La modellazione del permafrost alpino: metodologie, applicazioni e sviluppi

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1 Progetto PermaNET permafrost long term monitoring NETwork La modellazione del permafrost alpino: metodologie, applicazioni e sviluppi ing. Matteo Dall Amico, PhD Mountain-eering Srl Prof. Dr. Riccardo Rigon Università di Trento dott. Giorgio Zampedri Servizio Geologico, Trento Dipartimento Protezione Civile e Infrastrutture Servizio Geologico Università di Trento Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Mountain-eering S.r.l., via Siemens 19 BOLZANO Università di Pavia Dipartimento di Scienze della Terra e dell Ambiente Università di Padova Dipartimento di Geografia

2 Modellazione del permafrost Mission impossible? 2

3 Caratteristiche del permafrost Topografia Variazioni topografiche ed eterogeneità copertura suolo Neve grandi proprietà isolanti courtesy of Stephan Gruber (University of Zurich) flessibilità e spazializzazione dati ingresso Interazioni termiche suolo - neve Ghiaccio / acqua nel terreno calore latente cambiamento di fase e avvezione nell equazione del calore Grande inerzia termica lunghi tempi di risposta (10000 anni!!) condizioni iniziali adeguate 3

4 Modellazione del permafrost Due principali approcci modellistici: modelli localizzatrici modelli evolutivi localizzazione evoluzione Scala grossolana (1 a 100 km) dettaglio (1 a 10 m) Obiettivio pianificazione analisi locali metodo statistico fisico-matematico Validazione prove indirette (geomorfologiche) o serie temporali di dirette (misure) indicanti la presenza temperatura 4

5 LA MODELLAZIONE DEL PERMAFROST IN TRENTINO 5

6 Modello del permafrost di PermaNET MODELLO STATISTICO LOCALIZZATORE detrito superficiale roccioso ripido regressori mod. statistico var. esplicative Thermal offset MAAT, PISR, PRECIP generalized linear mixed model MAAT, PISR linear regression Rock glacier relitti Vs intatti P(MARS<0) variabilità cond. termica roccia, presenza discontinua di neve, fratturazioni... provocano la presenza di sfasamenti (offset) termici (Gruber and Haeberli, 2007; Hasler et al., 2011). INDICE di presenza di permafrost, non probabilità 6

7 MAAT (Mean annual air temperature) temperatura media annuale ( C) Legend MAAT

8 PISR (Potential incoming solar radiation) Radiazione potenziale entrante Legend RAD '043 1'044-1'185 1'186-1'312 1'313-1'430 1'431-1'540 1'541-1'645 1'646-1'747 1'748-1'847 1'848-1'945 1'946-2'043 2'044-2'138 2'139-2'228 2'229-2'316 2'317-2'402 2'403-2'485 2'486-2'565 2'566-2'645 2'646-2'724 2'725-2'801 2'802-2'882 2'883-2'968 2'969-3'056 3'057-3'147 3'148-3'239 3'240-3'335 3'336-3'438 3'439-3'609 8

9 Precipitazione Precipitazione media annuale (mm a -1 ) Legend PRECIP '020 1'030-1'100 1'110-1'160 1'170-1'220 1'230-1'310 1'320-1'440 1'450-1'540 1'550-1' km 9

10 Mappa del permafrost in trentino NON probabilità ma INDICE del permafrost!"#$%&'(&)*+,)-./'0+#1'2&3&%4'+%4'5%/&)# 0+#'2&3&%4 5%/&)#)&!"#$%&'(%$")*$%'%+,'-#.'.#/0%#1203%20$45#6#17% ")*%-#80-9%(05&':5)$.%03#$.$;%<.%#$%4)1$#$.01.%:)5%."0%01.#50%=-($%'12%# %:)5%(5'4.#4'-%,$0% 69%0;7;>%(,6-#4%',.")5#.#0$%)5%2,5#17%#1:5'$.5,4?.,50%(-'11#17%'12%&'#1.01'140; 8"9&1% J05&':5)$.%#1%10'5-9% permafrost in quasi tutte le '--%4)12#.#)1$ condizioni J05&':5)$.%&)$.-9%#1% (9)#"&1% permafrost nella 4)-2%4)12#.#)1$ delle maggioranza condizioni J05&':5)$.%)1-9%#1%/059% :&""-;1 permafrost solo in condizioni 4)-2%4)12#.#)1$ molto fredde $,6?$,5:'40%&'.05#'-%)5%$1)*%4)12#.#)1$%'50%1).% )5%)1-9%'((5)3#&'.#/0-9%'44),1.02%:)5%#1%."0% Dipartimento Protezione Civile e Infrastrutture &'(;%A)*0/05>%."09%4'1%4',$0%$.5)17%2#::05? Servizio Geologico 10

11 Adamello-Presanella Ponte di Legno Passo Tonale Presanella Lobbie monitoring site Adamello Val di Genova Pinzolo 11

12 Ortles-Cevedale Cevedale Veneziaspitze Palon de la Mare Vioz Careser dam Punta S. Matteo Cima Cavaion monitoring site Peio Palù dam Cogolo 12

