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Una brevissima introduzione al ciclo idrologico e alla sua misura. Una versione più lunga su SlidesIdrologia

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  • 1. Un Introduzione all’Idrologia per il corso di Costruzioni Idrauliche Susan Derges - Water hydrological Cycle Riccardo RigonTuesday, February 26, 13
  • 2. Introduzione Sincomincia con un temporale. ... Erano rotolii, onde che finivano in uno sbuffo: rumori noti, cose del paese. Tutto quello che abbiamo qui è movimentato, vivido, forse perché le distanze sono piccole e fisse come in un teatro. Gli scrosci erano sui cortili qua attorno, i tuoni quassù sopra i tetti; riconoscevo a orecchio, un po più in su, la posizione del solito Dio che faceva i temporali quando noi eravamo bambini, un personaggio del paese anche lui. Qui tutto è come intensificato, questione di scala probabilmente, di rapporti interni. La forma dei rumori e di questi pensieri (ma erano poi la stessa cosa) mi è parsa per un momento più vera del vero, però non si può più rifare con le parole. Luigi Meneghello - Incipit di “Libera Nos A Malo” 2 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 3. Introduzione Obiettivi 3 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 4. Introduzione Obiettivi •Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia: 3 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 5. Introduzione Obiettivi •Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia: •Quali sono gli elementi del ciclo idrologico 3 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 6. Introduzione Obiettivi •Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia: •Quali sono gli elementi del ciclo idrologico •Le scale spaziali e temporali coinvolte 3 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 7. Introduzione Obiettivi •Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia: •Quali sono gli elementi del ciclo idrologico •Le scale spaziali e temporali coinvolte •Il bilancio di massa e di energia su scala globale 3 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 8. Introduzione Obiettivi •Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia: •Quali sono gli elementi del ciclo idrologico •Le scale spaziali e temporali coinvolte •Il bilancio di massa e di energia su scala globale •La curva di Budyko 3 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 9. Introduzione Il ciclo Idrologico L’acqua sulla Terra fluisce dall’atmosfera al suolo, e quindi nei fiumi verso il mare per poi ritornare verso l’atmosfera: l’ idrologia e’ la scienza che studia questi flussi, il ciclo idrologico, e le riserve d’acqua 4 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 10. Introduzione Il ciclo Idrologico I flussi dall’atmosfera alla superficie terrestre si chiamano precipitazioni. L’acqua giunta al suolo si infiltra e defluisce all’interno del suolo (i deflussi sono allora detti laterali ) oppure ruscella in superficie. Contemporaneamente agisce l’evaporazione dai suoli, dalle superfici idriche e la traspirazione dalle piante e dagli animali (in una parola: l’evapotraspirazione). Infiltrazione ed evapotraspirazione costituiscono i flussi verticali. 5 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 11. How much ? Distribution of Water on Earth Saline groundwater & lakes Fresh Oceans 3% 2% 95% 6 K. CaylorTuesday, February 26, 13
  • 12. How much ? Distribution of Water on Earth Ice & Snow Saline groundwater & lakes Groundwater Fresh Surface Water Oceans 3% 2% 30% 70% 95% 0.34% 7 K. CaylorTuesday, February 26, 13
  • 13. How much ? Distribution of Water on Earth Ice & Snow Saline groundwater & lakes Groundwater Fresh Surface Water Oceans 3% 2% Surface water 30% is only 0.34% of all fresh 70% 95% water 0.34% 8 K. CaylorTuesday, February 26, 13
  • 14. How much ? Distribution of Water on Earth Ice & Snow Soil Saline groundwater & lakes Groundwater Fresh Surface Water moisture Oceans 3% Ice 14% 2% & Snow 30% Lakes, 70% 95% Wetlands, & Rivers 86% 0.34% 9 K. CaylorTuesday, February 26, 13
