15b neve

Neve: metamorfismi

A. Adams, Storm,

Riccardo Rigon, Stefano Endrizzi, Matteo Dall’Amico

Wednesday, May 30, 12

Neve

Metamorfismo della neve

•Assestamento gravitativo

•Metamorfismo distruttivo

•Metamorfismo costruttivo

•Metamorfismo di fusione

2

R. Rigon, M. Dall’Amico


Neve

Metamorfismo della neve

Il nome indica i cambiamenti della morfologia dei grani che hanno luogo in
seguito alle variazioni di temperatura e pressione ai quali sono soggetti dopo
la loro deposizione.

Il metamorfismo cambia:

• densità
• porosità
• albedo
• conducibilità termica
• coesione

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Neve

Il metamorfismo avviene perchè:

•I grani hanno grande superficie relativamente al volume e tendono ad
una configurazione geometricamente piu’ stabile (la superficie sferica
e’ quella con energia minima)

•La temperatura si porta durante le stagioni a superare la temperatura di
fusione

•La pressione sugli strati di base porta a compattazione della neve (e
avvicina le condizioni di fusione)

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Neve

Il metamorfismo avviene perchè:
Si possono distinguere due categorie di metamorfismo

In presenza di acqua liquida:

- T = 0 (usualmente)

In assenza di acqua liquida:

-T <0
- ghiaccio in equilibrio con il vapore
- determinato prevalentemente dal flusso di vapore

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Neve

Metamorfismo “secco”

E’ legato al movimento del vapore nei pori

Il movimento del vapore è legato al gradiente di pressione del vapore

Il gradiente di pressione è controllato da:

•Temperatura (in base a quanto già visto, la pressione di equilibrio
del vapore d’acqua dipende dalla temperatura, in accordo alla legge di
Clausius - Clapeyron)

•Raggio di curvatura locale dei cristalli di ghiaccio: la legge di
Clausius-Clapeyron deve essere modificata quando l’interfaccia aria -
ghiaccio sia curva. La pressione di equilibrio del vapore cresce al
crescere del raggio di curvatura)
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Neve

Metamorfismo “secco”
Due tipi

Metamorfismo distruttivo
Avviene a temperatura costante ed è dovuto alla demolizione delle
cuspidi dei grani. Il processo è particolarmente intenso per la neve
appena caduta e porta anche ad incrementi della densità della neve
pari a più dell’ 1% all’ora. Si ferma quando la densità è dell’ordine di
0.25 g cm-3

Metamorfismo costruttivo

Dipende dal gradiente di temperatura da punto a punto. Nei punti più
caldi avviene la sublimazione della neve. Il vapore poi si sposta in
accordo ai gradienti di pressione.

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Neve


Riduce l’energia libera del sistema, al suo stato stabile

Questa energia dipende dal raggio di curvatura locale del cristallo di
ghiaccio

8



Neve



ghiaccio

alto raggio di
curvatura implica
maggiore pressione
di vapore

8



Neve



ghiaccio

Raggio di
curvatura negativo
implica minore
pressione di vapore
in equilibrio
termodinamic

9



Neve


Riduce l’energia libera del sistema al suo stato stabile

La differenza di pressione di vapore tra i due punti implica trasporto di
vapore (da “+” a “-”).

Si crea così vapore La configurazione di
in eccesso al di
+ equilibrio ideale è una
sopra sfera. La configurazione
- di equilibrio reale
del punto “-” e
dipende dall’interazione
conseguente del singolo cristallo con
condensazione. l’ambiente circostante.

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Neve


L’effetto macroscopico del
metamorfismo distruttivo è quello di:

- Ridurre il rapporto superficie/volume
dei cristalli e quindi incrementare la
densità della neve (riempiendo i pori)

- Incrementare la coesione tra i grani.

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Neve

“secco” ma dettato da gradienti di temperatura

Può essere molto efficace se il gradiente e’ almeno di 10 C/m e la densità
della neve e bassa (comunque minore di 350 kg/m3)

Costruisce grani sfaccettati, con legami reciproci deboli

Tende a far aumentare la densità

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Neve

Metamorfismo di fusione
o “wet”, bagnato

Avviene in presenza di acqua e quindi, in prossimità di T =0 C

Due sono i principali meccanismi:
•la fusione di superficie con successiva percolazione
•una accelerazione dei processi “secchi” e conduce alla formazioni di grani
grandi e arrotondati.

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Neve


Il primo è causato dalla fusione alla superficie o dall'introduzione
di pioggia che congela all'interno del manto nevoso a temperatura
minore. Si può creare così uno strato di ghiaccio compatto interno
al manto nevoso che si estende anche per grandi distanze.

Il congelamento negli strati di neve causa anche la liberazione di
calore latente, che contribuisce alla formazione di vapore e
all'accelerazione del suo trasferimento

14



Neve


Il secondo processo metamorfico
che accompagna processi di
fusione è il rapido scomparire
dei grani più piccoli e la
formazione di grani più grandi
che avviene in presenza di acqua
liquida.

15



Neve


A causa di questo fenomeno, un
manto nevoso che si sta
sciogliendo è formato da una
aggregazione di fiocchi delle
dimensioni di 1-2 millimetri di
diametro (Colbeck, 1978).

