Power point sul carsismo glaciale. Giovanni Badino / La Venta

1. IL CARSISMO NEI GHIACCIAI: La fisica dei buchi nell’acqua A cura di Giovanni Badino Progetto Powerpoint 2007 Ghiacciao Grey - Patagonia, Cile

2. IL FENOMENO Sui grandi ghiacciai temperati scorrono torrenti (denominati “bediere” ), con portate d’acqua di 0.1-5 metri cubi al secondo. Sulla superficie si formano anche laghi. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Biafo - Karakorukm, Pakistan

3. IL FENOMENO Ghiacciaio Biafo - Karakorukm, Pakistan Ghiacciaio Upsala - Patagonia, Argentina Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

4. IL FENOMENO Ghiacciaio Tyndall - Patagonia, Cile Ghiacciaio Gorner - Monte Rosa, Svizzera Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

5. IL FENOMENO Ghiacciaio Gorner - Monte Rosa, Svizzera Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

6. IL FENOMENO Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

7. IL FENOMENO Questi fiumi dopo brevi percorsi si precipitano in rombanti pozzi nella massa di ghiaccio: i mulini glaciali. Sotto i bianchi e regolari pianori c'è evidentemente una struttura interna di drenaggio. Ghiacciaio Biafo - Karakorukm Pakistan Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

8. IL FENOMENO Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Biafo - Karakorukm Pakistan Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina

9. IL FENOMENO Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina Abisso Agassiz, Gorner - Monte Rosa, Svizzera

10. IL FENOMENO Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina

11. IL FENOMENO Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina Ghiacciaio Viedma - Patagonia, Argentina Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

12. L’INTERESSE Il primo a scendervi fu Agassiz nel 1840, per 20 m, nell’Unteraar, in Svizzera. Dagli inizi della glaciologia ci si interessò dei pozzi in cui si precipitavano i torrenti. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

13. L’INTERESSE Dopo ci fu poco. Brilla la squadra di Vallot che nel 1898 discese nel mulino della Mer de Glace per 60 metri. Alla fine dell'800 non c’era un distacco fra la speleologia e la glaciologia e dunque quei buchi erano “grotte” e il ghiaccio “carsificabile”. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

15. L’INTERESSE 1) all'epoca la verifica sul campo è impossibile 2) le strutture che si vedono alla bocca dei ghiacciai sono sempre di interfaccia 3) le ridotte possibilità di calcolo rendono difficile l'analisi a calcolatore Il ghiaccio non è considerato carsificabile nel suo insieme, ma solo sull’interfaccia rocciosa. Perché? Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

16. L’INTERESSE E così si sono ipotizzate forme e processi anche piuttosto fantasiosi. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

17. LE ESPLORAZIONI DIRETTE Alla metà degli anni ’80 gruppi di speleologi, in modo indipendente, iniziano ad occuparsi di queste grotte. Viene separato il problema tettonico da quello dissolutivo. I crepacci escludono le grotte glaciali perché l'assorbimento d'acqua avviene in modo diffuso, senza concentrazioni di energia che consentano lo scavo. Ghiacciaio Perito Moreno - Patagonia, Argentina Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

18. PRINCIPALI GHIACCIAI ESPLORATI 1985-2007 Alpi: Gorner, Miage, Mer de Glace, Forni, Aletsch, Ciardoney Svalbard: Hansbreen, Kongsvegen Islanda: Skeidarar, Kviar Asia centrale: Biafo, Batura, Enilchek Patagonia: Marconi, Perito Moreno, Viedma, Upsala, Tyndall, Grey, Pio XI Antartide: Collins, Campbell Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

19. LE ESPLORAZIONI DIRETTE Le esplorazioni caratterizzano il fenomeno nel suo complesso, almeno nelle parti più epidermiche: le cavità, in genere, si aprono con un pozzo sui 40-60 metri di profondità, creato dalle acque in caduta. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Batura - Karakorum, Pakistan

20. LE ESPLORAZIONI DIRETTE Le forme sono carsiche. Il comportamento meccanico del ghiaccio superficiale è simile ad una roccia. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Biafo - Karakorum, Pakistan

21. LE ESPLORAZIONI DIRETTE A volte il primo salto porta ad ambienti imponenti, forre sub-glaciali col torrente in piccoli salti e brevi tratti orizzontali. Il fondo è una pozza d'acqua da cui viene drenato il corso d’acqua. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007 Ghiacciaio Gorner - Monte Rosa, Svizzera

22. LE ESPLORAZIONI DIRETTE Gli ambienti sono di dimensioni decrescenti. Le pozze d'acqua conclusive sono ad un centinaio di metri sotto la superficie, raramente poco oltre. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