  • 15. How much ? Distribution of Water on Earth Ice & Snow Soil Saline groundwater & lakes Groundwater Fresh Surface Water moisture Oceans 3% Ice 14% 2% & Snow 30% Lakes, 70% 95% Wetlands, & Rivers 86% 0.34% Soil moisture is 0.001% of all water. Provides for all agricultural food production and sustains all terrestrial ecosystems 10 K. CaylorTuesday, February 26, 13
  • 16. How much In tabella con bibliografia Collocazione Area coperta Volume % % delle acque [106 km2 ] [106 km3 ] dolci Oceani 361.300 1.338 96.5 - Acque di falda 134.8 23.4 1.7 - Acque di falda dolci 10.530 0.76 30.1 Umidit` del suolo a 82 0.0165 0.001 0.05 Ghiacci e neve perenni 16.2275 24.0641 1.74 68.7 Antartico 13.980 21.600 1.56 61.7 Groenlandia 1.8024 2.340 0.17 6.68 Isole artiche 0.2261 0.0835 0.006 0.24 Aree montane 0.224 0.0406 0.003 0.12 Permafrost 21 0.3 0.022 0.86 Acque nei laghi 2.0587 0.1764 0.013 - Acque dolci nei laghi 1.2364 0.091 0.007 0.26 Acque salate nei laghi 0.8223 0.0854 0.006 - Lagune e paludi 2.682.6 0.01147 0.0002 0.006 Acque nei fiumi 148.8 0.00212 0.0002 0.0006 Acqua negli esseri viventi 510 0.0012 0.0.0001 0.0003 Acqua nell’atmosfera 510 0.0129 0.001 0.04 Totale d’acqua 510 1385.98561 100 - Totale d’acqua dolce 148.8 35.02921 2.53 100 Dati tratti da: Distribuzione delle risorse idriche mondiali (Global Change in the Geosphere-Biosphere, NRC, 1986, Shiklomanov and Skolov (1983). Ma si vedano anche: Oki et al., 2001; Shiklomanov, I. A., 2000; Vorosmarty et al., 2000; Hanasaki et al., 2006 11 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 17. Introduzione Il ciclo Idrologico sostiene la vita sulla Terra plasma la superficie della Terra regola il clima Il motore dei cicli idrologici sono la radiazione solare che produce nell’atmosfera e all’interno della suolo i gradienti di temperatura, pressione, densità e i cambiamenti di fase dell’acqua; la forza di gravità; le tensioni supeficiali; numerose forze di origine elettrochimica. 12 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 18. Ma ... Osservando i nostri pianeti vicini Venere Terra Marte 96.5% CO2 78 % N2 93.5% CO2 3.5% N2 31% O2 2.7% N2 13 A. KleidonTuesday, February 26, 13
  • 19. La vita presente sulla Terra influenza la composizione dell’atmosfera e dell’idrosfera La distribuzione dei gas in atmosfera è forse mantenuta tale dal fatto che la Terra ospita specie viventi ? Figure 1 The effect of life on the Earth’s atmosphere. Lenton, T., 1998 a, Atmospheric compositions of Earth, Mars and Venus (excluding water vapour and noble gases). b, Estimated fluxes of gases at the Earth’s surface in teramoles (1012 moles) per year, with (pre-industrial) life and without life. 14A. KleidonTuesday, February 26, 13
  • 20. La vita presente sulla Terra influenza la composizione dell’atmosfera e dell’idrosfera Quindi Si può forse congetturare che, viceversa, anche •i cicli idrologici come li vediamo oggi sono il risultato della presenza della vita sulla Terra 15R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 21. Introduzione Il ciclo Idrologico Figure modified after Horton, 1931 16 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 22. RFWR Il buon vecchio ciclo idrologico Oki and Kanae, 2006 17 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 23. RFWR Un aspetto rilevante E’ che solo una parte dell’acqua presente può essere utilizzata da ecosistemi e uomini. Questa parte della risorsa viene di solito denominata •Renewable Freshwater resources (RFWR), acqua dolce rinnovabile Può questa parte della risorsa soddisfare i bisogni umani ? 18 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 24. RFWR Il buon vecchio ciclo idrologico Oki and Kanae, 2006 19 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 25. RFWR Il buon vecchio ciclo idrologico Oki and Kanae, 2006 20 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 26. RFWR Il buon vecchio ciclo idrologico Oki and Kanae, 2006 La maggior parte della RFWR è costituita della portata dei fiumi 21 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 27. RFWR Il buon vecchio ciclo idrologico Oki and Kanae, 2006 22 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 28. RFWR Blue Water Green Water White Water Blue Water: acque superficiali e sotterranee Green Water: acqua nel suolo, disponibile per le piante White Water: just atmospheric water 23 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 29. RFWR Aeschbach-Hertig and Gleeson, 2012 24 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 30. Eventi Estremi Non è ovviamente, l’unico modo di guardare all’acqua E’ importante prevedere e prevenire eventi estremi 25 R. RigonTuesday, February 26, 13
