15a neve

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La prima parte delle slides sulla neve. Contiene una descrizione introduttiva dei processi e dei metamorfismi della neve e le definizioni relative necessarie ad un trattamento quantitativo

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15a neve

  1. 1. Neve: fenomenologia Turner, Snow Storm, 1842 Riccardo Rigon, Matteo Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  2. 2. Neve Sì, ancora la neve ... Che sarà della neve, del giardino, che sarà del libero arbitrio e del destino e di chi ha perso nella neve il cammino .... Andrea Zanzotto (La beltà, 1968) 2R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  3. 3. Neve La neve La precipitazione nevosa è un elemento importante del ciclo idrologico: nei bacini artici ed alpini, può contribuire ad oltre il 95% del bilancio idrico e causare oltre il 50% delle piene, durante lo scioglimento. La neve modifica in modo essenziale il bilancio energetico della superficie terrestre, con conseguenze rilevanti sul clima e sugli ecosistemi. 3D. ClineWednesday, May 30, 12
  4. 4. Neve Per la compresione dei fenomeni elencati è importante capire •I meccanismi di precipitazione e accumulo della neve •I meccanismi ablazione e di movimento della neve •I meccanismi di formazione del deflusso 4D. ClineWednesday, May 30, 12
  5. 5. Neve E’ importante quantificare •La quantita di neve precipitata e la sua redistribuzione a causa del vento •L’ acqua presente nel manto nevoso •La quantità di neve persa per sublimazione •La quantità e i tempi della fusione •Le modalità di aggregazione del deflusso dell’acqua di fusione 5D. ClineWednesday, May 30, 12
  6. 6. La formazione della precipitazione nevosa La formazione della precipitazione nevosa 6D. ClineWednesday, May 30, 12
  7. 7. La formazione della precipitazione nevosa La formazione della precipitazione nevosa Condizioni necessarie: •Presenza di vapore acqueo •Pressione di vapore superiore a quella di equilibrio •Temperatura T < 0 •Presenza di nuclei di condensazione 7D. ClineWednesday, May 30, 12
  8. 8. La formazione della precipitazione nevosa Se il processo di condensazione si innesca Si hanno diversi fasi di formazione: •Nucleazione •Formazione di cristalli di ghiaccio •Formazione dei cristalli di neve Crescita dei cristalli Riming Aggregazione 8D. ClineWednesday, May 30, 12
  9. 9. La formazione della precipitazione nevosa 9D. ClineWednesday, May 30, 12
  10. 10. I cristalli di neve 10R. RigonWednesday, May 30, 12
  11. 11. I cristalli di neve La neve alla microscala 11R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  12. 12. I cristalli di neve Sui cristalli di neve 12D. Cat BerroWednesday, May 30, 12
  13. 13. La formazione della precipitazione nevosa Le precipitazioni nevose sono legate a particolari situazioni sinottiche 13D. ClineWednesday, May 30, 12
  14. 14. La formazione della precipitazione nevosa Ma localmente è difficile Prevedere la neve (quantità, limite nevicata): una sfida… - Effetto valle - Quota inferiore sul basso Piemonte - Effetto rovesci / isotermie verticali - Quantità difficili da prevedere in prossimità di 0 °C 14D. Cat BerroWednesday, May 30, 12
  15. 15. La formazione della precipitazione nevosa Nei modelli idrologici Si usa spesso, la regola dello U.S. Corps of Engineers: •se la temperatura è inferiore a -6 C, la precipitazione è totalmente nevosa •se la temperatura è superiore a 6 C, la precipitazione è liquida •per valori intermedi solo una frazione è neve, il resto pioggia. I modelli moderni usano però informazioni satellitari ( o previsioni di modelli meteorologici ad area limitata) 15R. RigonWednesday, May 30, 12
  16. 16. La neve al suolo La statistica della precipitazione nevosa 16D. Cat BerroWednesday, May 30, 12