23. I FENOMENI DI SCAVO Presso il Dipartimento di Fisica Generale dell'Università di Torino è stato sviluppato un modellamento teorico di questi fenomeni di evoluzione. Ghiacciaio Tyndall - Patagonia, Cile Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

24. I FENOMENI DI SCAVO La caratteristica importante è il comportamento plastico del ghiaccio: a bassa pressione (<0.1 MPa) è quasi come una roccia, ad alta pressione (>1 MPa) quasi come un liquido . 1 MPa= 1 milione di Pascal. Per confronto: la pressione atmosferica a livello del mare è circa 0.1 MPa. Quindi una cavità a pochi metri di profondità dura più della forma esterna del ghiaccio. Una cavità a 50 metri di profondità dura una stagione. Questa è la profondità massima alla quale permangono strutture legate a cicli stagionali. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

25. I FENOMENI DI SCAVO Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

26. I FENOMENI DI SCAVO Le strutture nelle parti più epidermiche, senza plasticità, sono semplici: ruscelli e cascate. L'energia potenziale dell'acqua in caduta viene rilasciata all'aria e nei punti dove va a battere la cascata. E’ un sistema a pressione atmosferica e isotermo: l’entalpia rilasciata provoca fusione del ghiaccio e ampliamenti. Ghiacciaio Grey - Patagonia, Cile Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

27. I FENOMENI DI SCAVO Sino a -50 m, lo scavo non è contrastato dal collasso plastico delle pareti e quindi le cavità si ampliano durante tutta la stagione, in modo proporzionale al flusso d’acqua entrante. Alla fine della stagione calda le pareti cominciano a collassare sulla cavità, soprattutto alle profondità maggiori. Laggiù le sezioni dei pozzi vengono sensibilmente ristrette durante l'inverno. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

28. I FENOMENI DI SCAVO Evoluzione del diametro di un mulino glaciale, alle varie profondità, negli anni, ipotizzando un flusso costante d'acqua durante la stagione calda di 50 litri al secondo. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

29. I FENOMENI DI SCAVO Ma questo è un frammento ben piccolo della struttura interna del ghiacciaio. Le grotte verticali sono tributarie del sistema di drenaggio principale. Esso sta sotto ai piccoli specchi d'acqua di fondo delle grotte. Ghiacciaio Viedma - Patagonia, Argentina Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

30. IL RETICOLO SOMMERSO Il modellamento numerico è stato sinora l’unico strumento per chiarire quanto accade nel reticolo sommerso. I tempi di collasso delle cavità all'interno delle falde si riducono per il contrasto della pressione dell’acqua. Lo scavo avviene per rilascio di energia potenziale nella caduta fra i punti a monte e a valle del reticolo di trasporto. La perdita di carico lungo le condotte è la chiave per capire il fenomeno della formazione delle grotte; questo rende il modellamento molto delicato perché dipende dalla loro forma, dalle condizioni di trasporto e così via. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

31. IL RETICOLO SOMMERSO Le condotte a pieno carico sub-glaciali sono strutture di equilibrio fra scavo dall'acqua in transito e riempimento dal ghiaccio che implode sulla condotta. Le dimensioni dipendono dalla pressione del ghiaccio e dalla pendenza e forma della galleria. Il diametro di equilibrio di una galleria con 1000 l/s d'acqua, a -100 m, è circa 0.9 m, e l’acqua vi corre a quasi 1.5 m/s. Se il flusso è 100 l/s il diametro è 35 cm e l'acqua va a 1 m/s. Ghiacciaio Grey - Patagonia, Cile Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

32. IL RETICOLO SOMMERSO Si tratta di dimensioni coerenti con le osservazioni. Rare… Le gallerie sono uniformi: un restringimento, dovuto ad esempio ad un crollo, ostacola il flusso e concentra il rilascio locale di energia sino a che la disuniformità viene rimossa. Ghiacciaio Gorner - Monte Rosa, Svizzera Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

33. IL RETICOLO SOMMERSO Punto fondamentale: il processo è autostabilizzante. Quando il flusso d'acqua si riduce la galleria si stringe e aumenta la perdita di carico. Alla ripresa del flusso il livello a monte sale e aumenta il rilascio di energia lungo la condotta, col ripristino delle condizioni precedenti. Il reticolo sommerso endoglaciale è mantenuto aperto da processi a retroazione negativa , cioè per raggiungimento, di volta in volta, di stati di equilibrio. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

34. IL RETICOLO SOMMERSO Lo scavo dipende dalla perdita di carico, che elimina le strettoie, ma anche le biforcazioni. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

35. IL RETICOLO SOMMERSO La temperatura di equilibrio fra acqua e ghiaccio dipende dalla pressione. -7.5x10 -8 K /Pa Cioè 7 millesimi di grado in meno per variazione di una atmosfera (10 5 Pa) In tratti ascendenti l'acqua risulta fredda rispetto al ghiaccio, che quindi solidifica sulle pareti della condotta. L’acqua ha quindi difficoltà a risalire e tende a crearsi un reticolo di drenaggio “appiattito” sul livello di falda . Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

