L'esperimento Dischma: in che modo le interazioni con l'atmosfera regolano l'accumulo e il disgelo della neve?
Sapere quali sono i punti in montagna dove è presente molta neve è un fattore importante non solo per studiare la formazione delle valanghe, ma anche per determinare quante risorse idriche sono disponibili. Stimare con esattezza la quantità di acqua immagazzinata nella neve è però un'operazione tuttora assai difficile, perché i meccanismi che determinano la distribuzione e il disgelo della neve sono ancora poco conosciuti. Nel quadro del progetto "Esperimento Dischma", i ricercatori tentano quindi di dare una risposta alle seguenti domande:
- Quali sono i processi atmosferici che regolano l'accumulo della neve nell'ambiente alpino invernale?
- Come varia il bilancio energetico di un manto nevoso che si scioglie in primavera e perché alcune macchie di neve durano più a lungo di altre?
Con l'aiuto di numerosi esperimenti sul campo e complessi modelli numerici, gli studiosi analizzano nella "valle della Dischma" (comune di Davos, figura 1) – un bacino di alimentazione alpino d'alta quota – i campi di precipitazione, la distribuzione della neve e le dinamiche di disgelo del manto nevoso alpino. L'attenzione dei ricercatori è rivolta soprattutto alle interazioni che avvengono nell'interfaccia tra l'atmosfera vicina al suolo e il manto nevoso (interfaccia aria/neve).
Dettagli del progetto
Durata del progetto
2014 - 2017
Direzione del progetto
Come avviene la distribuzione spaziale del manto nevoso invernale?
Dagli esperimenti è emerso che le precipitazioni si distribuiscono in modo molto più uniforme ad alcune centinaia di metri dal suolo rispetto a quanto avviene ad altezza del suolo. Per poter analizzare i vari processi che causano queste differenze, nel quadro del progetto Esperimento Dischma gli scienziati seguono da vicino il percorso compiuto dalla particella di neve da quando si forma a quando si deposita sul suolo. Le domande che si pongono i ricercatori sono le seguenti:
- Quali effetti esercita l'orografia sulla formazione della precipitazione (microfisica e microdinamica delle nubi) e sulla sua distribuzione in un bacino di alimentazione alpino?
- In che modo l'accumulo preferenziale della precipitazione sui pendii sottovento (al riparo dal vento) contribuisce alla variabilità della precipitazione?
- In che modo il trasporto della neve contribuisce alla variabilità della precipitazione?
- Quanta neve è presente sulle pareti rocciose ripide e quali effetti esercita il campo di vento turbolento sulle modalità con cui essa si accumula sulle pareti (Figura 2)?
Cosa succede quando il manto nevoso si disgela parzialmente e perché alcune macchie di neve "sopravvivono" più a lungo di altre?
Quando in primavera il manto nevoso invernale inizia a sciogliersi lasciando spazio ad alcune macchie di suolo scoperto, il bilancio energetico varia notevolmente. Sopra alle zone scoperte, gli strati d'aria vicini al suolo si riscaldano di più rispetto a quelli che si trovano sopra alla neve. Il vento trasporta questa aria più calda sopra alle superfici ancora innevate, dove riscalda il manto nevoso. Mentre sopra alle macchie prive di neve possono formarsi venti anabatici, sopra alle superfici innevate più estese si formano contemporaneamente venti catabatici. Ne consegue un sistema eolico molto complesso che può a sua volta avere effetti determinanti sullo scambio di calore tra neve e atmosfera. Inoltre, le differenze locali a livello micrometeorologico fanno sì che alcune macchie di neve durino molto più a lungo di altre. Nel quadro del progetto "Esperimento Dischma" i ricercatori analizzano, con l'aiuto di complesse serie di misure, il bilancio energetico e le dinamiche di disgelo del manto nevoso che si scioglie. Inoltre studiano gli effetti che possono avere i vari processi sulla durata delle singole macchie di neve, quantificando l'idrologia dell'intero bacino di alimentazione. Le domande alle quali stanno lavorando i ricercatori sono le seguenti:
- Quanta energia sotto forma di calore sensibile viene trasportata dalle zone scoperte verso quelle innevate e come varia questo processo in funzione della copertura nevosa?
- Come varia il flusso turbolento di calore sopra alla neve in funzione della stabilità atmosferica (es. disaccoppiamento atmosferico)?
- Quali sistemi eolici complessi si formano con la contemporanea comparsa di venti anabatici e catabatici e quali effetti hanno sul bilancio energetico del manto nevoso?
Quali sono i vantaggi di questi esperimenti?
L'obiettivo di questo progetto di ricerca è comprendere meglio i processi fondamentali, per poter creare le necessarie parametrizzazioni e quindi integrarle nei modelli idrologici e meteorologici. Ciò permetterebbe di migliorare, tra le altre cose, la gestione delle risorse idriche alpine (ad es. nel settore dell'energia idroelettrica) e la previsione delle piene. I modelli consentiranno inoltre di prevedere come cambieranno le risorse idriche in relazione ai cambiamenti climatici.
Quali strumenti vengono utilizzati?
Modelli numerici
Per studiare gli effetti delle correnti atmosferiche e della microfisica delle nubi sul campo di precipitazione, i ricercatori usano il modello atmosferico WRF. La dinamica delle particelle viene analizzata con l'aiuto del modello matematico Large-Eddy-Simulation (LES), utilizzato per simulare l'interazione tra le turbolenze atmosferiche su piccola scala e il movimento delle particelle nell'aria. Per l'analisi numerica delle dinamiche di disgelo, gli studiosi usano il modello del manto nevoso ALPINE3D alimentato con i campi atmosferici ad alta risoluzione (campi 3D Temperatura, Umidità, Vento) provenienti dal modello atmosferico ARPS.
Esperimenti sul campo
In collaborazione con il gruppo "Environmental Remote Sensing Laboratory" (SPF di Losanna), i ricercatori misurano il campo di precipitazione sopra alla valle della Dischma con l'aiuto di un radar meteo ad alta risoluzione (Figura 3). Per determinare in che modo la precipitazione si distribuisce effettivamente sul suolo, essi misurano la distribuzione della neve prima e dopo importanti precipitazioni anche con laser scanner terrestri e aerei.
Per rilevare le correnti nell'interfaccia aria/neve e lo scambio di calore sopra al manto nevoso in fase di disgelo, i parametri vento e temperatura vengono rilevati a varie altitudini con una risoluzione temporale di 20 Hz (Figura 4) che rende visibili le oscillazioni ad alta frequenza. Queste oscillazioni forniscono informazioni sulle strutture turbolente all'interno dell'interfaccia aria/neve e sullo scambio turbolento di calore sopra alle singole macchie di neve. Numerose stazioni meteo mobili misurano il campo di vento e di temperatura su grande scala (www.sensorscope.ch).
Con l'aiuto di una fotocamera a raggi infrarossi, i ricercatori rilevano inoltre la temperatura della superficie del suolo. I campi di temperatura ad alta risoluzione permetteranno non solo di comprendere meglio le dinamiche di riscaldamento/raffreddamento tra le zone prive di neve e quelle ancora innevate, ma anche di identificare i laghi d'aria fredda che favoriscono la sopravvivenza di alcune macchie di neve.