  • 31. Misura e Rappresentazione delle Grandezze IdrologicheLeonardo da Vinci - L’uomo Vitruviano, ca 1487photo by Luc Viatour, www.lucnix.be RiccardoTuesday, February 26, 13
  • 32. “ Luomo è la misura di tutte le cose, di quelle che sono in quanto sono e di quelle che non sono in quanto non sono* ” Protagora, fr.1, in Platone, Teeteto, 152aTuesday, February 26, 13
  • 33. La misura La misura Io stimo di più il trovar un vero, benché di cosa leggera, che l disputar lungamente delle massime questioni senza conseguir verità nissuna. Galileo Galilei Scritti letterari * La misura invece cerca di stabilire delle procedure con le quali assegnare un grado di oggettività, sia pure empirica, a quanto visto, legato alla ripetibilità di quanto fatto ed ottenuto. Per quanto “naturale” ci sembri oggi il concetto di misura, esso è invece il frutto di una evoluzione culturale durata secoli, e la misurazione come la intendiamo oggi è un fatto relativamente recente 28Tuesday, February 26, 13
  • 34. La misura Misura ciò che è misurabile, e rendi misurabile ciò che non lo è. Galileo Galilei Diamo qui per scontato che ciascuno degli uditori abbia chiaro il concetto di misura (altrimenti, p.e. Agnoli, 2004, 2006, http://en.wikipedia.org/wiki/ ) History_of_measurement Con la consapevolezza che praticamente ogni parola delle frasi seguenti andrebbe spiegata: “Ad ogni grandezza fisica si deve, almeno in linea di principio, poter assegnare un valore numerico in modo univoco ed oggettivo, cioe riproducibile nelle stesse condizioni da qualsiasi osservatore; valore pari al rapporto fra la grandezza stessa e lunita di misura per essa prescelta (Loreti, 2006)”. 29Tuesday, February 26, 13
  • 35. La misura Misure dirette “Per eseguire tale associazione dobbiamo disporre di strumenti e metodi che ci permettano di mettere in relazione da una parte la grandezza da misurare, e dallaltra lunita di misura (oppure multipli o sottomultipli di essa); e ci dicano se esse sono uguali o, altrimenti, quale delle due e maggiore.” La misura si dice diretta quando si confronta direttamente la grandezza misurata con lunita di misura (campione) o suoi multipli o sottomultipli; per esempio la misura di una lunghezza mediante un regolo graduato e una misura diretta.(Loreti, 2006) E una misura diretta anche quella effettuata mediante luso di strumenti pretarati (ad esempio la misura della temperatura mediante un termometro), che si fonda sulla proprieta dello 30 strumento di reagire nella stessa maniera quando viene sottoposto alla medesima sollecitazione. Tuesday, February 26, 13
  • 36. La misura Misure indirette Misure indirette sono invece quelle in cui non si misura la grandezza che interessa, ma altre che risultino ad essa legate da una qualche relazione funzionale; cosi la velocita di unautomobile puo essere misurata direttamente (tachimetro) o indirettamente, misurando spazi percorsi e tempi impiegati dai quali si risale poi alla velocita (media) con una operazione matematica.(Loreti, 2006) 31 Tuesday, February 26, 13
  • 37. La misura Le misure idrologiche (Esempi) •Altezza di precipitazione (pioggia, neve ..) • Durata della precipitazione • Altezza idrometrica • Infiltrazione • Deflussi (superficiali, nei suoli, nelle acque sotterranee) • Evapotraspirazione • Velocità del vento • Temperature • Conducibilità idraulica • Tessitura del suolo • Contenuto d’acqua (e ghiaccio) del suolo • Pressione dell’acqua 32 • Pressione di vapore ..........Tuesday, February 26, 13
  • 38. Alcuni Casi Tipici Sequenza caratteristica di una misura idrologica Grandezza idrologica es. precipitazione Intensità del fenomeno, Rilevamento segnale osservabile Su carta o su supporto Registrazione informatico 33Stefano OrlandiniTuesday, February 26, 13
  • 39. Alcuni Casi Tipici Sequenza caratteristica di una misura idrologica Ad un centro di Trasmissione acquisizione Dai formati dello Conversione strumento alle grandezze Eliminazione degli Controllo errori, interpolazione dei dati mancanti, etc 34Stefano OrlandiniTuesday, February 26, 13
