Corso AINEVA per Commissioni Locali Valanghe Tonale, maggio 2008

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1 Corso AINEVA per Commissioni Locali Valanghe Tonale, maggio 2008 Principi di nivologia e metodologie di valutazione della stabilità del manto nevoso Maria Cristina Prola Andrea Bertea

2 Contenuti dell intervento: -ripasso rapido concetti base (equilibrio manto nevoso, risposta alle sollecitazioni, definizione valanghe,fattori predisponenti) -Carrellata sui principali test di stabilità manto nevoso - Comparazione critica dei vari metodi - Indici di instabilità strutturale -Carta della stabilità del manto nevoso e classi di stabilità (profili tipo) -Accenno a SNOWPACK

3 Un breve ripasso quando parliamo di equilibrio del manto nevoso solitamente ci riferiamo alle condizioni di stabilità che si verificano quando le forze resistenti interne al manto nevoso sono superori alle forze propulsive che tendono a metterlo in moto lungo il pendio

4 Sempre per ricordare concetti base.. L influenza del profilo del pendio sulle forze provocate dallo scorrimento del manto nevoso. - Per resistenza si intende la capacità di resistere alle sollecitazioni che tendono ad allontanare i cristalli di neve gli uni dagli altri. PENDIO CONVESSO - Resistenza alla trazione = circa 1/10 della resistenza alla compressione! PENDIO CONCAVO La resistenza al taglio, funzione della coesione e dell attrito,varia moltissimo in funzione del tipo di neve ed è soprattutto importante all interfaccia fra i differenti strati che compongono il manto nevoso.

5 Sollecitazioni a cui è sottoposto il manto nevoso Pendii concavi, base di pendio Cambi di pendenza, convessità In seguito a sollecitazione brusca e repentina

6 Se la sollecitazione è applicata molto lentamente - Numerose nevicate successive di debole intensità - Pioggia leggera - Riscaldamento progressivo, ma lento

7 Se la sollecitazione è brusca e repentina - Passaggio di sciatori, - caduta di cornice - passaggio di animali - nevicata abbondante e intensa

8 Mentre i movimenti lenti non costituiscono, in linea di massima, una insidia per le attività umane, i movimenti veloci, cioè le valanghe, rappresentano il pericolo maggiore per chi frequenta terreni innevati, nonché per le infrastrutture e le vie di comunicazione Per valanga si intende: massa di neve che si mette in moto, in modo istantaneo, a seguito della rottura delle condizioni di equilibrio del manto nevoso presente su un pendio sufficientemente inclinato, per cause naturali o accidentali, e precipita verso valle per effetto della gravità in condizioni di scarso attrito

9 CAUSE GENERALI DEL DISTACCO DI VALANGHE: AUMENTO DELLE FORZE ATTIVE DIMINUZIONE DELLE RESISTENZE E DEGLI ATTRITI Esempi

10 Un aumento delle forze attive può essere prodotto da: Maggiore inclinazione del pendio Da un apporto di neve a) nuove precipitazioni b) trasporto eolico Da un apporto di acqua (pioggia o fusione) Da un sovraccarico a) naturale :caduta massi, cornici, seracchi, ecc. b) antropico : passaggio di sciatori, alpinisti, mezzi, ecc.

11 Una diminuzione delle resistenze e degli attriti può essere prodotto da: Sensibile aumento della temperatura (riscaldamento del manto, riduzione della coesione, presenza di acqua libera) Presenza all interno del manto nevoso di strati critici (croste da rigelo, brina di fondo, grani angolari, brina di superficie, neve pallottolare) che riducono l attrito fra gli strati

12 La decisione circa la potenziale pericolosità da valanga alle più differenti scale (dall attraversamento di un singolo pendio durante una escursione fuori pista alla eventuale chiusura di parti di comprensori sciistici così come di strade di montagna), si basa su diversi fattori che possono essere così raggruppati: Decisione Procedure operazionali Fattori umani Terreno Fattori di stabilità del manto -Intuito/Esperienza -Fattori qualitativi -Fattori quantitativi Da Jamieson-Johnston

13 TEST DI STABILITA : insieme di procedure operative che consentono di definire le condizioni di equilibrio del manto nevoso, la presenza e l eventuale collocazione di eventuali strati deboli nonché lo spessore del lastrone che potrebbe originarsi in seguito ad una rottura. Limite di tutti i test di stabilità: sono applicabili quando le condizioni strutturali del manto sono tali da produrre principalmente valanghe a lastroni (non realizzabili in un manto interamente composto da neve a debole coesione).