  17. 17. La neve al suolo La statistica della precipitazione nevosa Gli spessori di neve più elevati nel mondo e nelle Alpi italiane 1140 cm l11 marzo 1911 a Tamarack, California (USA) 1035 cm il 28 marzo 1937 al Piccolo San Bernardo (Aosta) 850 cm il 14 marzo 1972 al Lago Valsoera (Torino) 600 cm il 13 febbraio 1951 al Lago Toggia (Verbania) Le nevicate più abbondanti in un giorno nel mondo e in Italia 193 cm il 15 aprile 1921 a Silver Lake, Colorado (USA) 340 cm nel dicembre 1961 a Roccacaramanico (LAquila), record non omologato 198 cm il 30 dicembre 1917 a Gressoney-La Trinité 155 cm l11 marzo 2004 a Gares (Belluno) 17D. Cat BerroWednesday, May 30, 12
  18. 18. La neve al suolo La statistica della precipitazione nevosa 18D. Cat BerroWednesday, May 30, 12
  19. 19. La neve al suolo La statistica della precipitazione nevosa Drastica riduzione di innevamenteo da fine Anni 1980. 2007-08, inverno meno nevoso e più caldo. 19D. Cat BerroWednesday, May 30, 12
  20. 20. La neve al suolo I cristalli di neve Forme di basefrom: The Snowflake: Winter’s Secret Beauty, Kenneth Libbrecht and Patricia Rasmussen Piatto Colonnare Dentritico La forma complessiva dipende dalla temperatura e dalla disponibilità d’acqua. 20 R. Rigon, M. Dall’Amico Wednesday, May 30, 12
  21. 21. Kenneth G. Libbrecht,: http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/ primer/primer.htmWednesday, May 30, 12 La neve al suolo R. Rigon, M. Dall’Amico I cristalli di neve 21
  22. 22. La neve al suolo Fotografie dei cristalli di neve Rime on Plate Crystal Early Rounding Faceted Growth Early Sintering (Bonding) Wind-Blown Grains Melt-Freeze with Melt-Freeze with Faceted Layer Growth Hollow, Faceted Grain No Liquid Water Liquid Water (Depth Hoar) 22R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  23. 23. La neve al suolo Dimensioni caratteristiche Term Size [mm] Very fine  0.2 Fine 0.2-0.5 Medium 0.5 - 1.0 Coarse 1.0 -2.0 Very coarse 2.0 -5.0 Extreme 5 23D. ClineWednesday, May 30, 12
  24. 24. La neve al suolo La neve al suolo Modis, Alta Valsugana, 24 ottobre 2003 24R. Rigon, S. EndrizziWednesday, May 30, 12
  25. 25. La neve al suolo La neve al suolo Modis, Alta Valsugana, 17 Novembre 2003 25R. Rigon, S. EndrizziWednesday, May 30, 12
  26. 26. La neve al suolo La neve al suolo Modis, Alta Valsugana, 17 Gennaio 2004 26R. Rigon, S. EndrizziWednesday, May 30, 12
  27. 27. La neve al suolo La neve al suolo Modis, Alta Valsugana, 16 Maggio, 2004 27R. Rigon, S. EndrizziWednesday, May 30, 12
  28. 28. Metamorfismi Andamento stagionale della neve Modificato da Dingman, 1994 e della sua temperatura alle medie latitudini 28R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  29. 29. Metamorfismi Andamento stagionale della neve Modificato da Dingman, 1994 e della sua temperatura alle medie latitudini 29R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  30. 30. Metamorfismi Andamento stagionale della neve Modificato da Dingman, 1994 e della sua temperatura alle medie latitudini 30R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  31. 31. Metamorfismi Andamento stagionale della neve in zone tropicali Nelle condizioni climatiche attuali, la neve nelle zone tropicali si può accumulare solo in alta quota. Tale accumulo è conseguente, specialmente, all’avvicendarsi di stagioni umide con stagioni più secche (per esempio, in conseguenza di fenomeni come El Nino, La Nina) Nelle stagioni secche, la neve temde a sciogliersi, nelle stagioni umide, ad accumularsi. 31R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  32. 32. Neve Distribuzione Areale 32D. ClineWednesday, May 30, 12
  33. 33. Neve Distribuzione Areale Scale Spaziali Differenze di Differenze di Dinamica accumulo accumulo meteorologica dovute alle singole dovute alla piante e copertura vegetale alla micro-topografia alla micro-topografia Turbolenza di piccola Caratteristiche del scala terreno Microscala Mesoscala Macroscala 10 - 100 m 100 m - 10 km > 10 km 33D. ClineWednesday, May 30, 12
