Il ghiaccio come materiale

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1 Il ghiaccio come materiale Esistono 9 forme conosciute di reticolo cristallino del ghiaccio. Sette di queste sono stabili a pressioni superiori a 200 MPa, e un ottava, chiamata Ic, è stabile a temperature inferiori a -100 C Dato che le massime pressioni sui ghiacciai del nostro Pianeta sono di circa 40 MPa, e le temperature più basse di circa -60 C, anche quest ottava fase non è presente. Per cui limitiamo la nostra attenzione alla fase Ih, che rappresenta il ghiaccio come noi lo conosciamo alle condizioni di pressione e e temperatura dei nostri ghiacciai

2 La struttura del ghiaccio Ih è di tipo esagonale (h=hexagonal), di tipo aperto, in cui ogni singolo atomo di ossigeno (in rosso), è legato ad altri 4 atomi di ossigeno, formando un tetraedro.

3 Termine neve (snow) si usa per il materiale poroso che non è cambiato in modo significativo dalla precipitazione. Invece il termine nevato (firn) viene riservato a quel materiale poroso che ha superato l anno idrologico, senza però essere stato trasformato in ghiaccio. In effetti non esiste una vera definizione della trasformazione della neve in nevato. Typical densities of snow and ice (g/cm³) New snow (immediately after falling in calm) 0,050-0,070 Damp new snow 0,100-0,200 Settled snow 0,200-0,300 Depth hoar 0,100-0,300 Wind packed snow 0,350-0,400 Firn 0,400-0,830 Very wet snow and firn 0,700-0,800 Glacier ice 0,830-0,917 E invece più chiaro il passaggio tra nevato e ghiaccio (ice), che avviene quando le interconnessioni (passaggi) tra i grani vengono chiusi. In questo caso, pre grani si intende sia il singolo cristallo che un aggregato di cristalli senza una porosità interna. Da neve a nevato esiste una porosità difusa, con interconnessioni tra i vari grani che permea tutto lo strato. Invece nel ghiaccio questa porosità è chiusa, cioè le singole bolle di aria tra i grani ha perso le connessioni. Questo avviene a circa 0,830 g cm -3 (equivalente a 830 kg m -3 ).

4 Zone in un ghiacciaio Partendo dalle aree polari verso le aree temperate, troviamo ghiacciai senza fusione, fino a ghiacciai con intensa fusione e ricristallizzazione. 1- Dry-snow zone (zona di neve secca). Non abbiamo mai fusione, neppure in estate, ed è delimitata dalla dry-snow line (linea della neve secca). 2 - Percolation zone (zona di percolazione). Possono avvenire fenomeni di fusione superficiali. L acqua percola all interno del pacco di neve, in funzione delle temperature in gioco., comunque sempre inferiori allo 0 C. Si possono formare livelli di ghiaccio all interno del manto nevoso, dovuto al ricongelamento dell acqua di percolazione sotto la superficie, ma possno trovarsi anche delle strutture colonnari o delle sfrerule di ghiaccio. Scendendo di quota la zona di percolazione si fà più evidente e profonda, fino a raggiungere la wet-snow line (linea della neve umida.)

5 Zone in un ghiacciaio 3 - Wet-snow zone (zona di neve umida). Alla fine dell estate, tutta la massa nevosa caduta nell anno ha raggiunto gli 0 C. Può avvenire una percolazione dell acqua nello strato sottostante (anno precedente). E impportante conoscerne gli effetti, dato che se avviene una percolazione negli strati sottostanti, il calcolo della massa precipitata può non essere attendibile.

