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Giovanni Badino, Dipartimento di Fisica Generale dell’Università di Torino, Associazione Culturale La Venta, Società Speleologica Italiana
LA MICROCLIMATOLOGIA SOTTERRANEA
Articolo estratto dal n. 3/2000 della rivista S.I.GE.A "Geologia dell'ambiente"
Riassunto
L’atmosfera delle grotte è in generale inclusa nei processi che avvengono nell’atmosfera esterna, con alcune peculiarità caratterizzanti; esse derivano principalmente dal fatto che i fluidi vi scorrono in regime vincolato e che, inoltre, il materiale di vincolo, la roccia, è un ottimo isolante con altissima capacità termica. Vengono qui passate in rassegna le caratteristiche di questi microclimi che si formano: temperature medie, umidità, correnti d’aria e gradienti termici. Viene sottolineato come una grotta rappresenti per la montagna in cui essa è scavata una sorta di linea privilegiata non solo per lo scorrimento di fluidi, ma soprattutto per lo scorrimento di flussi di energia. I cicli di condensazione che ne conseguono paiono avere un ruolo determinante nella speleogenesi e nell’abbattimento delle polveri in sospensione. I processi sono però determinati da variazioni così piccole dei parametri ambientali che, spesso, le misure dirette sono impossibili. I modelli teorici possono però permettere l’interpretazione di effetti macroscopici dovuti a disequilibri minimi ma protratti per tempi geologici, e possono avere rilevanti applicazioni per la valutazione dell'impatto ambientale di opere umane in grotte.
parole chiave: climatologia ipogea, dinamica dell'atmosfera sotterranea, speleogenesi
Abstract
Caves' atmosphere is generally connected to the processes taking place in the external one, though showing some particular features. Such features mainly depend upon the fact that fluids flow inside caves in a bound regimen, and that the binding material, that is the rock, is highly insulating and presents an extremely strong thermal capacity. The present report describes the features of these microclimates: mean temperatures, humidity, air flows and thermal gradients. Specifically, the report underlines the fact that as regards to the mountain in which they are formed, caves represent a privileged line concerning not only the flow of fluids, but above all the flow of energy. The consequent condensation cycles seem to represent a major role in speleogenesis and in eliminating the suspended dust particles. Though, processes are determined by such small variations of environmental parameters that direct measurements are often impossible. Nevertheless, theorical models may allow the interpretation of macroscopic effects due to minimum imbalances prolonged through geological times, and may also be used to evaluate the environmental consequences of human works in caves.
Introduzione
"Ma c’è aria, là sotto?". Questa è probabilmente la domanda posta con maggiore frequenza a chi si dichiara speleologo.
E’ ben noto che la risposta è nettamente affermativa. Meno noto, invece, è il comportamento fisico di quest’aria, tanto che spesso appare sfidare il buon senso: eppure essendo essa l’unico fluido che riempie uniformemente le montagne, il suo comportamento è di importanza fondamentale e contiene informazioni sulla struttura globale dell’interno della montagna.
La circolazione dell’aria nelle grotte è un frammento della più generale circolazione dell’aria nell’atmosfera. Le bolle d’aria che migrano in esse, producendo venti terribili che raggelano gli speleologi nei meandri, sono le stesse che sostengono gli alianti, che pilotano i temporali e gli uragani: stessa l’aria, stessa la fisica, stesso il fenomeno di base. Differiscono per il fatto che le une sono vincolate fra pareti e le altre no.
Ma dominano le somiglianze: anche all’interno esistono le correnti d’aria, i favoni, le inversioni termiche, i ristagni, le nuvole e le nebbie.
Le nuvole ipogee non si vedono perché sono troppo sottili e gli ambienti ridotti ed oscuri, ma si vedono le condensazioni che esse provocano, il brillio delle pareti umide: sono probabilmente queste che guidano gli ampliamenti dei mondi sotterranei.
Temperature ed umidità
delle grotte
La regola generale è che l’aria delle grotte ha una temperatura praticamente costante ed è satura di umidità.