  34. 34. Neve Distribuzione Areale Effetti della topografia •Localmente la copertura nevosa cresce con la quota - cresce infatti il numero di eventi piovosi - descresce l’evapotraspirazione e la fusione •L’incremento è estremamente variabile di anno in anno •Altri fattori che topografici che influenzano la copertura nevosa: - pendenza, aspetto 34D. ClineWednesday, May 30, 12
  35. 35. Neve Distribuzione Areale Effetti della vegetazione •Conifere e specie decidue accumulano, ovviamente, quantità differenti di neve •La neve sulle chiome sublima più velocemente che la neve sul terreno 35D. ClineWednesday, May 30, 12
  36. 36. Neve Distribuzione Areale Effetti della vegetazione La maggior parte degli studi mostra come gli accumuli di neve avvengano prevalentemente nelle radure piuttosto che all’interno della foresta. 20-45% Greater Snow Accumulation Le radure non sono generalmente soggette a grande ridistribuzione di neve per effetto del vento, pertanto il fattore di maggior contributo relativamente a tali differenze è la sublimazione della neve, che è favorita dal riscaldamento del tronco. 36D. ClineWednesday, May 30, 12
  37. 37. Neve Distribuzione Areale Ambienti Aperti L’insieme della distribuzione della vegetazione e della topografia può produrre variazioni considerevoli nei “patterns” di distribuzione della neve. 37D. ClineWednesday, May 30, 12
  38. 38. Neve Distribuzione Areale Ambienti Aperti 38D. ClineWednesday, May 30, 12
  39. 39. Il vento e la neve Processi di redistribuzione della neve Lenhing, 2005 39R. RigonWednesday, May 30, 12
  40. 40. Il vento e la neve Blowing Snow Il trasporto di neve dovuto al vento è un effetto di rilievo sulla distribuzione della neve. 40D. ClineWednesday, May 30, 12
  41. 41. Il vento e la neve Blowing Snow Quattro fattori: 1 - Velocità di trascinamento 2 - Soglie di velocità di vento 3 - Tipi di trasporto 4 - Efficienza (rate of) del trasporto 41D. ClineWednesday, May 30, 12
  42. 42. Il vento e la neve Blowing Snow Velocità di trascinamento La velocità di trascinamento del vento u* è di solito calcolata dai profili di vento, ma è anche in uso la pratica di stimarla da una singola misura di velocità a 10 m: where red. factor u⇤ (u10 = 5) m/s Antartic Ice Sheet u10 /26.5 0.19 Snow-covered lake u1.18 /41.7 10 0.16 Snow-covered fallow field u1.30 /44.2 10 0.18 1.5000 1.1250 0.7500 u* 0.3750 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 10-m Wind Speed 42 Antarctic Lake FieldD. ClineWednesday, May 30, 12
  43. 43. Il vento e la neve Blowing Snow Soglie sulla velocità del vento alle quali il trasporto inizia. Le soglie dipendono dalle caratteristiche della neve. Type of snow u⇤ m s t 1 Old, wind-hardened 0.25 -1 dense, or wet Fresh, loose, dry snow 0.07-0.25 and during snowfall 43D. ClineWednesday, May 30, 12
  44. 44. Il vento e la neve Blowing Snow 3 Tipi di trasporto Type of movement Motion Typical Height u⇤ [m] [m s 1 ] Creep Roll  0.01 5 Saltation Bounce 0.01-0.1 5-10 Turbulent Supended 1-100 10 Di↵usion 44D. ClineWednesday, May 30, 12
  45. 45. Il vento e la neve Blowing Snow La velocità di trasporto dipende dalle condizioni della superficie della neve ma approssimativamente è / u3 10 Raddoppiando la velocità, il trasporto aumenta di otto volte; quadruplicando la velocità il trasporto aumenta di 64 volte 45D. ClineWednesday, May 30, 12
  46. 46. Il vento e la neve Blowing Snow Durante il trasporto, le particelle di neve sono maggiormente soggette alla sublimazione di quanto non siano quanto sono ferme. Mean Annual Blowing Snow Sublimation CANADA, 1970-1976 Loss in mm SWE over 1 km 22 25 16 20 30 50 22 25 46D. ClineWednesday, May 30, 12
  47. 47. Il vento e la neve Blowing Snow Il trasporto causa la modifica dei cristalli di ghiaccio: - li rende più arrontondati. Conseguentemente gli accumuli di neve per trasporto sono più densi della neve caduta in sito Cristalli di Cristalli di neve neve raccolti dopo una raccolti nevicata con durante poco vento il trasporto 2 mm 47D. ClineWednesday, May 30, 12
  48. 48. Il vento e la neve Blowing Snow Complessivamente il trasporto produce anche delle forme ben riconoscibili da satellite. 48D. ClineWednesday, May 30, 12
