Presentazione di PowerPoint

LA NEVE: UN MONDO DI CRISTALLI DALLA
SUA FORMAZIONE ALLA FUSIONE"
PROF. MASSIMILIANO FAZZINI –UNIVERSITA’ DI FERRARA
LICEO SCIENTIFICO P. PALEOCAPA
ROVIGO 12 APRILE 2014
LA NEVE: DEFINIZIONE
 Da
diz. Treccani Precipitazione
atmosferica solida che
si presenta in piccoli
cristalli esagonali riuniti
in fiocchi, se la
temperatura è vicina
allo zero, o isolati in
piccoli grani, se la
temperatura è molto al
di sotto dello zero
IL MANTO NEVOSO O NEVE AL SUOLO: DEFINIZIONE


struttura complessa diversificata ed in continua evoluzione
 Formata da un miscuglio di acqua allo stato solido
(ghiaccio sia cristallino che amorfo), allo stato di vapore,
di aria e varie altre sostanze e “materiali” raccolti
durante la precipitazione o inglobati al suolo
gli equilibri tra queste “sostanze” e la loro conformazione, nel
caso del ghiaccio, determinano le caratteristiche e il
comportamento del manto nevoso
ALCUNI ESEMPI DI MANTO NEVOSO
Manto nevoso con neve fresca
ALCUNI ESEMPI DI MANTO NEVOSO
Manto nevoso ruscellato:
fusione e pioggia
ALCUNI ESEMPI DI MANTO NEVOSO
Manto nevoso con firnspiegel o crosta da sole
ALCUNI ESEMPI DI MANTO NEVOSO
Manto nevoso con brina di superficie
ALCUNI ESEMPI DI MANTO NEVOSO
Manto nevoso modellato dal vento
FORMAZIONE DELLA NEVE METEORICA
 in
atmosfera l’acqua è
presente allo stato
gassoso (vapore) allo stato
liquido e solido (ghiaccio)
 in aria pura in teoria la
solidificazione dovrebbe
iniziare a –0,1°C ma a
causa sta tensione
superficiale e dell’istabilità
delle condizioni
termodinamiche, resta a
lungo in sopraffusione
FORMAZIONE DELLA NEVE METEORICA
 Il
Processo ha inizio nella nube
 La
nube è composta da ghiaccio e
goccioline di acqua allo stato sopraffuso
che resistono allo stato liquido anche a
temperature molto al di sotto dello zero
(fino a circa -41°C!!!!)
FORMAZIONE DELLA NEVE METEORICA

per fortuna l’aria non è pura e in
presenza di particolari pulviscoli
(caoliniti, polveri di argille, vari
prodotti di eruzione vulcanica, ecc.)
oltre il 50% della solidificazione può
avvenire già a –12°C e quindi a
quote basse, con buona presenza
di vapore
 i granuli di pulviscolo funzionano
da catalizzatori: abbassano
l’energia di attivazione per la
formazione dei legami molecolari
(“nuclei di congelamento”) con la
formazione del microcristallo di
ghiaccio
FORMAZIONE DELLA NEVE METEORICA
 con
le “giuste
temperature” e
pressione di vapore si
ha migrazione di vapor
d’acqua verso i
microcristalli (per
riequilibrio = migrazione
verso zone più fredde)
questo tipo di
formazione è detta
assunzione per
sublimazione
FORMAZIONE DELLA NEVE METEORICA
Si formano cristalli
sempre più grandi
con la crescita sui
tre assi della
struttura cristallina
esagonale tipica
dell’acqua alla
forma solida
STRUTTURA CRISTALLINA DELLA NEVE
data la maggiore densità
molecolare sui lati che
sulle basi si ha maggiore
probabilità di
accrescimento lungo gli
assi “a” e “b” anche se in
realtà le forme sono
estremamente variabili
VARIE FORME DELLA NEVE METEORICA
il processo avviene
nella libera atmosfera
e quindi in condizioni
variabilissime dando
luogo a una grande
molteplicità di forme:
piastra,
prisma,
dendrite,
dendrite
brinato
o
neve
pallottolare,
una
piastra
poi
sviluppatasi
in
prisma, aghi, etc
VARIE FORME DELLA NEVE METEORICA
Dendrite stellare
FORME E CONDIZIONI DI FORMAZIONE
la forma è influenzata dalla supersaturazione di vapore rispetto
al ghiaccio e dalla temperatura; meno dalla velocità di
formazione
FORME BRINATE
oltre alla assunzione
per sublimazione si può
avere l’assunzione
diretta di goccioline di
acqua in condizioni
forte umidità sulla
superficie fredda dei
cristalli = brinamento
Avviene in condizioni di
turbolenza con risalita
dei cristalli
NEVE PALLOTTOLARE
si ha così la formazione
del nevischio o neve
pallottolare una forma
particolarmente
importante perché
forma ottimi piani di
scivolamento per le
valanghe
ALTRE IDROMETEORE SOLIDE: BRINA DI SUPERFICIE
sublimazione di vapore con
cristallizzazione su superfici
fredde in assenza di vento: di
giorno
riscaldamento
con
accumulo di vapore al suolo, di
notte forte irraggiamento con
raffreddamento della superficie
della neve = sublimazione con
formazione
di
lamelle
o
ventagli
 strutture estremamente fragili
e ottime per costituire lo strato
debole e il piano di
scivolamento delle valanghe
nel caso di inglobamento nel
manto nevoso