Il primo punto non dà dubbi: la temperatura è costante perché la capacità termica del sistema termicamente a contatto con l’atmosfera della grotta, e cioè la roccia superficiale, è molto maggiore di quella dell’atmosfera stessa. Quest’ultima è dunque vincolata a stare alla temperatura della roccia: ma a quale temperatura sta, la roccia? Che cosa la determina? E, anzi: perché le grotte sono fredde e invece le miniere o tunnel sono in genere caldi?
La differenza essenziale fra le montagne carsificate e quelle che non lo sono è che le prime sono state attraversate, anche nelle loro profondità, da ingenti masse d’acqua. La roccia ha così subito un "miscelamento termico" con l’acqua: è facile vedere come in poche migliaia di anni le precipitazioni medie delle zone subtropicali sono in grado di portare qualunque montagna, per quanto grande, all’equilibrio termico con le acque entranti. Grosso modo la temperatura delle montagne di questo tipo finisce per essere quella media delle acque che entrano sottoterra, e dunque, all’incirca, pari a quella delle precipitazioni (pioggia o neve) in quella particolare località. Ed è anche facile vedere che il flusso di calore geotermico (in media di 60 kW/kmq) non può che apportare correzioni secondarie a questa regola, almeno nella grande maggioranza dei casi (Badino 1995).
In pratica, l’interno delle montagne calcaree, a differenza di quelle non carsificate, è relativamente freddo.
Normalmente, perciò, le variazioni di temperatura da una grotta all’altra sono piuttosto grandi, legate al clima della regione e alla quota. Presentiamo un grafico (Choppy 1980), che mostra questa relazione (fig. 1).
Fig. 1 – Temperature tipiche di cavità isolate e quote corrispondenti a varie latitudini in Europa (Choppy, 1980).
Possiamo dedurne tre cose:
1) la temperatura delle grotte decresce con la quota in ragione di -6°C/km, che è il gradiente medio atmosferico, prossimo a quello adiabatico umido;
2) uno spostamento di 10° di latitudine è equivalente ad una variazione di quota di circa 1500 m;
3) lo zero termico, causando il congelamento dell’acqua, pare far prevedere l’assenza di carsismo attivo al di sopra di 2200 m slm a 45°N e di 1500 m slm ai 50°N.
Il terzo punto è in grave conflitto con l’osservato: alcune fra le maggiori grotte hanno entrate alte, e attive, a quote maggiori. La chiave per comprendere questa apparente contraddizione sta proprio nel fatto che questo grafico va inteso descrivere solo cavità piccole, cioè non connesse climaticamente con il resto della montagna. Ma per chiarire questo punto ci occorre discutere prima la formazione delle correnti d’aria nelle montagne.
Quello mostrato nel grafico è dunque il comportamento medio delle piccole cavità, ma ci sono numerose eccezioni legate a situazioni particolari: grotte che si aprono in zone termali possono essere così calde da impedire o rendere estremamente difficile l’esplorazione (le grotte di Sciacca, in Sicilia, arrivano ad oltre 80°C). E’ invece effettivamente molto raro incontrare grotte la cui temperatura sia sotto lo zero, anche solo di poco.
Il discorso sull’umidità è nettamente più semplice, anche se pieno di insidie a causa della sua fenomenologia sorprendentemente complessa nei dettagli.
Ma a grandi linee possiamo dire che acqua ed aria in un qualsiasi ambiente chiuso vanno in equilibrio fra loro quando l’aria diviene satura di vapor d’acqua. Nelle grotte si ha normalmente la presenza di entrambi i fluidi, in ambiente chiusi o quasi-chiusi: l’acqua ha così tempo di evaporare e saturare di umidità le masse d’aria che fluiscono nella montagna. Fanno eccezione solo grotte ormai fossili in regioni ora molto aride: ma la regola è che il clima sotterraneo ha un'umidità molto prossima alla saturazione.
Correnti
d’aria
Una delle cose che più stupisce i non addetti ai lavori è il fatto che le grotte sono, di norma, percorse da correnti d’aria che possono essere violentissime. Senza finire a casi straordinari (nella grotta di Pinargotzu, in Turchia, sono state misurate velocità massime di oltre 160 chilometri orari), le brezze che le percorrono hanno in genere velocità tipiche di 0.1-5 m/s che, accoppiate con le basse temperature e l’umidità a saturazione, sono il motivo che rende le esplorazioni speleologiche molto disagevoli.