  • 40. Alcuni Casi Tipici Sequenza caratteristica di una misura idrologica Su vari supporti, oggi su Archiviazione database Recupero Dal database Utente finale 35Stefano OrlandiniTuesday, February 26, 13
  • 41. I dati idrologici hanno andamenti complessi Fattori che controllano le grandezze idrologiche 36Tuesday, February 26, 13
  • 42. I dati idrologici hanno andamenti complessi Fattori che controllano le grandezze idrologiche I cicli idrologici sono controllati da fattori innumerevoli: sono dipendenti da innumerevoli gradi di libertà. Solo una piccola porzione di questi fattori può essere presa in considerazione, mentre la parte rimanente deve essere modellata come condizione al contorno o rumore di fondo” (tale rumore viene modellato o eliminato con strumenti statistici). Spesso infatti l’idrologo registra eventi e non è in grado di effettuare esperimenti controllati (il laboratorio è il mondo). 36Tuesday, February 26, 13
  • 43. I dati idrologici hanno andamenti complessi Le dinamiche sono complesse 37Tuesday, February 26, 13
  • 44. I dati idrologici hanno andamenti complessi Le dinamiche sono complesse La dinamica dei cicli idrologici è non lineare. Sono non lineari sia lidrodinamica che la termodinamica dei processi che coinvolgono anche numerose transizioni di fase. Unaltra caratteristica non lineare è che molti processi sono attivati in dipendenza dal superamento di un valore di soglia di una quantità regolatrice. Per esempio: la condensazione del vapore dacqua in gocce di pioggia avviene quando lumidità dellatmosfera eccede la saturazione; le frane si innescano quando la forza dattrito allinterno dei materiali è superata dalla spinta dellacqua allinterno dei meati del suolo; linizio dei canali della rete idrografica per effetto dellacqua che scorre sul suolo quando si supera un certo valore forza per unità di superficie. 37Tuesday, February 26, 13
  • 45. I dati idrologici hanno andamenti complessi Le dinamiche sono complesse 38Tuesday, February 26, 13
  • 46. I dati idrologici hanno andamenti complessi Le dinamiche sono complesse La dinamica include processi che sono linearmente instabili: per esempio linstabilità baroclinica che guida i processi meteorologici alle latitudini medie. 38Tuesday, February 26, 13
  • 47. I dati idrologici hanno andamenti complessi I processi sono dissipativi 39Tuesday, February 26, 13
  • 48. I dati idrologici hanno andamenti complessi I processi sono dissipativi Le dinamiche climatiche ed idrologiche sono dissipative ovvero implicano il trasferimento di energia meccanica e la sua trasformazione in energia termica. I processi idrodinamici turbolenti trasportano energia dalle scale spaziali più grandi a quelle più piccole nelle quali lenergia è dissipata per attrito. Fenomeni ondulatori di vario tipo (per esempio onde di gravità) trasportano lenergia contenuta nellaria e nellacqua. 39Tuesday, February 26, 13
  • 49. I dati idrologici hanno andamenti complessi E dominati da eterogenetà 40Tuesday, February 26, 13
  • 50. I dati idrologici hanno andamenti complessi E dominati da eterogenetà I processi idrologici sono eterogenei. Ciò significa che i processi stessi sono regolati da parametri che variano irregolarmente da punto a punto. La conoscenza di tali parametri è pertanto possibile solo con una certa incertezza. 40Tuesday, February 26, 13
  • 51. Alcuni Casi Tipici La serie temporale delle precipitazioni 41Tuesday, February 26, 13
  • 52. Epilogo La misura delle variabili idrologiche è complessa e da risposte complesse. •Ogni rappresentazione di tali risposte mette in evidenza degli elementi particolare del processo. •La rappresentazione dipende anche da che cosa si vule conoscere e si ritiene importante •I dati costano e devono venire archiviati in modo da essere fruiti facilmente 42 •I dati sono essi stessi modelli della realtà e non possono essere creduti con assoluta certezzaTuesday, February 26, 13
  • 53. E quindi 43Tuesday, February 26, 13
  • 54. Tuesday, February 26, 13 Grazie per l’attenzione G.Ulrici - Uomo dope aver lavorato alle slides , 2000 ? 44

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