WSL Istituto per lo studio della neve e delle valanghe SLF

«Come un cucchiaio in una tazza da tè»

Samuel Weber, ricercatore dell'SLF, spiega il suo nuovo metodo per determinare la velocità con cui il calore penetra in profondità nel permafrost. Ciò aiuta a riconoscere precocemente i cambiamenti nelle regioni montane e migliora la capacità di valutare i dissesti e le cadute di massi.

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  • Conducibilità termica misurata nel permafrost: Un nuovo metodo determina la velocità di propagazione del calore nella roccia, direttamente dai dati dei pozzi.
  • Modelli migliori: i risultati permettono di riconoscere in anticipo le conseguenze dei rischi naturali in tempi di cambiamento climatico.
  • Acqua, ghiaccio e aria nel sottosuolo: anomalie e cambiamenti nella conduttività termica indicano che la composizione del materiale sta cambiando.
Veduta panoramica in bianco e nero di un paesaggio montano con cime coperte di nuvole sullo sfondo. In primo piano, una sezione geologica mostra un foro di sondaggio verticale che attraversa vari strati rocciosi rappresentati in diverse tonalità di verde.
Foro di trivellazione ai piedi della cresta Hörnligrat sul Cervino. Il grafico mostra una sezione del sottosuolo con serpentinite verde. I fori di trivellazione dell'SLF nel permafrost raggiungono una profondità massima di sessanta metri (immagine e montaggio: Jeannette Nötzli / Samuel Weber / SLF).

Signor Weber, lei ha studiato la velocità di diffusione delle temperature nel permafrost. È importante?

Certamente. Determiniamo la capacità della roccia di condurre la temperatura, che è una proprietà specifica del materiale. Se capiamo quanto velocemente i cambiamenti di temperatura penetrano in profondità, possiamo stimare in modo molto più affidabile e modellare meglio come si svilupperà il permafrost (vedi riquadro) in presenza di cambiamenti climatici. È importante perché questa conoscenza aiuta a riconoscere tempestivamente i cambiamenti nelle regioni alpine e i possibili effetti sui rischi naturali.

Cosa c'è di speciale nel vostro lavoro?

Finora per il permafrost erano disponibili solo valori di letteratura e pochi risultati di laboratorio sulla diffusività termica. Non esistevano valori sul campo, misurati direttamente nel permafrost. La particolarità del nostro metodo è che non dobbiamo raccogliere e analizzare campioni di roccia per determinare la densità, la capacità termica o la conduttività termica. Sono invece sufficienti le curve di temperatura dei fori di trivellazione nel permafrost in profondità e nel tempo. Da queste, ricaviamo direttamente la conducibilità termica del materiale, basandoci su un'equazione fisica, l'equazione della conduzione del calore, e sulla sua soluzione. Abbiamo determinato questo dato per tutte le profondità dei 29 fori di trivellazione della rete svizzera di monitoraggio del permafrost PERMOS e abbiamo identificato differenze tra forme di terreno come ghiacciai rocciosi, pendii di ghiaia e pareti rocciose.

 

Quattro tazze in bianco e nero con contenuto fumante sono allineate. Una freccia indica un cucchiaio immerso nella prima tazza. La seconda tazza contiene un cucchiaio blu che emette vapore. La terza tazza mostra un cucchiaio che passa dal blu al rosso, anch'esso fumante. La quarta tazza ha un cucchiaio completamente rosso con vapore. Sopra ogni tazza c'è un cronometro che mostra tempi diversi.
Cucchiaio in una tazza da tè – Illustrazione della conducibilità termica: un cucchiaio freddo viene immerso in una tazza da tè calda. Con il passare del tempo, la temperatura dalla parte inferiore riscaldata si diffonde lungo il cucchiaio verso l'alto. La velocità di questo riscaldamento varia da materiale a materiale e descrive la sua conducibilità termica. (Grafico: Samuel Weber / SLF)

Sembra complicato!

Si può immaginare come un cucchiaio in una tazza da tè. Se è di metallo, è sensibilmente caldo in pochi secondi. Un cucchiaio di legno impiega molto più tempo, vale a dire minuti. I rispettivi materiali assorbono la temperatura a velocità diverse e la trasferiscono a velocità diverse. Lo stesso vale per la roccia. Il granito conduce il calore circa due volte più velocemente dell'ardesia.

Che cosa significa?

Il calore raggiunge le profondità molto più velocemente nel granito. Il processo avviene anche nell'ardesia, ma molto più lentamente. Di conseguenza, ci sono differenze nella velocità con cui i cambiamenti climatici raggiungono le profondità.

Le pareti rocciose di granito rischiano quindi di crollare prima di quelle di ardesia.

Si tratta di una semplificazione eccessiva. Il calore è solo uno dei fattori di questi processi. Ma le nostre scoperte vengono ora incorporate nei modelli. Su questa base, si possono fare affermazioni più precise, sia sul trasporto del calore nella roccia che sulle proprietà del materiale presente in loco.

Diagramma triangolare con tre assi etichettati da 0 a 20 percento ciascuno. Gli assi sono indicati come 'Acqua (%)', 'Ghiaccio (%)' e 'Aria (%)'. All'interno del triangolo, una scala di colori sfuma dal viola scuro nell'angolo in basso a sinistra al giallo nel vertice superiore, passando per blu e verde. A destra del triangolo è presente una scala cromatica con l'etichetta 'Diffusività termica [mm²/s]' che mostra valori da 1,00 a 2,25. Linee tratteggiate all'interno del triangolo si estendono dal centro verso i lati.
La conducibilità termica varia a seconda della percentuale di aria, acqua e ghiaccio presente nelle cavità della roccia. Il picco giallo, corrispondente all'aria pura, indica la massima velocità; se è presente solo ghiaccio (angolo viola scuro in basso a sinistra), il calore si diffonde molto lentamente. (Grafico: Samuel Weber / SLF)

In che senso?

In termini fisici, la diffusività termica descrive la relazione tra la variazione della temperatura con il tempo e con la profondità. Abbiamo quindi confrontato le temperature modellate sulla base della conduttività determinata con i valori misurati. Abbiamo anche trovato delle anomalie nel processo. Queste sono importanti perché indicano effetti aggiuntivi. Questo perché il permafrost non contiene solo roccia, ma spesso anche aria, ghiaccio e acqua. Possiamo riconoscere dalle anomalie, ad esempio, quando l'acqua raggiunge le profondità, poiché l'acqua infiltrata trasporta il calore molto più velocemente.

È anche interessante notare che la temperatura nei ghiaioni si diffonde più lentamente rispetto alla roccia. Tra le rocce c'è molta più aria, acqua e ghiaccio. C'è una chiara connessione tra tutti e tre.

In che modo?

Il loro rapporto determina la velocità di diffusione della temperatura in una miscela di questi tre componenti e in una roccia (vedi diagramma). L'aria ha un'elevata diffusività termica e accelera il processo, mentre l'acqua e il ghiaccio lo rallentano. Se la diffusività termica cambia nel tempo, ciò può essere un'indicazione della composizione dei tre componenti nella cavità.

Che cos'è... il permafrost?

Il permafrost è un terreno come la roccia, il ghiaione o la morena che ha temperature inferiori a 0°C e quindi è permanentemente ghiacciato. Circa il cinque per cento della Svizzera è costituito da permafrost, di solito in pendii ghiaiosi freddi e di alta quota e in pareti rocciose al di sopra dei 2500 metri di altitudine.

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