofisica e delle dinamiche dei fluidi in ambienti aerei e marini. Durante queste lezioni, verranno trattati argomenti quali le equazioni di Navier-Stokes in contesti rotanti, la teoria della circolazione generale, i fenomeni di instabilità e turbolenza geofisica, e molto altro. Gli studenti verranno guidati attraverso l'analisi di teoremi fondamentali, la derivazione di equazioni chiave e la discussione di esempi illustrativi che dimostrano l'applicazione dei concetti in scenari reali.

Parte Pratica al Computer

Parallelamente alla teoria, il corso prevede una serie di esercitazioni pratiche al computer, dove gli studenti avranno l'opportunità di applicare direttamente i concetti appresi alla soluzione di problemi concreti. Questa componente è fondamentale per integrare la teoria con la pratica e per sviluppare abilità nell'uso di software specializzati per la modellazione numerica dei fluidi geofisici. Le esercitazioni copriranno l'implementazione delle equazioni di fluidodinamica in linguaggi di programmazione come Python, la simulazione di fenomeni atmosferici e oceanici, e l'analisi di dati e risultati ottenuti dalle simulazioni.

Esercitazione Finale e Relazione

Il culmine dell'esperienza pratica del corso è rappresentato da un'esercitazione finale che richiede agli studenti di affrontare un problema complesso di fluidodinamica geofisica, applicando in maniera integrata le conoscenze teoriche e le competenze tecniche acquisite. L'esercitazione finale prevede lo sviluppo di un progetto su un tema specifico, che potrebbe includere la modellazione di un fenomeno atmosferico particolare, l'analisi della stabilità di flussi fluidi o lo studio della dispersione di inquinanti in un corpo d'acqua.

Al termine dell'esercitazione, gli studenti sono tenuti a redigere una relazione dettagliata che documenti il lavoro svolto, i metodi utilizzati, i risultati ottenuti e le conclusioni raggiunte. La relazione rappresenta un elemento fondamentale di valutazione del corso, in quanto consente di verificare la capacità dello studente di condurre un'analisi scientifica completa, di applicare in modo critico le conoscenze teoriche a problemi pratici, e di comunicare efficacemente i risultati del proprio lavoro.

Approccio Didattico Integrato

L'approccio didattico del corso è progettato per essere altamente integrato, con un costante riferimento tra teoria e pratica. Le discussioni teoriche in aula vengono regolarmente collegate alle applicazioni pratiche nelle esercitazioni al computer, incoraggiando gli studenti a sviluppare una comprensione profonda e applicata della materia. Questo metodo consente agli studenti di acquisire non solo una solida base teorica ma anche la capacità di utilizzare queste conoscenze in contesti reali e professionali, preparandoli efficacemente per le sfide future nel campo della ricerca e della professione.

