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
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.
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 ).
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.)
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.
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.
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.
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
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
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?