Nivologia 2 La neve al suolo: proprietà fisiche, scambi termici, metamorfismi

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1 Corso AINEVA MODULO 2A OSSERVATORE NIVOLOGICO Nivologia 2 La neve al suolo: proprietà fisiche, scambi termici, metamorfismi Maria Cristina Prola

2 Manto nevoso e temperatura Gradiente termico Bilancio energetico Metamorfismi Altre caratteristiche fisiche Neve e agenti atmosferici

3 Manto nevoso e temperatura Il manto nevoso è limitato in alto dall atmosfera, in basso dal suolo (nevi perenni o ghiaccio in alta quota)

4 Manto nevoso e temperatura T aria : variabile può avere valori positivi >> 0 C e valori negativi << 0 C

5 Manto nevoso e temperatura T suolo = 0 C o di poco inferiore Il calore accumulato in estate e il flusso geotermico si combinano e riscaldano lo strato basale del MN fino a 0 C

6 Manto nevoso e temperatura Neve isolante termico: trattiene calore e impedisce il raffreddamento del suolo

7 Manto nevoso e temperatura Temperatura del MN sempre costante e invariabile?? NO!!

8 Manto nevoso e temperatura 3 meccanismi per gli scambi interni 1. diffusione attraverso i pori; 2. trasmissione per contatto attraverso i grani 3. convezione nei pori per presenza di gradienti termici molto elevati (solo se manto nevoso è molto sottile e la T aria è molto bassa nevi artiche) Se la densità è bassa prevale la diffusione Se la densità è elevata prevale la trasmissione per contatto

9 Gradiente termico del manto nevoso GT= (T 0 -T 1 )/H [ C/m] Variazione termica divisa per la distanza lungo la quale la temperatura cambia quindi Variazione di temperatura (T 0 -T 1 ) del MN in rapporto al suo spessore (H)

10 Gradiente termico del manto nevoso Calcoliamo GT= T 0 -T 1 /H = 30 cm = -3 C = 0 C GT = 0 (-3) / 30 = 3/30 = 0.1 C/cm = 10 C/m

11 Gradiente termico del manto nevoso Calcoliamo GT= T 0 -T 1 /H = 30 cm = -6 C = 0 C GT = 0 - (-6) / 30 = 6/30 = 0.2 C/cm = 20 C/m

12 Gradiente termico del manto nevoso Calcoliamo GT= T 0 -T 1 /H = 15 cm = -3 C = 0 C GT = 0 - (-3) / 15 = 3/15 = 0.2 C/cm = 20 C/m

13 Gradiente termico del manto nevoso Variazioni del GT GT aumenta quando: A) ΔT aumenta e H è costante B) ΔT è costante e H diminuisce A) H=30 cm T 0 = 0 C T 1 = -6 C GT = 6/30 = 0.2 C/cm = 20 C/m T aria si abbassa molto Vento freddo B) H=15 T 0 = 0 C T 1 = -3 C GT = 3/15 = 0.2 C/cm = 20 C/m Asporto da vento

14 Gradiente termico del manto nevoso Variazioni del GT GT diminuisce quando: A) ΔT diminuisce e H è costante B) ΔT ècostanteeh aumenta A) H=30 cm T 0 = 0 C T 1 = -1 C GT = 1/30 = C/cm = 3,3 C/m Aumenta T aria, Pioggia, foehn B) H=15 T 0 = 0 C T 1 = -3 C GT = 3/90 = C/cm = 3,3 C/m Nevicata

15 Gradiente gradiente termico del manto nevoso Quali gradienti Gradiente debole: GT < 0.05 C/cm GT < 5 C/m Gradiente medio: 0.05 <GT<0.2 C/cm 5 C/m<GT<20 C/m Gradiente alto: GT>0.2 C/cm GT>20 C/m

16 Gradiente debole GT < 5 C/m

17 Metamor fismi Gradiente medio 5 C/m <GT < 20 C/m Grad T=0.07

18 Gradiente Elevato Grad T > 20 C/m Grad T=0.4 C/cm

19 Metamorfismi del Manto Nevoso Definizione Trasformazioni all interno del manto nevoso, ovvero negli strati che compongono il manto nevoso, dipendenti da precise leggi termodinamiche Formazione di nuovi cristalli Variazione delle caratteristiche fisiche della neve nei diversi strati (densità, porosità, struttura, resistenza, malleabilità)

20 Metamorfismi del Manto Nevoso Dipendono da tendenza dei cristalli di ghiaccio ad assumere la minor superficie esterna possibile; dai gradienti di tensione di vapore; dal trasporto di vapore acqueo per diffusione; dal bilancio energetico (GT)

21 Metamorfismi del Manto Nevoso 3 Tipi di metamorfismi legati al GT e all umidità 1. Metamorfismo da gradiente debole, solo con neve asciutta 2. Metamorfismo da gradiente medio-elevato, solo con neve asciutta 3. Metamorfismo da fusione, solo con neve bagnata