I motivi di questi moti sono due: le variazioni di pressione atmosferica (circolazione barometrica) e le convezioni dell’aria attraverso il monte (circolazione convettiva).
Prima di analizzarli vediamo se abbiamo un modo di modellare in modo sintetico il comportamento di una grotta complessa, costituita di innumerevoli tratti di galleria e sale interconnesse. Viene spontaneo applicare un modello elettrico, sostituendo ad ogni galleria una resistenza che rappresenti, almeno qualitativamente, la perdita di carico che la colonna d'aria subisce nell'attraversarla. Estendendo quest'idea possiamo pensare alle sale come a condensatori, cioè riserve di gas che attenuano disequilibri locali (fig. 2)
Fig. 2 – Corrispondenze fra i parametri fisici di una cavità e i suoi equivalenti circuitali (modello elettrico).
Con queste due idee possiamo intanto comprendere subito la circolazione barometrica. Le grotte sono ambienti semichiusi, collegati all’esterno da ingressi che spessissimo sono di dimensioni ridotte. Le variazioni di pressione atmosferica causano perciò disequilibri di pressione fra l’interno e l’esterno. Le variazioni della pressione atmosferica hanno ampiezze relative ?P/P dell’ordine di 10-5 in qualche minuto sino a 10-3 in tempi dell’ordine dell’ora nel caso, ad esempio, del passaggio di fronti temporaleschi.
Se, per fissare le idee, supponiamo di considerare una grotta di un milione di metri cubi di volume, essa deve spostare rispettivamente 10 metri cubi in qualche minuto o 1000 in un’ora per equilibrarsi in risposta alle variazioni della pressione atmosferica citate sopra (fig. 3).
Fig. 3 – Le variazioni di pressione atmosferica causano disequilibri di pressione tra l’interno e l’esterno.
Si tratta perciò di correnti d’aria percettibili ma ridotte e soprattutto, occasionali. A maggior ragione possiamo considerare in genere trascurabili le correnti indotte dai disequilibri causati da venti che sferzano la superficie della montagna.
Le circolazioni dominanti sono quelle convettive.
Per capire come hanno origine pensiamo ad un camino: se il fuoco è acceso l’aria al suo interno è più calda di quella esterna, quindi meno densa, e tende a salire proprio come capita a quella delle mongolfiere. Si forma così un risucchio alla base e un soffio dalla sommità, entrambi tanto più violenti quanto più alto e ampio è il camino.
Lo stesso capita dentro le montagne; abbiamo visto che l’aria interna ha una temperatura quasi costante e pari quella media annuale delle precipitazioni, ma quella esterna no: quando l’aria interna risulta più calda di quella esterna (in inverno, ad esempio) le masse d’aria nel monte tendono a salire, mentre d’estate, quando l’interno risulta più freddo dell’esterno, l’aria interna non riesce più a "galleggiare" e cade, facendo sì che le entrate alte aspirino aria e quelle basse la soffino fuori. Perché questo fenomeno avvenga occorre che ci siano almeno due ingressi; ma le grotte li hanno sempre, anche se spesso gli speleologi ne conoscono uno solo.
La figura 4 mostra lo schema di questa circolazione in una situazione estiva, cioè con l'aria interna più densa dell'esterna.
Fig. 4 – Differenza di densità fra aria esterna ed interna in una montagna in una situazione estiva.
Le velocità che si installano sono legate alla forma della grotta. Le differenze di densità fra aria esterna ed interna ed il dislivello totale fra le entrate fissano la pressione motrice: la colonna d’aria dunque accelera sino a che la somma delle perdite di carico per attrito che essa incontra, in genere proporzionali al quadrato delle velocità locali dell’aria, non diviene esattamente uguale alla pressione motrice. Grandi correnti d’aria sono dunque innescate dal simultaneo apparire di forti pressioni motrici (grandi dislivelli) accompagnate da scarse perdite di carico (ambienti ampi e regolari).