16



Neve

Il bilancio di energia della neve

Avviene per:

• irraggiamento (trasferimento di energia mediato da onde elettromagnetiche)
• conduzione (trasferimento di calore per contatto tra le molecole)
• convezione (sublimazione e trasporto di calore dovuto alla turbolenza
atmosferica)

• avvezione (a causa di trasferimento di materia: precipitazione, vapore, acqua
di fusione)

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Neve

Fattori che contribuiscono allo scambio
energetico

• Il vento (è la manifestazione della turbolenza atmosferica che controlla il
traferimento di calore sensibile e latente in superficie)

• La presenza di vapore d’acqua (i gradienti controllano il trasferimento di
calore sensibile)

• L’ammontare della radiazione (su tutto lo spettro)
• La pioggia il cui contenuto energetico altera lo stato della neve

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Energy Budget

Il bilancio energetico della neve in
superficie
R# sw

R# lw R" lw

Pe
R" sw
Don Cline, 1999, Jordan, 1991

H s Ev

U⇤
G 19



Energy Budget

Il bilancio energetico della neve in
superficie

U⇤ = Rn lw + Rn sw H s E v + G + Pe

Rn lw := R# lw R" lw Rn sw := R# sw R" sw

R# sw

R# lw R" lw

Pe
R" sw

H s Ev

U⇤
G
20



Energy Budget

Firma spettrale della neve

21



Energy Budget

Albedo

22



Energy Budget

Il bilancio radiativo della neve
R=✏ T 4

CLEAR DRY AIR, T = 0oC

Net Energy Loss
From Snow Pack No Net Energy Loss
From Snow Pack

SNOW, T = 0oC

✏a ⇡ 0.6 0.7
✏w,i,⇤ ⇡ 0.92 0.97
23



Energy Budget

Il bilancio radiativo della neve

24



Energy Budget

Il bilancio energetico della neve
Flussi turbolenti

Nei giorni piovosi e nuvolosi dominano gli scambi di calore sensibile e di
calore latente.

Questi sono comunque sempre importanti, in quanto l’elevato albedo della
neve, non consente grandi immagazzinamenti di energia radiativa, se non
durante i mesi estivi.

In generale uno scioglimento massiccio della neve richiede sempre che gli
scambi di energia “turbolenta” siano piuttosto intensi.

25



Energy Budget

Flussi turbolenti
ln(z-d0)
INSTABILITY

STABILITY

Aerodynamic roughness
length

q-qs
La presenza di stabilità atmosferica diminuisce la turbolenza e quindi il trasporto
turbolento. Viceversa la presenza di turbolenza lo incrementa. 26



Energy Budget

Flussi turbolenti

La teoria che descrive questo processo è conosciuta col nome degli autori, Monin-
Obukhov (1954)

27



Energy Budget

Flussi turbolenti

Obukhov

28



Energy Budget

Flussi turbolenti

Obukhov

29



Energy Budget

Ma l’atmosfera sopra la neve
ha una struttura complicata
Mott et al., AWR 2012

30



Energy Budget

Flussi turbolenti

Sulla neve si generano facilmente condizioni di stabilità atmosferica: è una
retroazione del fatto che l’albedo della neve è alto.

Quindi, spesso la stessa condizione che rende minimo l’immagazzinamento
radiativo, rende anche minimi gli scambi di energia turbolenta.

31



Energy Budget

Flussi turbolenti

Tuttavia, poichè la neve non copre uniformente il paesaggio, e la vegetazione
costituisce un elemento che assorbe ed emette energia con grande efficienza, si
hanno elementi del paesaggio in cui la neve comincia a sciogliersi in modi più
marcato. 32



Energy Budget simulations

Il bilancio energetico della neve in superficie
Stagione di accumulo - Passo del Tonale Foehn

33

R. Rigon, S. Endrizzi



Il bilancio energetico della neve in superficie
Stagione di accumulo passo del Tonale

SW tende a zero quando c’e’ il cielo nuvoloso 34




Stagione di accumulo passo del Tonale

Calore latente e sensibile:
• hanno incrementi quando il vento
è alto.
• aumentano e diminuiscono in
controfase salvo che
• aumentano entrambi quando
piove o l’atmosfera è umida

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Stagione di fusione, passo del Tonale by day

• Lo scioglimento è
forzato soprattutto
dalla radiazione ad
onde corte
• la radiazione ad onde
lunghe rappresenta
una perdita.
• Il calore latente una
perdita (la neve
sublima)

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Stagione di fusione, passo del Tonale by day

• Il vento di bassa
intensità non
consente trasferimenti
di energia efficienti

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Stagione di fusione, passo del Tonale, by night

• Durante la notte la
perdita di energia
radiativa non è mai
compensata dal
guadagno per
energia turbolenta

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Stagione di fusione, passo del Tonale, by night

• La fusione della neve
più grande si ha
quando grande
trasporto turbolento
di calore (Kuusisto,
1983; Cline, 1997)

39




Le condizioni di stabilità atmosferica giocano un ruolo
determinante.
2000.0000

1500.0000
snow depth (mm)

1000.0000

500.0000

0
35527 35536 35545 35554 35563 35572
stability corrections considered
stability corrections disregarded 40
ﬁeld data



Epilogo

Grazie per l’attenzione

G.Ulrici, 2000 ?

41



Tabella dei simboli

42



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