ALTRE IDROMETEORE SOLIDE: GALAVERNA
brina opaca o brina soffice o
galaverna = in presenza di
nebbia o nubi basse (forte
umidità), con temperature < di
0°C e con vento si ha
solidificazione di gocce di
acqua in forma di granuli di
ghiaccio bianco opaco sui lati
esposti al vento
 anche questa è una struttura
decisamente fragile e quindi
pericolosa
nel
caso
di
inglobamento
nel
manto
nevoso

ALTRE IDROMETEORE SOLIDE: SFERETTE DI
GHIACCIO
 goccioline
di pioggia ghiacciate
 costituirebbero
un
grosso
pericolo:
struttura
decisamente fragile e quindi pericolosa nel caso di
inglobamento nel manto nevoso
 In generale, tuttavia non si verificano precipitazioni in
grado di formare strati deboli
ALTRE IDROMETEORE SOLIDE: GRANDINE
 crescita
di grani di ghiaccio amorfo, in atmosfera con
molta turbolenza, per adesione in vari strati di acqua
sopraffusa:
 se si seziona un grano si individuano le stratificazioni;
meno importante per le valanghe: si verifica in genere
nei mesi caldi ed è più rara in inverno
LA NEVE AL SUOLO: IL MANTO NEVOSO
 miscuglio
di proporzioni
variabilissime di cristalli di
ghiaccio, vapore d'acqua,
acqua liquida, aria e vari
altri componenti meteorici
o presenti al suolo
 la struttura, composizione
e caratteristiche chimico
fisiche sono in continua
evoluzione
dovuta
a
molteplici fattori
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL
MANTO NEVOSO
IL FLUSSO DI CALORE GEOTERMICO
apporto di calore dovuto al
calore interno al pianeta (calore
latente immagazzinato alla sua
formazione, decadimento di
materiali radioattivi,
sprigionamento di energia per gli
attriti tra le placche continentali,
ecc.)
è un flusso costante di 50
kcal/cmq/anno = con un manto
di 50-60 cm (ottimo isolante) il
flusso geotermico determina una
temperatura di 0°C al suolo
condizione decisiva per
l'evoluzione della neve al suolo =
è il solo fattore costante
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL
MANTO NEVOSO: PRESSIONI
dovute a nuova massa
nevosa (es. 50 cm di
neve con densità = 150
kg/mc determina un
carico di 75 kg/mq),
pioggia, sollecitazioni
esterne (persone,
animali, mezzi, vento) =
diminuzione degli
spessori,
compattazione,
variazione delle forme
cristalline, diminuzione
del contenuto in aria
NUOVE PRECIPITAZIONI NEVOSE
aumento degli
spessori e e delle
masse masse ma
anche variazione dei
rapporti termici con
diversa distribuzione
delle temperature
(gradiente) oltre alla
variazione delle
temperature in
superficie
NUOVE PRECIPITAZIONI: PIOGGIA
favorisce la fusione ma è poco
importante per il bilancio
termico = servono 179,8 cal
per sciogliere 1g di neve; sono
necessari 8mm di pioggia per
ottenere 80cal a 10°C e 92mm
a 0,5°C
è importante per la formazione
di croste ghiacciate e quindi
piani di scivolamento oppure,
in caso di alte temperature per
la rottura dei legami tra i
cristalli e per l’appesantimento
del manto nevoso
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL
MANTO NEVOSO: RADIAZIONE INCIDENTE
soleggiamento diretto = alte
frequenze (quelle
dell’ultravioletto e quelle del
visibile)= le nevi fresche
riflettono fino al 90% con un
minimo del 60% per le nevi
sporche e con grossi cristalli
tondeggianti
per questo la radiazione diretta
scalda pochissimo il manto
nevoso
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL
MANTO NEVOSO: RADIAZIONE NELL’INFRAROSSO
radiazione infrarossa = basse
frequenze = tipica delle giornate
nuvolose = è efficace e determina il
riscaldamento del manto (bilancio
termico positivo) ecco perché nelle
giornate serene la neve può essere
secca mentre nelle giornate
nuvolose è spesso umida
ESEMPI