14 PRINCIPALI TEST DI STABILITA : TEST DELLA PALA TEST DI COMPRESSIONE TEST DEL BLOCCO (O CUNEO ) DI SLITTAMENTO Discorso a parte TEST DEL TELAIO DI TAGLIO: richiede l individuazione preliminare dello strato debole che si intende testare. Fornisce un valore della resistenza al taglio in N/m² che può venire impiegato per il calcolo dell indice di stabilità. Richiede attrezzatura specifica (telaio da taglio, dinamometro), operazioni delicate ed esperienza nell esecuzione, calcoli a tavolino complessi.

15 VANTAGGI Richiede brevi tempi di esecuzione Non richiede strumenti particolari Può essere eseguito anche su pendii con inclinazione < 25 SVANTAGGI I risultati sono difficilmente correlabili con la stabilità del manto nevoso e l attività valanghiva

16 VANTAGGI Richiede brevi tempi di esecuzione Non richiede strumenti particolari Può essere eseguito anche su pendii con inclinazione < 25 SVANTAGGI I risultati sono difficilmente correlabili con la stabilità del manto nevoso e l attività valanghiva

17 In Columbia Rocky Mountains sono stati eseguiti 121 test di compressione su altrettanti lastroni localizzati su tipiche aree di distacco in testata di pendii da valanga; in 47 casi è stato provocato il distacco di questi lastroni. Il grafico mostra che la frequenza di distacco provocato decresce all aumentare del risultato del test di compressione (che è ciò che ci si aspetta da un test di stabilità!!) NB: il fatto che il 10% di lastroni con un punteggio del test di compressione hard (23-30 colpi) abbia dato luogo a distacco, deve fare porre l attenzione al fatto che, quando si valuta la stabilità del manto nevoso, non dobbiamo fidarci troppo ciecamente del singolo risultato di un test puntuale! Jamieson Bruce The compression test - after 25 years. The Avalanche Review 18(1),

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19 VANTAGGI Test in scala 1:1 Non richiede strumenti particolari Tempi ragionevoli Numerose prove di calibrazione Dati correlabili con condizioni di stabilità del manto nevoso e attività valanghiva Fohn ha proposto 7 diversi livelli di carico: Grado 1: rottura e slittamento già durante la preparazione del blocco Grado 2: lo sciatore sale con cautela a circa 35 cm dal bordo superiore Grado 3: flessione esercitando una forza verso il basso Grado 4: salto con gli sci ricadendo sul posto Grado 5: secondo salto Grado 6: salto senza sci Grado 7: nessuna delle azioni ha provocato rottura SVANTAGGI Applicabile solo con particolari condizioni della neve (strati superficiali compatti ) Ai fini di una valutazione della stabilità del singolo pendio (per valutazioni più di tipo sportivo..), lo sciatore in movimento sollecita un area molto più vasta.

20 COMPARAZIONE FRA I RISULTATI DEL TEST DI COMPRESSIONE E IL BLOCCO DI SCIVOLAMENTO Jamieson, Bruce The compression test after 25 years. The Avalanche Review 18(1),

21 Grado del blocco Test di compressione >20 Valutazione e provvedimenti Situazione pericolosa Sui pendii corrispondenti vi possono essere numerose zone con manto nevoso instabile Situazione sospetta Vi possono essere zone con locali instabilità e sono possibili singoli distacchi provocati Situazione più o meno sicura Bassa probabilità di provocare distacchi di lastroni (ma attenzione ugualmente!)

22 Negli anni recenti è diventato sempre più chiaro che i test di stabilità sono validi indicatori sulla possibilità che un sovraccarico (di uno sciatore per esempio) possa dare luogo ad una fratturazione su uno strato debole piuttosto che sulla possibilità che questa, una volta iniziata, possa propagarsi. Dal momento che, nella maggioranza dei casi, la propagazione della frattura in uno strato debole su un pendio sufficientemente inclinato porta al distacco di una valanga a lastroni, si può scrivere: INIZIO FRATTURA + PROPAGAZIONE FRATTURA = DISTACCO LASTRONE Poiché probabilmente i test di stabilità sono primariamente indicatori dell inizio fratturazione e poiché mostrano generalmente una certa variabilità spaziale, i ricercatori sono andati alla ricerca di test ed indicatori della propagazione delle fratture oltre ai classici whumpfs e ai distacchi osservati. Sembra attualmente che il tipo di fratturazione e la qualità del distacco siano buoni indicatori del potenziale di propagazione delle fratture.