  49. 49. cevento eSnow Distribution Patterns Il of la neve Blowing SnowDescription of Mountainpianure ... ma anche delle Patterns caratterisitica delle Snow Non è una Persistence of Snow Distribution zone alpine tion Process Description of Mountain Snow Distribution 49 M. Lehning Wednesday, May 30, 12
  50. 50. Neve Il mantello nevoso La colonna di neve Massa Volume Aria Mag Vag M⇤ V⇤ Ghiaccio Mi Vi Acqua (Liquida) Mw Vw 50R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  51. 51. Neve Il manto nevoso Il manto nevoso (snow-pack) è: - un mezzo poroso (come mostrato nella slide precedente) Generalmente composto da strati, più o meno omogenei, di differente spessore e da tipi differenti di neve Gli strati sono composti da cristalli e grani che sono, di solito, legati da qualche tipo di coesione. 51R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  52. 52. Neve Notazione di base M⇤ = Mag + Mw + Mi M ⇤ = Mv + Mw + Mi 52R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  53. 53. Neve Notazione di base Massa della neve M⇤ = Mag + Mw + Mi M ⇤ = Mv + Mw + Mi 52R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  54. 54. Neve Notazione di base Massa della neve Massa dell’aria M⇤ = Mag + Mw + Mi M ⇤ = Mv + Mw + Mi 52R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  55. 55. Neve Notazione di base Massa della neve Massa dell’aria M⇤ = Mag + Mw + Mi M ⇤ = Mv + Mw + Mi Massa dell’acqua liquida 52R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  56. 56. Neve Notazione di base Massa della neve Massa dell’aria M⇤ = Mag + Mw + Mi M ⇤ = Mv + Mw + Mi Massa del vapore Massa dell’acqua liquida 52R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  57. 57. Neve Notazione di base Massa della neve Massa dell’aria M⇤ = Mag + Mw + Mi M ⇤ = Mv + Mw + Mi Massa del Massa del vapore ghiaccio Massa dell’acqua liquida 52R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  58. 58. Neve Notazione di base I volumi con gli stessi indici delle masse V⇤ = Vag + Vw + Vi Vtw = Vv + Vw + Vi 53R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  59. 59. Neve Notazione di base Densità del ghiaccio ice density Mi ⇢i := Vi Densità apparente della neve snow bulk density M⇤ M⇤ ⇢⇤ := = V⇤ Vag + Vw + Vi 54R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  60. 60. Neve Variazioni della densità nel tempo McKay, 1970 55R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  61. 61. Neve Densità tipiche della neve Snow Type Density [kg m 3 ] Wild snow 10-30 New snow 50-60 falling in still air Settling snow 70-90 Average wind-toughened 280 snow Hard wind slab 400-500 New firn snow 550-650 Thawing firn snow 600-700 56R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  62. 62. Neve Notazione di base Contenuto volumetrico d’acqua nella neve(adimensionale) Volume fraction of liquid water in snow pores Vw ✓w := Vag + Vw + Vi Contenuto volumetrico adimensionale di ghiaccio nella neve Volume fraction of frozen water (ice) in snow Vi ✓i := Vag + Vw + Vi 57R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  63. 63. Neve Notazione di base Porosità della neve Vag + Vw ⇤ := Vag + Vw + Vi Saturazione (relativa) dei suoli ✓w S⇤ := ⇤ 58R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  64. 64. Neve Notazione di base Equivalente in acqua della neve ⇢i Vw (A) + ⇢w Vi (A) h⇤ := A Volume dell’acqua derivante dalla completa fusione della neve su un area orizzontale corispondente. ✓ ◆ ✓ ◆ ⇢i V⇤ ⇢i h⇤ = ✓w + (1 ⇤) = ✓w + (1 ⇤) hsn ⇢w A ⇢w V⇤ hsn := A 59R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  65. 65. Neve Caratteristiche qualitative del manto nevoso Term Size ✓⇤ Dry Usually T  0 C 0 Little tendency for snow grain to stick together Moist T =0 C  0.03 Grains stick together Wet T =0 C 0.03 - 0.08 Water can be seen in meniscus, but not squeezed out from snow Pendular regime Very wet T =0 C 0.08 - 0.15 Water can be pressed out by squeezing snow Appreciable amount of air (funicular regime) Slush T =0 C 0.15 The snow is flooded with water. No air 60D. ClineWednesday, May 30, 12