Giornata serena: neve
asciutta e fredda anche al
sole

Giornata nuvolosa: neve
meno fredda e umida anche
a nord
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL
MANTO NEVOSO: NEBBIA
elevata umidità, apporto di
calore durante le ore calde,
durante le ore fredde
condensazione e
sublimazione con
brinamento (in assenza di
vento)
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL
MANTO NEVOSO: IL VENTO
Azione meccanica e
termica
IL VENTO: AZIONE MECCANICA
rimaneggiamento del manto
nevoso con spostamento
anche di grandi masse =
lastroni da vento
effetti meccanici sui
cristalli con variazione
delle forme e dei tipi di
legami
IL VENTO: TRASPORTO DI CALORE
fondamentale come pompa di
calore con importantissimi effetti
sugli scambi termici con apporto o
asporto di calore e vapore: gli
effetti termici sono molto più rapidi
e profondi che per gli altri fattori
Un vento freddo e secco può
raffreddare molto rapidamente il
manto nevoso di 10°C in una sola
giornata;
l’effetto
contrario
(riscaldamento in profondità) è
ottenuto da un vento caldo (es.
condizione di fohn)
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL MANTO NEVOSO:
IRRAGGIAMENTO NOTTURNO CON CIELO SERENO
forte perdita di calore soprattutto
nelle notti serene (con un
bilancio termico negativo) e forte
raffreddamento del manto
nevoso
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EVOLUZIONE DEL MANTO NEVOSO:
LA TEMPERATURA
Si è fin qui compreso che uno dei
fattori fondamentali dell’evoluzione
del manto nevoso è il calore
acquisito o perso dalla neve al suolo
Andremo ora ad esaminare gli effetti
delle variazioni di temperatura nel
manto nevoso con i conseguenti
metamorfismi dei cristalli di neve
Per studiare questi aspetti si procede
alla misurazione della temperatura
del manto nevoso con un scavo e la
misurazione ogni 10 cm
LA TEMPERATURA
La distribuzione delle temperature in senso verticale è dovuta agli
scambi termici all’interno del manto nevoso e tra questo e il suolo
e l’atmosfera
all’interno del manto questo avviene per conduzione termica della
fase ghiaccio, della fase liquida e scambio di calore latente in
evaporazione e sublimazione
fino a poco tempo fa si riteneva che questo avvenisse
fondamentalmente per convezione gassosa (possibile in zone
molto fredde Alaska-Lapponia)
secondo Gubler alle nostre latitudini questo processo è da
escudere = il flusso di vapore avviene per tensione superficiale
intorno ai cristalli e nelle microcavità
LA TEMPERATURA: GRAFICI
riportando su un grafico in
ordinata le altezze di
misurazione e in ascissa
le temperature si ottiene
l'andamento che può
essere fondamentalmente
di tre tipi:
Temperature da fusione =
prossime allo zero
Da basso gradiente
Da medio e alto gradiente
LA TEMPERATURA: CONCETTO DI GRADIENTE TERMICO
È il rapporto tra la
differenza di temperature in
un intervallo di spazio in
questo caso tra due punti di
misurazione
Vi possono essere tre
condizioni:
basso gradiente =
<0,05°C/cm
medio gradiente = tra 0,05
e 0,2°C/cm
Alto gradiente = > 0,2°C/cm
VARIAZIONI DELLA TEMPERATURA E METAMORFISMI DELLA NEVE AL