23 Stability circle - Ian McCammon, Don Sharaf (2005) In un recente articolo in The Avalanche Review, tali autori interpretano le fratture improvvise (qualità 1, o Sudden Planar e Sudden Collapse fractures) come indicatori di un rilascio di energia favorevole alla propagazione della frattura. INDICATORI Test stabilità (RB,CT, ecc.) Indici di instabilità strutturale ( Lemons /Yellow flags) Frattura Caratteristica della frattura / Shear quality Propagazione frattura

24 Ian McCammon e Jurg Schweizer hanno sviluppato un metodo semplice per analizzare i profili del manto nevoso e fleggare alcune caratteristiche associate all instabilità dell interfaccia fra strati differenti. Proprietà Proprietà strato Range critico Dimensione grani Durezza Tipo grani > 1 mm < 1 F(3*) Persistente SH, FC o DH Proprietà interfaccia Differenza dimensione grani Differenza durezza Profondità dell interfaccia > 0.5 mm > 1* Da 20 a 85 cm * Ai valori F, 4F, 1F, P, K del test della mano sono assegnati valori rispettivamente di 1,2, 3,4,5

25 Esempio di utilizzo di yellow flags per evidenziare interfaccia critici (quelli con numero più alto di flags sono più favorevoli al distacco di valanghe a lastroni) e per valutare profili del manto nevoso (il distacco provocato è più probabile se un interfaccia presenta almeno 5 o 6 flags). Da Jamieson,Schweizer 2005 Avalanche News 72, Canadian Avalanche Association, Secondo tale metodo, il massimo numero di flags per ogni interfaccia è l indice di instabilità strutturale del profilo.

26 Per chiudere questa breve parentesi sugli indici di instabilità ( Lemons McCammon 2002; Yellow Flags Schweizer 2004) si può affermare che mentre per la selezione del sito ove effettuare i profili del manto nevoso ed i test di stabilità occorre esperienza e bravura, con i suddetti metodi sia operatori senza esperienza che programmi al computer dovrebbero arrivare a calcolare lo stesso indice dallo stesso profilo. L indice non necessita l esecuzione di un blocco di scivolamento né altro test di stabilità e resta valutabile come indicatore indipendente di instabilità del manto nevoso analizzato. Il metodo può essere usato nel training per l interpretazione dei profili. Gli indici di instabilità forniscono dei valori oggettivi (da 0 a 6) che possono essere mediati (o aggregati in altri modi) per identificare differenze nell instabilità strutturale fra differenti bacini, esposizioni, altitudini, ecc. Gli indici di instabilità strutturale sono attualmente un tema di ricerca sul quale si sta lavorando attivamente (sia i canadesi che gli svizzeri).

27 INTERPRETAZIONE DEI TEST/VALUTAZIONE DELLA QUALITA DELLA SUPERFICIE DI TAGLIO Molti autori, in particolare della scuola anglosassone (Birkeland,Johnson,Jamieson) tendono ad introdurre un ulteriore elemento di valutazione dei risultati dei test di stabilità: lo SHEAR QUALITY (qualità del piano di rottura). Viene introdotta una scala da Q1 (superficie di rottura perfettamente pulita ) a Q2 (rottura media ) a Q3 (frattura irregolare o sporca ). A livello qualitativo è chiaro che, a parità di risultato numerico del test di stabilità, una rottura Q1 è più significativa di una Q2 e decisamente più significativa di una di tipo Q3!! In generale, le proprietà di uno strato così come il carattere della frattura (o tipo di distacco del blocco di scivolamento) sono più continui (valore più stabile) che non il valore N del test.