36. IL RETICOLO SOMMERSO Questa dipendenza tra temperatura e pressione ha effetto anche sulle sezioni delle singole condotte di drenaggio. L’acqua scorre rimescolandosi dal pavimento al soffitto. La galleria migra verso il basso con una velocità che è proporzionale al suo diametro. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

37. STABILITA’ DEL RETICOLO SOMMERSO Rapide variazioni del flusso dell’acqua entro la grotta causano fluttuazioni minime della sua forma: il calcolo e le osservazioni mostrano che i cicli diurni non causano mutamenti. Solo se la variazione di flusso ha un periodo maggiore di quella del collasso delle gallerie, come avviene nella stagione fredda, la forma della grotta può cambiare. Quando i flussi si arrestano, le condotte iniziano a collassare, contrastate dalla pressione idrostatica della falda che è spinta in alto. In inverno il reticolo glaciale viene riempito d’acqua sin nei pressi della superficie. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

38. STABILITA’ DEL RETICOLO SOMMERSO Anche il reticolo profondo è una struttura di equilibrio legata alle condizioni complessive del ghiacciaio: viene trascinato a valle per poche decine di metri, stagionalmente, per poi riformarsi a monte. In pratica oscilla attorno ad una configurazione di equilibrio: migra verso monte alla velocità con la quale il ghiaccio va verso valle. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

39. COME SI RIFORMANO LE GROTTE Nel letto del torrente, a monte del pozzo preesistente, il ghiaccio è più disteso e quindi la sua permeabilità è maggiore e il percorso dell’acqua minore. L’acqua riesce ad aprirsi una via sino al pozzo e lo allarga sino ad intercettare tutto il flusso. Un nuovo pozzo è nato. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

40. TASCHE D’ACQUA Sin da tempi remoti si sa che i ghiacciai hanno la pericolosa tendenza a liberare improvvise e imponenti masse d’acqua che si erano evidentemente formate nelle loro profondità. Ci sono tre processi principali che ne causano la formazione occulta. Ghiacciaio Tyndall - Patagonia, Argentina Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

41. TASCHE D’ACQUA Primo processo. Se si forma un deposito d’acqua all’interno della massa di ghiaccio, una tasca d’acqua, questa non tende all’equilibrio, ma si amplia divenendo instabile, contrariamente a cosa avviene per i reticoli di drenaggio. In generale essa tende a migrare verso il basso, dato che riceve apporti di acqua più calda del ghiaccio. Se poi può assorbire energia dall’esterno (grotta o aria aperta), la cavità può allungarsi verso il basso senza “staccarsi” dalla superficie, cioè senza sprofondare all’interno del ghiacciaio. Secondo processo. L’acqua è più densa del ghiaccio e quindi esercita sul fondo una spinta che tende a far scorrere il ghiaccio verso l’alto e a far affondare la cavità nel cuore del ghiacciaio. La spinta è tanto maggiore quanto più la cavità è alta. Terzo processo. C’è riscaldamento diretto dell’acqua nella cavità. In questo caso l’acqua diventa più densa (la densità massima dell’acqua pura si ha a 4.0°C) e affonda andando a portare eccedenze di entalpia nelle parti profonde. Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

42. TASCHE D’ACQUA Sono meccanismi che scavano a velocità proporzionale alle dimensioni della cavità. Sono processi che non tendono a convergere su forme di equilibrio, ma a divergere, processi a retroazione positiva . Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

43. CONCLUSIONI La speleologia glaciale è riuscita a chiarire molti processi che avvengono all’interno dei ghiacciai e ne sta cominciando a delineare la struttura interna. Le prospettive d’indagine che ha dinanzi sono ancora enormi. Ghiacciaio Grey - Patagonia, Cile Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

44. PER SAPERNE DI PIU’ WWW.LAVENTA.IT WWW.NIMBUS.IT Ghiacciaio Gorner - Monte Rosa, Svizzera Il carsismo nei ghiacciai – Società Speleologica Italiana 2007

45. CREDITI Questa lezione è stata preparata da Giovanni Badino Le fotografie sono di Giovanni Badino I disegni sono stati realizzati da Giovanni Badino ed adattati da Chiara Silvestro Si ringraziano per la loro collaborazione e disponibilità i seguenti enti ed istituzioni: Dipartimento di Fisica Generale dell’Università di Torino Associazione La Venta, Treviso © Società Speleologica Italiana Ogni parte di questa presentazione può essere riprodotta sotto la propria responsabilità, purché non si stravolgano i contenuti. Si prega di citare la fonte. titolo della lezione – Società Speleologica Italiana 2007