PROGRAMMA/CONTENUTO

• Richiami sulla fluidodinamica elementare (descrizioni euleriana e lagrangiana, deformazioni infinitesimali lineari e volumetriche, e deformazioni angolari)
• Conservazione della massa per flussi incomprimibili
• Teorema del Trasporto di Reynolds e equazione di continuità
• Vorticità con esempi di vortice irrotazionale e rotazione del corpo rigido
• Forze in un fluido in movimento: forze di volume e forze superficiali
• Forza su una superficie generica e tensore degli sforzi
• Simmetria del tensore degli sforzi
• Equazione di Cauchy
• Relazione costitutiva dei Fluidi Viscosi
• Equazioni di Navier-Stokes e commenti
• Nozioni di base del linguaggio di programmazione Python
• Instabilità di Kelvin-Helmholtz
• Flussi paralleli
• Equazione di Taylor-Goldstein
• Criterio di Richardson e significato fisico
• Flussi paralleli viscosi 3D
• Equazioni con modi normali
• Teorema di Squires
• Equazioni 2D e analisi dei modi normali e equazione di Orr-Sommerfeld
• Criterio del punto di inflessione di Rayleigh
• Criterio di Fjortoft
• Equazioni in un sistema rotante
• Termini di Coriolis e centrifughi
• Commenti sui video di esperimenti in laboratorio
• Semplificazioni delle equazioni del moto
• Vento geostrofico e vento termico
• Teorema di Taylor-Proudman
• Onde di Poincaré attraverso l'analisi dei modi normali e relazione di dispersione
• Traiettorie delle particelle in regime di acque poco profonde
• Onde inerziali - Revisione del teorema di conservazione della circolazione in assenza di rotazione
• Vorticità potenziale e legge di conservazione
• Esempio di applicazione sulla deviazione in presenza di uno scalino
• Onde di Rossby e relazione di dispersione attraverso l'analisi dei modi normali
• Generalizzazione del criterio di Rayleigh e instabilità barotropica
• Introduzione alla turbolenza: proliferazione dei gradi di libertà in un sistema turbolento come conseguenza della teoria di Kolmogorov
• Visita al serbatoio rotante dell'Università di Torino per la visualizzazione di esperimenti in regime di 'acque poco profonde'
• Decomposizione di Reynolds per ridurre i gradi di libertà attivi nel sistema
• Equazioni di Reynolds e problema di chiusura
• Equazione per l'energia cinetica del campo a grande scala: il ruolo giocato dal termine associato alla non-chiusura delle equazioni
• Flusso di energia da scale grandi a piccole come risultato della teoria K41 e implicazioni per la chiusura
• Metodi di risoluzione numerica per le equazioni delle acque poco profonde con rotazione e preparazione per l'esercitazione pratica.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Fluid Mechanics, 6th Edition - June 4, 2015. Authors: Pijush K. Kundu, Ira M. Cohen, David R Dowling, Language: English, Hardback ISBN: 9780124059351, eBook ISBN: 9780124071513

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

ANDREA MAZZINO (Presidente)

GIOVANNI BESIO

MARCELLO GATIMU MAGALDI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Mese di settembre.

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

La valutazione finale del modulo prevede un approccio bilanciato che mira a valutare sia le competenze pratiche sia la comprensione teorica degli studenti. Tale approccio è strutturato in due fasi principali: un'esercitazione pratica al calcolatore e una prova orale.

Esercitazione Pratica al Calcolatore

La prima fase dell'esame consiste in un'esercitazione pratica svolta utilizzando il calcolatore, durante la quale gli studenti sono chiamati a dimostrare le loro abilità nell'applicare i concetti teorici appresi a problemi concreti di interesse ambientale. Questa parte dell'esame è progettata per valutare la capacità dello studente di utilizzare strumenti computazionali avanzati, quali linguaggi di programmazione specifici come Python, per modellare la dinamica dei fluidi geofisici  in scenari realistici.

Durante l'esercitazione, gli studenti dovranno risolvere un insieme di problemi selezionati che richiederanno l'elaborazione di dati, l'implementazione di modelli numerici e l'interpretazione dei risultati ottenuti. L'obiettivo è valutare non solo la precisione delle soluzioni proposte ma anche la capacità di applicare in modo critico e creativo le conoscenze acquisite, oltre alla chiarezza nella presentazione dei risultati.

Prova Orale

La seconda fase dell'esame consiste in una prova orale, durante la quale verrà verificata la comprensione teorica degli argomenti trattati nel corso. La prova orale mira a valutare la profondità della conoscenza dello studente sui principi fondamentali della fluidodinamica geofisica e sulle implicazioni teoriche dei fenomeni studiati. Durante l'orale, agli studenti potranno essere posti quesiti specifici sui temi del corso, richiedendo una discussione approfondita che evidenzi una solida comprensione dei concetti.