28 Classificazione descrittiva del carattere della frattura nei test di stabilità (da Van Herwijnen-Jamieson 2003)

29 Fracture Character Typical Shear Quality PC: Progressive Compression Q2 RP: Resistant Planar Q2 SP: Sudden Planar SC: Sudden Collapse Q1 Q1 B: Non-planar break Q3 Da An update on fracture character in stability tests. Avalanche News 66. Canadian Avalanche Association Carattere della frattura da test di compressione suddiviso per tipologia di cristalli (dello strato debole) (PP:precipitazione DF:frammentati RG: arrotondati FC: sfaccettati SH: brina di superficie) Carattere della frattura da test di compressione per lastroni testati da sciatori

30 OCCORRE VALUTARE SEMPRE LA VARIABILITA SPAZIALE DEI RISULTATI DEI TEST DI STABILITA : Le cause principali della variabilità spaziale sono le condizioni meteorologiche, la topografia, l esposizione alla radiazione solare ed al vento e, in particolare per i manti nevosi di spessore ridotto, le proprietà del substrato. Oggi è unanimemente accettato il fatto che esista sempre una variabilità spaziale; la questione è piuttosto come adattarla alle valutazioni di stabilità del manto e nella previsione valanghe!

31 Condiz. Meteo pregresse Vento Radiazione Umidità Terreno Esposizione Inclinazione Copertura suolo Temperatura suolo Condiz. Meteo attuali Vento Radiazione Umidità Proprietà manto nevoso Spessore totale Spessore lastrone Gradiente di temperatura Densità Struttura Lastroni Strati deboli Discontinuità Sollecitazioni dinamiche Sciatori Tensioni statiche Neve fresca Neve depositata dal vento Resistenza Tensioni totali applicate STABILITA Diagramma concettuale che mostra quante variabili meteorologiche e di terreno interagiscono per determinare la stabilità del manto nevoso in rapporto al distacco di valanga provocato. (Birkeland, 1997)

32 CARTE DI STABILITA DEL MANTO NEVOSO Sono in uso presso l Istituto per lo Studio della Neve e delle Valanghe di Davos Contengono analisi del manto (rilevamenti temporali e locali) che permettono di effettuare una valutazione generale della stabilità al momento del rilevamento dei profili. Limiti: Dati validi al momento del rilievo Densità di informazioni variabile Aggiornamento bisettimanale I profili del manto nevoso, che forniscono indicazioni su struttura e stabilità, vengono effettuati su pendio ed accompagnati da test di stabilità. Ogni singolo profilo viene assegnato ad una classe di stabilità

33 TIPI DI PROFILO E CLASSI DI STABILITA Si differenziano una decina di tipi di profili, molto semplificati, che rappresentano però forme tipiche del risultato dell analisi penetrometrica. Sull asse verticale è riportata l altezza della neve, su quello orizzontale la resistenza alla penetrazione della sonda. La carta sintetica, a scala regionale (e pertanto da usare con le dovute cautele), riporta una divisione in 3 colori che vanno dal Rosso (scarsa stabilità) al Giallo (discreta stabilità) al Verde (buona stabilità).

34 Molto buona Buona Discreta Scarsa Molto scarsa

35 SNOWPACK Si tratta di un software, sviluppato dall Istituto Federale per lo Studio della Nave e le Valanghe di Davos, che modellizza, risolvendo le equazioni di bilancio di massa e di energia (secondo uno schema numerico ad elementi finiti), l evoluzione del manto nevoso al suolo basandosi su dati di input meteorologico. Vengono modellizzati i seguenti processi: Trasferimento di calore Assestamento Cambiamenti di fase Trasporto di acqua Metamorfismi

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38 APPLICAZIONI DI SNOWPACK: PREVISIONE PERICOLO VALANGHE: descrizione della stratificazione del manto nevoso e microstruttura della neve, modellazione degli strati deboli critici (brina di superficie e di profondità, lenti e strati di ghiaccio, ecc.), indici di stabilità, ecc. Dato il presupposto della modellizzazione, basata sull accurato bilancio di massa e di energia, viene usato per RICERCHE CLIMATOLOGICHE (con una possibilità di sviluppo per modellazione di strati di suolo o di roccia a profondità variabili - simulazioni sul PERMAFROST) SWE : Snow Water Equivalent (Equivalente in acqua del manto nevoso al suolo) Analisi dei processi all interfaccia atmosfera/criosfera (trasporto eolico, wind pumping, penetrazione delle radiazioni ad onda corta nel manto nevoso, flussi di calore latente incluso la formazione di brina di superficie, ecc.)