Abbiamo pensato le perdite di carico delle gallerie come resistori e i volumi d’aria interni come capacitori; a completare il quadro diremo che possiamo introdurre anche le induttanze, collegandole all'energia cinetica delle masse d’aria in moto.
Il modello elettrico così realizzabile per qualsiasi grotta rende conto di vari fenomeni, ma il suo valore è prevalentemente qualitativo. Oltre alla notevole complessità di calcolo, si ha la difficoltà fondamentale che le resistenze così introdotte non sono ohmiche e variano con la "intensità di corrente" (con la velocità dell'aria). D’altra parte solo raramente si ha una conoscenza del sistema ipogeo tale da poterne realizzare un modello affidabile.
Pur con questi limiti evidenti il modello elettrico indica chiaramente una cosa: le masse d'aria interne hanno una tendenza intrinseca ad entrare in oscillazione su frequenze ben definite. In realtà il fenomeno dell'oscillazione delle correnti d'aria in grotta è già stato osservato più volte (Cigna 1967), ma solo in casi particolari ed attorno a valori neutri della circolazione, per cui si sono supposti meccanismi tipo oscillatore di Helmholtz. Il fenomeno pare invece molto più generale; per ogni tratto di grotta possiamo definire una sua lunghezza caratteristica, data dalla radice quadrata del prodotto LV/S, ove L è la sua lunghezza, V il volume di cavità che essa connette con l'esterno ed S la sua sezione. Ad essa possiamo associare una frequenza caratteristica data dalla velocità del suono divisa per questa lunghezza caratteristica o, all'inverso, un suo periodo tipico di oscillazione, esattamente come avviene per un circuito LC. I periodi tipici di oscillazione, in genere di molti secondi o minuti, possono però indicare le dimensioni di scala del sistema ipogeo. La presenza delle resistenze e gli accoppiamenti fra i vari risuonatori complicano moltissimo il quadro, che però indica che le grotte "suonano" in modo incessante (e inudibile...).
I gradienti termici delle grotte
Dunque all’interno delle montagne si trasferiscono grandi masse d’aria: è a questo punto che appare la specificità della climatologia sotterranea, perché la presenza di vincoli fa apparire una grossa differenza fra la climatologia interna e quella esterna. Mentre le masse d’aria in trasferimento verticale all’esterno subiscono trasformazioni di tipo adiabatico (secco o umido), all’interno lo stretto contatto con la roccia impone trasformazioni di tipo "isotermico locale": la particella d’aria in trasferimento assume, zona per zona, la temperatura propria di quel tratto di montagna, a sua volta fissata dalla media pesata fra le temperature dei fluidi che di lì sono fluiti in passato, acqua ed aria.
In pratica, il relativo stato di isolamento termico del trasferimento, insieme alle immense inerzie termiche della roccia, vincola i fluidi di passaggio ad acquisire le temperature medie "storiche" dei fluidi passati.
I gradienti "naturali" che assumono i due fluidi sono diversi. Una grotta totalmente dominata dal flusso d’aria si andrebbe a stabilizzare sul gradiente passato dell’aria fluente, cioè adiabatico umido (fra -5 e -6°C/km), o rarissimamente secco (-9.7°C/km), a seconda che il gas sia o no saturo di umidità.
L’acqua in discesa in situazione adiabatica tende invece ad assumere un gradiente naturale di -2.34°C/km.
Nella realtà le grotte hanno sempre sperimentato un equilibrio fra i due flussi e dunque le temperature, quota per quota e colonna d’aria per colonna d’aria, sono fissate dal bilancio passato dei due. Noi ora, invertendo, possiamo dire che dal gradiente termico siamo in grado di dedurre informazioni sull’intera colonna d’aria in moto e sui pesi relativi dei flussi d’aria e d’acqua.
Vediamo qualche esempio.
Il primo mostra una sequenza di misure realizzate nell’abisso di Malga Fossetta, una grotta nell’altopiano di Asiago. E' una profonda grotta con pochi affluenti secondari e, quelli, provenienti dalla stessa quota dell’ingresso. Questo fa sì che l’andamento sia molto regolare.
