OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Gli obiettivi formativi e i risultati di apprendimento del modulo si concentrano specificamente sui processi di mescolamento e dispersione. Il corso mira a fornire agli studenti una comprensione profonda e applicata dei meccanismi di mescolamento e dispersione nell'atmosfera e negli oceani, attraverso un approccio che integra teoria, simulazioni al computer e analisi dati. Di seguito, sono delineati gli obiettivi formativi e i risultati di apprendimento attesi.

Obiettivi Formativi

1. Comprensione dei Principi di Mescolamento e Dispersione: Gli studenti acquisiranno una solida comprensione teorica dei meccanismi di mescolamento e dispersione che operano nell'atmosfera e nell'ambiente marino, inclusi concetti fondamentali come turbolenza, eddy viscosity, strato limite di Ekman, e il ruolo della stabilità atmosferica.

2. Applicazione di Modelli Numerici e Simulazioni: Gli studenti impareranno a utilizzare strumenti computazionali e software specializzati per modellare e simulare processi di mescolamento e dispersione, acquisendo competenze pratiche nella gestione e analisi di dati georeferenziati e nella configurazione di modelli di circolazione e dispersione marina.

3. Analisi Numerica e Programmazione Scientifica: Saranno introdotti concetti fondamentali di analisi numerica e programmazione scientifica, con particolare enfasi sull'utilizzo del linguaggio di programmazione Python e del software Jupyter per lo sviluppo di schemi numerici e l'analisi di traiettorie di particelle in mare.

4. Integrazione di Dati e Modelli: Gli studenti saranno formati nell'uso di dati georeferenziati e nel formato NetCDF, applicando tecniche di analisi dati per interpretare le velocità misurate da radar costieri e per studiare la dispersione marina utilizzando modelli avanzati.

Risultati di Apprendimento

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:

1. Analizzare e Interpretare Processi di Mescolamento: Comprendere e spiegare i principali meccanismi di mescolamento e dispersione nell'atmosfera e nell'ambiente marino, identificando le forze e i fattori che influenzano questi processi.

2. Sviluppare e Applicare Simulazioni: Utilizzare competenze tecniche per sviluppare e implementare simulazioni di processi di mescolamento e dispersione, interpretando correttamente i risultati delle simulazioni e applicando questi concetti a problemi ambientali reali.

3. Gestire Dati Ambientali Complessi: Acquisire, elaborare e analizzare dati georeferenziati complessi, applicando modelli numerici e tecniche di analisi per studiare la dispersione di sostanze in atmosfera e ambiente marino.

4. Integrare Teoria e Pratica: Dimostrare la capacità di integrare conoscenze teoriche con applicazioni pratiche, sviluppando soluzioni basate su modelli per affrontare questioni ingegneristiche e ambientali relative al mescolamento e alla dispersione.

5. Comunicare Risultati Scientifici: Presentare e discutere i risultati delle simulazioni e delle analisi dei dati in modo chiaro e efficace, sia attraverso relazioni scritte che presentazioni orali, dimostrando una comprensione completa dei processi di mescolamento e dispersione studiati.

In sintesi, il corso mira a formare studenti capaci di applicare conoscenze teoriche avanzate e competenze tecniche nell'analisi, modellazione e simulazione dei processi di mescolamento e dispersione, preparandoli a contribuire efficacemente alla ricerca e alla pratica professionale nel campo dell'ingegneria ambientale.

MODALITA' DIDATTICHE

Il modulo si articola in una struttura didattica bilanciata che intende fornire agli studenti una formazione completa nel campo della dispersione in aria e in mare, 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 dei processi di mescolamento in ambienti aerei e marini. 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 processi di mescolamento in flussi geofisici. Le esercitazioni copriranno l'implementazione delle equazioni che regolano i processi di mescolamento 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 dispersione in flussi geofisici, 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 di dispersione particolare in aria o in mare.