22 La neve al suolo La neve è soggetta a continui mutamenti a causa della sua temperatura, prossima al punto fusione

23 Metamorfismo da gradiente debole Detto anche isotermico o distruttivo GT del MN assente o molto basso Effetti : Si formano grani arrotondati (classe 3) Aumenta l assestamento Si ha Coesione per sinterizzazione Aumenta il consolidamento del manto nevoso dopo iniziale riduzione per perdita della coesione per feltratura, A temperature dell aria elevate ( 0 C--5 C) il processo è rapido lento se sono basse

24 Metamorfismo distruttivo + 1: particelle di precipitazione / 2a: cristalli parzialmente frammentati / 2b: cristalli estremamente frammentati

25 Metamorfismo distruttivo 3: Cristalli fini arrotondati

26 Metamorfismo da gradiente Detto anche costruttivo A) GT: 5 C/m < GT< 20 C/m) Si formano grani a facce piane, particelle sfaccettate (classe 4) Riduzione della coesione Riduzione del consolidamento La trasformazione è reversibile ovvero se si riduce il gradiente I cristalli possono subire il gradiente isotermico

27 Metamorfismo da gradiente Detto anche costruttivo B) GT > 20 C/m) si forma la brina di fondo, (classe 5) i grani non hanno più coesione il manto non è consolidato; è instabile

28 Metamorfismo costruttivo 4: Cristalli sfaccettati /\ 5: Cristalli a calice o brina di fondo

29 Metamorfismo da fusione T neve = 0 C e presenza di H 2 O allo stato liquido nei pori E presente acqua nei pori Gli spigoli si smussano I grani si arrotondano (classe 6) Aumenta la massa volumica e si riduce la porosità Si ha fusione diurna e rigelo notturno E il processo che porta alla scomparsa del manto nevoso

30 Metamorfismo da fusione 6: cristalli arrotondati a grappoli

31 Metamorfismi + Gradiente debole / / Gradiente medio ed elevato Gradiente debole Gradiente medio ed elevato Gradiente elevato /\

32 Particelle di precipitazione Classe 1

33 Cristalli parzialmente frammentati Classe 2a

34 Cristalli estremamente frammentati Classe 2b

35 Cristalli fini arrotondati Classe 3:

36 Cristalli sfaccettati Classe 4

37 Cristalli arrotondati a grappoli Classe 6

38 Cristalli a calice / brina di fondo

39 4 5: brina di fondo

40 1 f neve pallottolare

41 7a brina di superficie

42 7a brina di superficie

43 Le altre caratteristiche fisiche della neve Massa volumica Umidità Porosità Peso Specifico Coesione Durezza Plasticità/Malleabilità

44 Le altre caratteristiche fisiche della neve Densità Assoluta o Massa Volumica Rapporto tra la massa e il volume di un corpo ovvero indica la massa di un unità di volume Si indica con ρ (ro) e si misura in Kg/m 3 ρ ghiaccio = 917 Kg/m 3 ρ acqua = 1000 Kg/m 3 temperatura di 4 C distillata e alla ρ x /ρ y = densità relativa ovvero ρ neve / ρ acqu a = densità relativa della neve

45 Le altre caratteristiche fisiche della neve Valori di densità della neve Neve fresca asciutta (30) Kg/m3 Neve fresca feltrata (vento) Kg/m 3 Neve fresca bagnata > 200 Kg/m 3 Neve fresca pallottolare > 200 Kg/m 3 Neve a grani arrotondati Kg/m3 Neve a grani angolari Kg/m 3 Brina di fondo Kg/m 3 Neve bagnata Kg/m 3 Nevato Kg/m 3

46 Le altre caratteristiche fisiche della neve Umidità Indicatore della quantità d acqua presente nei pori del manto nevoso T 0 C Asciutta Non c è acqua nei pori, la neve non ha tendenza a unirsi se pressata Non si fa la palla di neve T = 0 C Umida <3% Acqua presente, ma invisibile alla lente Coesione per capillarità Bagnata 3-8% Acqua visibile con la lente, ma non la si estrae schiacciando la Molto bagnata 8-15% Fradicia >15% neve Si può estrarre l acqua schiacciando la neve Neve impregnata d acqua Si fa la palla e il guanto rimane asciutto Si fa la palla e il guanto rimane umido/ poco bagnato Si fa la palla e il guanto rimane bagnato Non si riesce più a fare la palla e la neve, impregnata d acqua, è difficilmente riconoscibile

47 Le altre caratteristiche fisiche della neve Porosità Indica la quantità di pori presenti all interno del manto nevoso o di uno strato del manto nevoso E inversamente proporzionale alla massa volumica Relazione tra la massa volumica e la porosità: N= 1 - ρ/ρghiaccio N viene espresso in %

48 Le altre caratteristiche fisiche della neve Peso specifico: rapporto tra Peso della sostanza e il suo volume P=mg γ = P/v γ= mg/v γ = m/v x g γ= ρ x g