Nei primi cento metri di profondità la temperatura scende per la presenza di acque di disgelo, dopo di che la temperatura va crescendo regolarmente con la profondità, con un gradiente di -3.43°C/km di quota, sino a circa mille metri di profondità (fig. 5).
Fig. 5 – Andamento della temperatura in relazione alla profondità della grotta di Malga Fossetta ( in ordinate le temperature)
L’esempio successivo è un’altra grotta di analoga profondità, Ceki Due, nel Canin sloveno (fig. 6). Anche qui dopo la caduta di temperatura dei primi cento metri di profondità, per lo stesso motivo, la temperatura prende a salire con regolarità. L’unico sbalzo è a quota 1000 m slm, dove evidentemente arriva una colonna d’aria più calda dall’alto. Il fatto che l’aria lì sia più calda di circa mezzo grado fa pensare che l’entrata da cui scende sia 100-150 metri più bassa di quella dell’ingresso noto: ma potrebbero esserci anche altri motivi. Si noti però come invece la temperatura dell’acqua in quella zona non vari.
Il gradiente è di 2.70 °C/km, vicino ai 2.34 tipico dell’acqua: domina quest’ultima.
Fig. 6 – Temperature di acqua ed aria nella grotta di Ceki Due.
Passiamo ora ad un notevole insieme di misure, quello del complesso Ballaur-Piaggia Bella-Labassa-Arma del Lupo, nel Marguareis, il maggior complesso carsico delle Alpi italiane (fig. 7).
Le misure includono 1300 metri di dislivello e molte grotte "diverse" con oltre 60 km di sviluppo totale, ma climaticamente unite. Questo fa sì che i punti siano sparsi (ci sono molte colonne d’aria che si intersecano), ma se si tiene conto che si tratta di misure fatte in stagioni e anni diversi il comportamento è abbastanza regolare con gradiente -3.5°C/km. Però si può vedere come le varie colonne d’aria sono simili ma non precisamente sovrapposte.
Fig. 7 – Temperature di aria e acqua in relazione alla quota, nel complesso Piaggia Bella-Labassa.
Concludiamo con due grotte in zone remote ed equatoriali, sugli altipiani quarzitici venezuelani detti "tepui". Si tratta di cavità poco profonde, in quarzite, in pratica grandi pozzi di circa trecento metri di profondità. La cavità denominata Fummifere Acque (Bo.84) percorsa da un discreto flusso d’acqua ha gradiente -3.8°C/km, mentre Ocorpuscolo (Bo.83), privo d’acqua ha gradiente più "atmosferico", -4.6°C/km (fig. 8).
Fig. 8 – Variazione della temperatura dell’aria in relazione alla quota in due grotte degli altopiani venezuelani ( il simbolo del quadrato si riferisce a Fummifere Acque e quello del cerchio a Ocorpuscolo).
Pur col limite del piccolo dislivello misurabile vediamo che esse sono dominate dalla circolazione dell’aria, che in effetti è enorme, e vediamo come anche in situazioni così dissimili dal carsismo alpino le regole siano simili.
Conseguenze energetiche
L’equilibrio fra i flussi d’aria e d’acqua impone che la grotta si stabilizzi su un gradiente reale che in genere è compreso fra i -3 e i -4°C/km: questo fatto sperimentale ha vastissime implicazioni, sinora appena intraviste.
La maggiore è che non si ha mai un equilibrio complessivo fra aria ed acqua all’interno della montagna: il moto dei fluidi li porta ad uscire continuamente dalle situazioni di equilibrio che essi possono raggiungere localmente.
Inoltre vediamo come l’energetica delle grandi grotte è dominata dall’aria e non dall’acqua: gli interni delle montagne sono luoghi dove le colonne d’aria in transito cedono energia all’acqua che vi transita e che dunque esce, di poco, più calda di quanto le sarebbe naturale in un trasferimento adiabatico.
Più in generale, le grandi grotte risultano essere canali ad alta conduttività per i flussi di energia, e non solo di fluidi, all’interno del monte.