  66. 66. Neve Altre caratteristiche del manto nevoso •Forma dei grani di neve •Dimensione dei grani di neve •Albedo •Temperatura •Durezza •Proprietà meccaniche 61R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  67. 67. Neve Variazione dell’albedo nel tempo 62R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  68. 68. Neve Proprietà termiche della neve Si assume che il flusso di calore segua la legge di Fourier: ~ ~ Jh = Kh rT 63R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  69. 69. Neve Proprietà termiche della neve Si assume che il flusso di calore segua la legge di Fourier: ~ ~ Jh = Kh rT Flusso di calore W m-2 63R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  70. 70. Neve Proprietà termiche della neve Si assume che il flusso di calore segua la legge di Fourier: Conducibilità termica W m-1 K-1 ~ ~ Jh = Kh rT Flusso di calore W m-2 63R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  71. 71. Neve Proprietà termiche della neve Si assume che il flusso di calore segua la legge di Fourier: Conducibilità termica W m-1 K-1 ~ ~ Jh = Kh rT Flusso di calore W m-2 Gradiente di Temperatura 63 K m-1R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  72. 72. Neve Proprietà termiche della neve ~ ~ Jh = Kh rT La conducibilità termica Kh è una misura della abilità di un materiale di trasmettere calore. un buon conduttore di calore ha un alto valore di K, un isolante ha un basso valore di K. Neve Fresca 0.03 (meglio della lana di vetro!) Neve vecchia 0.4 Ghiaccio 2.1   La neve attenua i cambiamenti termici dell’atmosfera. Per esempio un cambio di 1 grado di temperatura dell’aria in 15 minuti, cambia la temperatura a 20 cm di profondità nella neve di soli 0.1 gradi e di 0.01 gradi ad un metro.   64R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  73. 73. Neve Proprietà termiche della neve ~ ~ Jh = Kh rT Kh cresce con il metamorfismo della neve. d esempio, Sturm et al., 1997 fornisce questa formula parametrica: Kh = 0.138 1.01 ⇢ ⇤ +3.233 2 ⇢⇤ 65R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  74. 74. Neve Temperatura Generalmente nel manto nevoso si presentano due situazioni: - E’ presente una variazione di temperatura tra la sommità della neve e il il terreno su cui si posa: la temperatura è normalmente dominata dalla temperatura in superficie e il terreno si trova generalmente a 0 C .... a meno che non si sia in presenza di permafrost. - Non è presente alcun gradiente: la neve si trova in uno stato isotermo 66R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12
  75. 75. Neve Temperatura La neve è un buon isolante termico. Si generano gradienti di temperatura anche molto elevati in prossimità della superficie. 67Wednesday, May 30, 12
  76. 76. Neve Temperatura with and without ● SnowD meas SnowD sim 150 150 Flux to ground ● ● ●● Flux to ground [W/m^2] ●● ● ●● ● ● 120 ●●●● Snow Depth [cm] ● ●● ●● ● ●● ● ● 100 ● ● ● ● ● ● ● ● ● 90 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●●● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●● ●● ● ● ● ● ● ● ●● ●●●● ●● ●● ●● ● ●●● ● ●●● ● ●● ● ●● ● ● ●● ● ●●●● 60 ● ●● ● ● ● ●● ● ●●●●●●● ● ●●●●●● ● ●●●●●● ● ●●●●● ●●● ● ●● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● 50 ●● ● ● ● ●● ● ● ● ●● ● ● ● ● ●● ●● ●● ● ●● ●● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ●● ● ● ●● ●● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ●● ● ● ●● ● ● ● 30 ● ● ● ● ●● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ●● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●●● ● ● ● ● ●●●● ●●● ● ● ●●● ● ●●● ●● ● ● ●● ●●●●●● ●●●●● ●●●●●●●●●●● 0 0 ●●●●●● ●●●●●● ●●●●●● ●●●●● ●●●● ●●●●●●●●●● ●●●● ●●●●●●●●●● ●●● ●● ●●●●●●●●●● ●●●● ●●●●● ●● ●● ●● ●● ● Nov 97 Feb 98 May 98 Aug 98 Nov 98 inverno estate circa 50 W/m2 circa 5 W/m2 68R. Rigon, M. Dall’AmicoWednesday, May 30, 12

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