SUOLO
Andremo ora ad analizzare le trasformazioni dei cristalli di neve
al suolo in base alle diverse condizioni termiche del manto
nevoso
IN BASE ALL’INCIDENZA DI TUTTE QUESTE VARIABILI, IL
MANTO NEVOSO EVOLVE DALLA CONDIZIONI INIZIALE
“GRANO 1”:
METAMORFISMI DA DEBOLE GRADIENTE
METAMORFISMI DA DEBOLE GRADIENTE
la tensione di vapore non è omogenea:
più molecole attorno ai punti “meno
freddi" (parti fini o appuntite o
convesse)
meno molecole nei punti più "freddi"
(parti grosse o concavità)
la stessa cosa vale tra un cristallo
piccolo e uno grosso
per riequilibrio energetico si ha
migrazione di molecole verso le zone
a minor tensione di vapore
in zone fini= liberazione di molecole
(zone meno fredde)
in zone di arrivo= deposito di molecole
nelle zone più fredde
Trasferimento di vapore
METAMORFISMI DA DEBOLE GRADIENTE
nelle
fasi
iniziali,
la
STRUTTURA DEL FIOCCO, A
SIMMETRIA
ESAGONALE,
perde LE ESTREMITA’ ma sono
ancora riconoscibili le strutture
iniziali – CRISTALLI 2
Neve fresca
Neve parzialmente trasformata; IL
PROCESSO è MOLTO RAPIDO IN
PRESENZA DI FORTI VENTI METAMOFISMO MECCANICO,
particelle 2b
METAMORFISMI DA DEBOLE GRADIENTE
nello stadio finale il
cristallo
diviene
una
sferula
con
diametro
minore o uguale a 0,5
mm (classica forma della
neve dei lastroni da
vento) detti grani fini –
CRISTALLI 3 con
conseguente perdita di
aria
e
notevole
assestamento
DEBOLE GRADIENTE: SINTERIZZAZIONE
Con il procedere dei processi si formano legami molto
forti. Per la sola azione della temperatura i tempi
richiedono gironi. Gli stessi risultati possono essere
raggiunti anche in poche ore dal vento: lastroni da
vento
METAMORFISMI DA GRADIENTE MEDIO ED ELEVATO
METAMORFISMI DA GRADIENTE MEDIO ED ELEVATO
Si hanno sensibili differenze (>0,06°C/cm) non solo tra
parti di cristalli o zone convesse e concave ma tra strati
creazione di un flusso ascensionale di vapore da strati
"meno freddi" inferiori a quelli “più freddi" superiori per
trasporto di calore attraverso la fase ghiaccio (più
conduttore dell'aria) e per trasporto di vapore (calore
latente) quest'ultimo è piccolo = satura 2-3 pori superiori
poi sublima e così via
METAMORFISMI DA GRADIENTE MEDIO
il vapore sublima sui cristalli più freddi
superiori formando superfici piane e
sfaccettature sempre con struttura
esagonale = cristalli sfaccettati
(CRISTALLO 4)
METAMORFISMI DA GRADIENTE ELEVATO
(> 0,15-0.20 °C/cm) il processo è
molto attivo il vapore che sale
sublima alla base dei granuli
superiori
con
cristallizzazione
esagonale e forte aumento delle
dimensioni (si arriva anche ai cm)
formazione di
piramidi esagonali
per lo più cave dette
cristalli a calice o
brina di fondo
(CRISTALLO 5)
METAMORFISMI DA GRADIENTE ELEVATO
il processo termina con una
specie di corto circuito
termico: quello superiore
che cresce tocca quello
inferiore che cala
 si
ha la scomparsa di
legami orizzontali e la
formazione di soli legami
verticali molto deboli
 si formano strutture a
colonne rigide = con buona
resistenza alla
compressione (possono
sopportare anche nevicate
importanti) ma scarsissima
resistenza al taglio