13 Dolomiti Plattkofel Selva di Val Gardena Passo Sella Sella Towers Corvara Passo Pordoi Campitello di Fassa Canazei Passo Fedaia Cima Uomo monitoring site Marmolada 13

14 LA MODELLAZIONE DI DETTAGLIO DEL PERMAFROST Rifugio Ai Caduti dell Adamello 14

15 20 m 20 m 15

16 Sito Ai Caduti dell Adamello 16

17 Calibrazione modello di evoluzione 17

18 permafrost relitto Strato attivo 18

19 Installazione radiometro e anemometro 19

20 GEOtop: modellazione EVOLUZIONE permafrost analisi termiche Dall Amico (2010), Dall Amico et al, (2011 b) ciclo dell acqua Rigon et al. (2006) Bertoldi et al. (2007) neve, ghiacciai, permafrost Zanotti et al. (2004) Endrizzi (2007) Dall Amico et al (2011 a) evapotraspirazione Bertoldi et al. (2010) Endrizzi et al. (2010) dissesti idrogeologici Simoni et al. (2007) 20

21 Calibrazione modello di evoluzione cond. contorno superiore: Dirichlet variabile ß ß ZAA=13 m T(ZAA)=-0.25 C cond. contorno inferiore: Dirichlet fisso 21

22 Profilo di T C ad una profondità di 1 metro Profilo di T C ad una profondità di 50 cm Temp ( C) Temp ( C) /11 19/01 19/03 19/05 19/07 19/09 19/11 19/01 19/03 19/05 date (dd/mm) /11 19/01 19/03 19/05 19/07 19/09 19/11 19/01 19/03 19/05 date (dd/mm)

23 Profilo di T C ad una profondità di 4 metri Profilo di T C ad una profondità di 6 metri Temp ( C) Temp ( C) /11 19/01 19/03 19/05 19/07 19/09 19/11 19/01 19/03 19/05 date (dd/mm) /11 19/01 19/03 19/05 19/07 19/09 19/11 19/01 19/03 19/05 date (dd/mm)

24 Profilo di T C ad una profondità di 4 metri Profilo di T C ad una profondità di 6 metri Temp ( C) Temp ( C) /11 19/01 19/03 19/05 19/07 19/09 19/11 19/01 19/03 19/05 date (dd/mm) /11 19/01 19/03 19/05 19/07 19/09 19/11 19/01 19/03 19/05 date (dd/mm) TALE ANALISI PERMETTE DI INFERIRE PROPRIETA LOCALI cond. termica: 2.5 W m -1 K -1 cap. termica: 2.0 J m -3 K -1 porosità:

25 EVOLUZIONE DEL PERMAFROST: permafrost e piccola età glaciale 25

26 Inizializzazione Grande inerzia termica lunghi tempi di risposta (10000 anni!!) condizioni iniziali adeguate 26

27 Inizializzazione (Spin-up) Forzante di Spin-up (Tmax - Tmin)/ 2 T sup (0,t)=T a (t) = MAAT + T (z) sin 2π(t s t) τ periodo (365 gg) sfasamento (gg) Tmax 0 C Tmin T t0 tsp t1 t (anni) Spin-up 27

28 Inizializzazione (Spin-up) Profondità di inizializzazione Z sp := max{z f T m (z f,t sp ) T an (z f,t sp ) < } T0 MAAT in equilibrio Zsp non ancora in equilibrio 28

29 Inizializzazione (Spin-up) Spin-up Tmax 0 C Tmin t0 tsp t1 t (anni) Spin-up 29

30 Inizializzazione (Spin-up) Spin-up PEG Tmax 0 C Tmin t0 tsp t1 tpeg t2 t (anni) Spin-up PEG 30

31 Inizializzazione (Spin-up) Spin-up PEG dopo PEG Tmax 0 C Tmin t0 tsp t1 tpeg t2 tdopo peg tfin t (anni) Spin-up PEG dopo PEG 31

32 Simulations in various conditions quota MAAT T Tmax Tmin

33 Durante PEG 2800 m 0 C inizio PEG 33

34 Stato attuale Altitude ALD(t 1 )(m) ALD(t 2 )(m) ALD(t fin )(m) 2400 T (z f,t) > 0 t T (z f,t) > 0 t T (z f,t) > 0 t 2600 T (z f,t) > 0 t T (z f,t) > 0 t T (z f,t) > 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t T (z f,t) < 0 t ALD(t ):=min{ z f t : t 2 years t<t T (z f,t) < 0} 34

35 Stato attuale Spin-up PEG dopo PEG strato attivo permafrost 35

36 Sviluppi futuri Mix misure + modelli per analisi interazione Permafrost vs dissesti naturali (crolli, sentieri, infrastrutture) photo by MARK TWIGHT 36

37 GRAZIE DELL ATTENZIONE 37