49 Le altre caratteristiche fisiche della neve Coesione Capacità dei cristalli di neve a restare uniti Dipende da : forze di attrazione intermolecolari densità del numero di legami Il grado di coesione è direttamente legato al modo in cui i grani si legano tra di loro. Dipende quindi dalla forma dei cristalli e dalla loro densità 1. Coesione per feltratura o intreccio 2. Coesione per sinterizzazione 3. Coesione per capillarità 4. Coesione per rigelo

50 Le altre caratteristiche fisiche della neve Plasticità o Malleabilità Capacità della neve di modellarsi senza rompersi Dipende da: Tipo di cristalli Densità Temperatura Umidità Tipo di sollecitazione La deformabilità cambia nel tempo perché cambia la viscosità e il tipo dei grani

51 Le altre caratteristiche fisiche della neve Durezza Rappresenta la resistenza del manto nevoso alla compressione ( N/m 2 ) Dipende dalla massa volumica e dalla porosità Nella neve R trazione = 1/10Tcompressione La neve è sottoposta a compressione trazione sui pendii concavi sui pendii convessi

52 Le altre caratteristiche fisiche della neve

53 Le altre caratteristiche fisiche della neve RUGOSITA Aspetto della superficie del MN Influenza molto la aderenza di una nuova nevicata Classi di irregolarità della superficie ICSI Liscia Ondulata Solchi Concavi - rapida fusione da foehn Solchi convessi- pioggia Solchi irregolari - vento

54 La neve al suolo La neve al suolo è influenzata da Temperatura dell aria Vento Radiazione solare Precipitazioni (neve, pioggia) Nebbia Flusso geotermico

55 Scambi termici neve-atmosfera Notti serene Il manto nevoso scambia calore con l atmosfera Attraverso la trasmissione per contatto e l irraggiamento Radiazione solare Nuvole Atmosfera Precipitazioni Nebbia Vento emana raggi a onda lunga RAFFREDDANDOSI L azione diretta dei raggi solari influenza i primi cm di neve emana raggi a onda lunga RAFFREDDANDOSI Le radiazioni a onda lunga infrarosso dalle nubi e dalla CO2 sono assorbite dalla neve per almeno il 50% Neve fresca e asciutta riflette il 90% delle onde corte (visibile e ultravioletto) e il rimanente 10% penetra per pochi cm. Aumento di energia Perdita di energia Flusso geotermico dal terreno

56 Neve e agenti atmosferici: a) Vento: trasporta la neve

57 Neve e agenti atmosferici: Tre modalità di trasporto:

58 rompe i grani, li arrotonda e li rideposita compattandoli (cristalli arrotondati molto piccoli)

59 Neve e agenti atmosferici: Perché si formano i lastroni: Effetto Venturi: quando il vento attraversa una strettoia accelera trasporta neve superata la strettoia decelera deposita neve

60 Lastrone: strato ben definito del manto nevoso caratterizzato da un forma lenticolare, non legato al manto nevoso sottostante per la presenza di uno strato debole e sottile, che costituisce la superficie di slittam ento.

61 Caratteristiche dei lastroni: lastrone tenero Coesione media (2b) Densità medio-bassa ( kg/m3) Durezza bassa (4 dita) Neve relativamente soffice, bella da sciare Sciando si lascia una bella traccia, definita lastrone duro Coesione alta (3a) Densità alta ( kg/m3) Durezza medio-alta (1ditomatita) Neve dura, compatta Difficilmente si lascia scalfire Oltre il 75% delle valanghe a lastroni si forma su pendii con inclinazione compresa tra i 30 e 45 N.B. I pendii più belli da sciare hanno inclinazioni tra i 27 e i 40!!!

62 Dove si localizzano i lastroni zone sottovento sotto le creste cambi di pendenza avvallamenti canaloni radure nei boschi zone ai margini dei boschi zone sopravento conche, depressioni

63 Neve e agenti atmosferici: Vento: Pompa calore Amplifica gli scambi termici tra l aria e la neve, riscaldandola o raffreddandola, in funzione della sua temperatura Venti freddi e secchi: Inducono sublimazione, raffreddando il MN, Se il MN è umido creano croste superficiali Vento tiepido e umido: apporta calorie negli strati superficiali e allenta i legami Foehn: induce abbondante sublimazione e quindi riduzione di spessore del manto, e apporta calorie al suo interno aumentando anche la fusione.

64 Neve e agenti atmosferici: Gli effetti della pioggia Aumento di massa volumica degli strati superficiali rapido aumento della pressione esercitata sugli strati sottostanti Apporto di calore latente all interno del manto Allenta i legami tra i cristalli nel processo di percolamento

65 Neve e agenti atmosferici: Gli effetti della nebbia Trattiene e trasmette alla neve le onde lunghe (calde) L umidità a contatto del manto nevoso sublima (sublimazione inversa) cedendo calore, riscaldando la parte superficiale del manto nevoso

66 Grazie per l attenzione Cristina Prola