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7 Zone in un ghiacciaio 4 - Superimposed-ice zone (zona di ghiaccio sovrapposto) Nella zona di percolazione della neve umida, il materiale è composto da lenti e strati di ghiaccio alternati a vario livello con strati di neve e nevato. A quota più basse i livelli di ghiaccio sono talmente spessi che arrivano a costituire una massa continua. In genere si considera la zona di ghiaccio sovrapposto quando è ancora possibile differenziare gli incrementi annuali, di stagione in stagione. Esiste una Snow-line che delimita il passaggio dalla zona di ghiaccio sovrimposto e la zona della neve umida, che rappresenta la parte di ghiacciaio dove si osserva il passaggio da neve a ghiaccio sulla superficie, alla fine della stagione di fusione. Il limite inferiore di questa zona è la linea di equilibrio, che delimita l area dove esiste ancora un accumulo di massa (resta della massa dall anno precedente), a quella dove, alla fine della stagione di fusione, è stata oersa tutta la massa accumulata durante l anno, oltre che a fondere una porzione di quella dell anno precedente. 5 - Ablation zone (Zona di Ablazione). Zona al disotto della Linea di Equilibrio.

8 Distribuzione delle zone La zona di neve secca si trova all interno della Groenlandia e dell Antartide, e nelle parti più elevate delle catene montuose delle aree cirumpolari (es. Alaska), e delle catene centro asiatiche, qiondi in quei ghiacciai che vencono classificati come polari. In Groenlandia è possibile trovare praticamente tutte le zona fino ad ora citate, partendo dalla parte più centrale, con temperature medie annue inferori a -25 C, fino alle aree costiere (in generale quelle occidentali, dove è presente una vera e propria zona di ablazione. In Antartide sono invece presenti quesi tutte le zone, senza una vera zona di ghiaccio sovraimposto e di ablazione, perchè le temperature sono generalmente sempre più fredde, ma nche la zona di neve umida è presente solo in aree limitate. Nei ghiacciai delle latitudini inferiori, i genere non esiste una vara e propria zona di neve secca, e scendendo, ma si distinge un area di limitata percolazione (nelle alte quote o nelle zone cirumpolari), o addirittura una vera e propria zona di percolazione (es. Monte Bianco e Monte Rosa). E chiaro che scendendo di quota e di latitudine queste aree sono sempre meno presenti e ci si trova ad avere zone più simili a quella di neve umida, anche se per l esistenza di un ghiacciaio è neceessario che esista un area dove la massa viene conservata alla fine della stagione di fusione.

9 Variazione della densità con la profondità Qui si vedono due diversi siti dove il passaggio da neve a ghiaccio avviene con velocità e processi diversi. Un ghiacciaio tutto nella zona di percolazione dove è presente acqua liquida porta ad una compattazione (fusione e ricristallizzazione) più veloce di un sito tutto nella zona di neve secca, dove invece sono dominanti processi meccanici e di sublimazione. I processi sono quelli di impaccamento e di sinterizzazione, arrivando al close-off, cioè alla chusura dei pori in bolle (0.830 g cm -3 ). Per processi in aree polari il profilo di densità può essere approssimato ad una curva con questa equazione: = i - ( i - s) exp(-cz) = densità alla profondità z i = densità del ghiaccio 0,917 g cm -3 s = densità della neve in superficie C = costante di sito Una buona approssimazione di C sarebbe1,9/zt, dove zt è la profondità di passaggio nevato-ghiaccio. Valida per densità superficiali di 0,3-0,4 g cm -3

10 Processo di metamorfismo che trasforma neve in nevato e ne riduce il volume. Si tratta di unnprocesso molto complesso che, in condizioni fredde prevede una forte interazione tra ghiaccio e vapore, con processi di sublimazione e deposizione. La fase iniziale di trasformazione della neve in nevato porta ad un arrotondamento dei cristalli ed a un conseguente assestamento meccanico dei grani risultanti, con anche una riduzione della porosità ed un conseguente aumento della densità

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13 Esiste una relazione diretta tra la profondità del close-off, l accumulo medio annuo e la temepratura del nevato a 10 m di profondità (vedremo poi perchè a -10m). La diminuzione dell accumulo, funzione anche della temepratura (in aree polari), controlla anche il tempo in cui si completa l intero processo di metamorfismo. Ovviamente questo processo controll anche un altro parametro che è l età del ghiccio alla profondità del close-off. Problema: quale è lla differenza di età tra i gas contenuti nelle bolle d aria ed il ghiaccio che le contiene?

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