Da queste osservazioni deriva il fatto, sperimentalmente ben verificato, che nel mondo ipogeo funzionano immensi motori a condensazione-evaporazione. Sono essi i responsabili primi dell’estrema purezza dell’aria nel sottosuolo: qualsiasi particella libera viene intrappolata in una gocciolina e "trascinata" al suolo. Questo, per inciso, è uno dei motivi che promuovono molte grotte ad ambienti tanto salubri da essere impiegate per la cura di malattie, soprattutto polmonari.
Un’altra conseguenza, ben più importante, di questi processi condensativi è che le pareti vengono in genere tenute bagnate da veli d’acqua insaturi (ma in equilibrio con l’anidride carbonica locale e perciò acidi) che quindi scavano: potremmo dire che l’aria fa da martello e l’acqua da scalpello nello scavo delle grotte. E in particolare i processi condensativi innescati dai movimenti dell'aria ampliano probabilmente proprio i passaggi dove essa cedono più energia, le strettoie, sino a demolirle e ad ottenere grotte con sezioni relativamente costanti lungo la singola colonna d’aria.
Un’ulteriore conseguenza è che la temperatura di un grande sistema va valutata nel suo insieme. Mentre una grotta minuscola è vincolata a stare alla temperatura media del punto preciso in cui essa è, questo non è vero per l’ingresso particolare di un grande sistema ipogeo. Se le sue gallerie si distendono su chilometri di dislivello, esse sono in grado di trasferire energia dalle radici del monte sino alla sua sommità, raggelando le entrate basse (che sono così "stranamente" fredde) e scaldando quelle alte. Era in questo senso che osservavamo che il paradosso dell’esistenza impossibile delle grotte ad alta quota era solo apparente: è vero, il vino depositato in una cantina scavata lassù gelerebbe, ma una colonna d’aria scaldata da regioni all’interno del monte può spingersi ben più in alto, pur rimanendo ancora sopra lo zero...
Questo tipo di ricerche climatiche "d’insieme" ha dunque le potenzialità per chiarire moltissimo la vulnerabilità degli ambienti sotterranei da parte di opere umane, perché permette una corretta lettura dei dati provenienti dai monitoraggi ambientali e un miglioramento della progettazione di questi, soprattutto per le valutazioni dei flussi di energia e di entropia, qui non commentati. Può inoltre chiarire relazioni causa-effetto nascoste in ambienti che spessissimo sono molto delicati ma anche molto complessi.
Conclusioni
Il clima sotterraneo è determinato da processi di termocinetica e termodinamica dell’aria umida di straordinaria complessità di cui si ha una conoscenza inadeguata. Nei loro aspetti pratici (l’ingegneria termica) essi sono discretamente noti, ma per differenze di temperatura e di flusso di ordini di grandezza maggiori di quelli in gioco nella natura. Nelle montagne i processi si svolgono in generale con differenze di millesimi di grado e di frazioni del percento di umidità vicino a saturazione. Si tratta cioè di processi il cui svolgersi è totalmente al di fuori delle nostre capacità di misura, e che hanno effetti macroscopici solo perché la loro azione è integrata su decine di migliaia di anni.
La sfida che sta oggi dinanzi alla microclimatologia ipogea è dunque estremamente ambiziosa: delineare la teoria di questi processi, senza dimenticare quelli di second’ordine trascurati dalla fisica tecnica, verificarli per quanto possibile sul terreno con misure d’insieme e evidenziare gli effetti macroscopici che essi generano grazie all’immensità dei tempi su cui vengono applicati. Questo, in pratica, permetterà di ridurre l'impatto ambientale degli interventi umani sul mondo sotterraneo perché ci renderanno più chiare le conseguenze di essi, soprattutto nel caso di grotte caratterizzate da flussi di energia scarsi.
Bibliografia
G. BADINO G.(1995) FISICA DEL CLIMA SOTTERRANEO - Memorie dell'Ist. Italiano di Speleologia, 7, serie II, Bologna .
B. COLLIGNON B. (1992) IL MANUALE DI SPELEOLOGIA - Zanichelli, Bologna.
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