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

Mixing in atmosfera

- Introduzione al corso e richiami di fluidodinamica elementare
- Turbolenza e chiusure
- Il concetto di eddy viscosity
- Strato limite di Ekman
- Discussione effetto di attraversamento isobare
- Definizione di Air Parcel
- Caso secco e dry-adiabatic lapse rate
- Moist Adiabatic Lapse Rate dedotto dal I principio della termodinamica
- Stabilita' statica atmosfera
- Temperatura potenziale
- Meccanismi di stabilità
- Meccanismi di instabilità
- Equazioni di trasporto dello scalare passivo e equazione di bilancio 'energetico'
- Commenti sulle equazioni di bilancio dello scalare passivo
- Spettro di energia e flussi di fluttuazione
- Il numero di Peclet e proliferazione gradi di liberta'
- Necessita' di una descrizione tipo RANS
- Equazioni RANS e  problema della chiusura
- Seminario modelli meteo.
- Legge di Yaglom e flusso di "energia" delle fluttuazioni di scalare
- Equazione RANS per il quadrato della grande scala
- Equazione RANS per il quadrato della piccola scala
- Chiusura su base fenomenologia e dipendenza eddy diffusivity dal numero di Richardson.
- Descrizione Lagrangiana del problema di trasporto
- Evoluzione particelle pesanti e ruolo inerzia
- Il tempo di Stokes e limite di piccoli tempi di Stokes
- Il contributo Browniano
- Esercitazione via Python sul flusso parallelo di Kolmogorov e flussi cellulari

Mixing nell'ambiente marino

-) l'introduzione di alcune nozioni generali di oceanografia fisica; 
-) l'introduzione dei concetti di programmazione scientifica e analisi numerica;
-) il trattamento di grosse quantita' di dati georeferenziati in formati comunemente utilizzati in ingegneria e fisica ambientale;
-) l'implementazione di un modello di circolazione e dispersione marina per simulazioni di interesse ingegneristico e ambientale.

L'attività di docenza di questa seconda parte e' organizzata in tre sezioni. Nella prima, si insegna a configurare le macchine virtuali e il sistema operativo LINUX, a usare gli editor di testo come EMACS. Successivamente si introduce il linguaggio di programmazione PYTHON e il software JUPYTER. 
Nella seconda sezione si introducono i concetti base di analisi numerica e alcuni schemi numerici per la risoluzione di equazioni differenziali ordinarie, studiando in dettaglio le equazioni per le oscillazioni inerziali e utilizzato le funzioni di PYTHON per calcolare le traiettorie di diverse particelle in mare. Dopo aver introdotto i modelli autoregressivi e il formato di dati NetCDF, si applicano i concetti precedentemente introdotti utilizzando le velocita' misurate da radar costieri marini ad alta frequenza per studi di dispersione. Se il tempo lo permette, si introducono anche i modelli oceanici a strati e quelli a gravita' ridotti.
Nell'ultima sezione si introducono i concetti alla base dei diversi modelli di circolazione marina, le nozioni base di FORTRAN e CPP. Si simulano poi le oscillazioni inerziali, precedentemente studiate, anche con il modello oceanico ROMS, imparando a leggere e visualizzare i suoi output numerici. Infine, sempre con ROMS, si simulano la circolazione e la dispersione di sostanze in una insenatura idealizzata forzata da marea semidiurna.
Gli studenti accedono all'esame finale solo dopo aver sostenuto tutti gli esercizi forniti durante la parte di corso. Per l'esame finale, gli studenti possono anche scegliere di svolgere una prova pratica seguita da relativa relazione sulla seconda parte del corso dove implementano schemi numerici e configurano il modello ROMS in maniera simile a quanto fatto in classe.
 

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 febbraio.

https://corsi.unige.it/corsi/10720/studenti-orario

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 dei processi di mescolamento  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 dello studio dei processi di mescolamento.