In aggiunta alla parte teorica, la prova orale includerà anche la discussione di una relazione preparata dallo studente. Questa relazione dovrà essere basata sull'esercitazione pratica svolta al calcolatore e mira a valutare la capacità dello studente di sintetizzare e comunicare efficacemente i risultati del lavoro svolto, integrando aspetti teorici e applicativi. La relazione rappresenta un'opportunità per lo studente di dimostrare il proprio approccio critico e analitico ai problemi, nonché le competenze acquisite nell'interpretazione dei dati e nella formulazione di conclusioni valide.

Valutazione Complessiva

La valutazione finale del corso sarà basata sulla combinazione delle prestazioni ottenute nell'esercitazione pratica al calcolatore e nella prova orale, tenendo conto sia della qualità delle soluzioni proposte sia della capacità di argomentazione e di esposizione dei concetti teorici. Questo approccio multidimensionale alla valutazione garantisce una visione completa delle competenze dello studente, premiando non solo la conoscenza teorica ma anche le abilità pratiche e analitiche, fondamentali per una carriera nel campo dell'ingegneria  ambientale.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

La modalità di accertamento della preparazione degli studenti per il corso  è stata attentamente progettata per garantire una valutazione equa e completa delle competenze acquisite, sia sotto il profilo teorico che pratico. Questo processo di valutazione mira a offrire agli studenti l'opportunità di dimostrare pienamente la loro comprensione e abilità, attraverso diverse fasi che includono:

Esercitazione Pratica Al Calcolatore

Gli studenti saranno prima valutati attraverso un'esercitazione pratica al calcolatore, che si concentrerà sull'applicazione dei concetti teorici studiati a problemi reali di fluidodinamica geofisica. Questa fase dell'accertamento permetterà di verificare la capacità dello studente di utilizzare software e strumenti computazionali specifici, come Python, per modellare fenomeni complessi e analizzare dati scientifici. L'accuratezza delle soluzioni proposte, la chiarezza nell'esposizione dei risultati e l'approccio critico e creativo nella risoluzione dei problemi saranno elementi chiave nella valutazione delle competenze pratiche acquisite.

Prova Orale

Successivamente, gli studenti saranno sottoposti a una prova orale, volta ad accertare la profondità della loro comprensione teorica e la capacità di collegare i principi della fluidodinamica geofisica  in contesti ambientali reali. Durante l'orale, verranno discussi i temi trattati nel corso, con domande mirate a esplorare la comprensione degli studenti sui concetti fondamentali e sulle applicazioni pratiche. Inoltre, sarà data particolare importanza alla discussione di una relazione scritta dallo studente, basata sull'esercitazione pratica, per valutare l'abilità di sintesi, la capacità di comunicare efficacemente i risultati scientifici e l'integrazione tra teoria e pratica.

Valutazione della Relazione

La relazione scritta rappresenta un aspetto fondamentale dell'accertamento, in quanto consente di valutare la capacità dello studente di condurre analisi indipendenti, di elaborare i dati raccolti durante l'esercitazione pratica e di presentare i risultati in maniera chiara e coerente. La qualità della relazione, in termini di contenuto, struttura e presentazione, sarà considerata attentamente nella valutazione complessiva.

Criteri di Valutazione

La valutazione finale terrà conto di diversi criteri, tra cui la correttezza tecnica e teorica delle risposte fornite durante la prova orale, l'originalità e l'approccio analitico dimostrato nell'esercitazione pratica e nella relazione, nonché la capacità di argomentazione, di critica e di comunicazione. L'obiettivo è assicurare una valutazione olistica che rifletta in modo equo e accurato le competenze e le conoscenze acquisite dallo studente nel corso.

In sintesi, la modalità di accertamento è stata strutturata per fornire una misurazione completa e dettagliata della preparazione dello studente, enfatizzando l'importanza di un'integrazione tra sapere teorico e capacità pratiche, essenziali nel campo della fluidodinamica geofisica e dei processi di mescolamento.

Calendario appelli