METAMORFISMI DA GRADIENTE ELEVATO
il processo è favorito sui versanti in ombra, da bassa densità
(alta tensione di vapore e presenza di aria), presenza di cavità
(erbe alte, arbusti, ghiaioni, ecc.), da bassi spessori del manto
nevoso (a pari temperatura aumenta il gradiente = con una
differenza di 15°C tra il suolo e la superficie: con 150 cm di neve
gradiente = 0,1°C/cm con 50 cm gradiente = 0,3°C/cm);
ricordare che strati compatti impermeabili ( croste da fusione e
rigelo) possono fungere da riduzione degli spessori del manto
creando uno “strato basale virtuale”
 ricordare che questo processo richiede aria quindi non è
possibile in presenza di acqua liquida o in nevi molto dense (per
questo non avviene in strati che hanno subito fusione e rigelo
anche in condizioni di alto gradiente; può avvenire sopra o sotto
lo strato da fusione e rigelo)

METAMORFISMI DA GRADIENTE ELEVATO

Sia i cristalli sfaccettati che
quelli a calice vanno a
costituire ottimi strati deboli e
piani di scivolamento per le
valanghe: le luminescenze sul
piano di scivolamento sono
date da questi cristalli

la
brina
di
profondità
visivamente assomiglia a sale
grosso la resistenza è quella
dei grani di polistirolo cioè
nulla
METAMORFISMI DA GRADIENTE ELEVATO
Esempio di distacco di lastrone su
strato debole (cristallo sfaccettato 4)
METAMORFISMI DA FUSIONE E RIGELO CON
TEMPERATURE INIZIALI PROSSIME ALLO ZERO
METAMORFISMI DA FUSIONE E RIGELO
tipici della primavera ma anche
di periodi “caldi” in pieno
inverno; quando la temperatura
raggiunge gli 0°C = inizia la
fusione e compare acqua
liquida in torno ai grani
 Si smussano le spigolosità e si
rompono i legami diretti; nel
caso di ritorno a basse
temperature si ha rigelo
 in fase finale del processo di
fusione e rigelo = formazione di
grossi grani arrotondati e
formazione
di policristalli
formati dai grani di ghiaccio e
dall'acqua capillare ghiacciata
intorno e fra di essi (CRISTALLI
6 a e b)

METAMORFISMI DA FUSIONE E RIGELO
 In
caso di fusione se
l’acqua è poca = < 3%
del volume risale per
capillarità
=
neve
umida sostituisce la
coesione
per
sinterizzazione
con
coesione
per
capillarità = efficace
(nevi primaverili) tipo
“cemento armato”
METAMORFISMI DA FUSIONE E RIGELO
 In
caso di fusione se
La percentuale di
acqua è elevata >12%
si ha fluidificazione e
lubrificazione
=
valanghe
di
neve
fradicia (sia colate che
valanghe
catastrofiche)
METAMORFISMI DA FUSIONE E RIGELO
alle quote elevate (almeno
negli anni passati) dopo la
fusione primaverile ed
estiva una parte resta fino
alle nevicate dell'anno
successivo = formazione
del
nevato
(massa
volumica intorno ai 550600 kg/mc)
 dal nevato con vari cicli
annuali di fusione e rigelo
si passa al ghiacciaio per
perdita progressiva di aria
(massa
volumica
prossima a 916 kg/mc)

ALTRI METAMORFISMI
 sinterizzazione
da
vento
=
rapida
frammentazione
con
arrotondamento
più
pressione meccanica
con
conseguente
rapida sinterizzazione
(anche
lastroni
durissimi
appena
scalfiti dalle lamine
degli sci o dai ramponi)
ALTRI METAMORFISMI
 sinterizzazione
vento
lastroni
da
formazione di
ALTRI METAMORFISMI
 sinterizzazione
per pressione
DEPOSITI DI SUPERFICIE
 Da
soleggiamento
diretto = formazione di
uno strato sottile e
translucido da rigelo
del vapore dato dalla
radiazione diretta del
sole = superficie molto
liscia e spesso con
vuoto tra esso la
superficie sottostante =
Firnspiegel
=
bassissima resistenza
e ottimo piano di
scivolamento – classe
9c
METAMORFISMI I CICLI POSSIBILI
LE NEVICATE ECCEZIONALI DELL’ULTIMO INVERNO
E LE VALANGHE ASSOCIATE…
GRAZIE PER LA VOSTRA
ATTENZIONE 