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Giovanni Badino, Dipartimento di Fisica Generale dell’Università di Torino, Associazione Culturale La Venta, Società Speleologica Italiana
LA SPELEOLOGIA NEI GHIACCIAI
Articolo estratto dal n. 3/2000 della rivista S.I.GE.A "Geologia dell'ambiente"
Riassunto
Nel decennio passato le tecniche della speleologia hanno permesso l'esplorazione sistematica delle grotte nei ghiacciai, attraverso le quali avviene il drenaggio dell'acqua endoglaciale. Questi studi hanno delineato la forma dei reticoli interni dei ghiacciai e permetteranno la valutazioni di situazioni di rischio connesse con la liberazione improvvisa di depositi d'acqua interni al ghiacciaio.
parole chiave: Criocarsismo, idrologia glaciale, fisica del ghiaccio
Abstract
In the past ten years the techniques of modern caving have allowed the systematic exploration of glacier caves, through which the drainage of endoglacial water takes place. Such research has brought to the understanding of the morphology of the glaciers' internal networks and will allow the evaluation of risk situations connected to the sudden release of the glacier internal water deposits.
Introduzione
Nel decennio passato l'esplorazione speleologica si è avventurata in un campo trascurato, quello dell’interno dei ghiacciai.
L'evidenza principale, ben nota da secoli, è che sui grandi ghiacciai si formano torrenti, in genere con portate dell'ordine del metro cubo al secondo che, dopo percorsi di poche centinaia di metri o, raramente, chilometri, si precipitano in rombanti pozzi formatisi nella massa di ghiaccio. I torrenti così spariti riappaiono riuniti in uno solo, alla fronte del ghiacciaio, in genere al contatto fra il letto morenico e il ghiaccio. Sotto i bianchi e regolari pianori c'è evidentemente una struttura interna di drenaggio.
Sin dagli inizi della glaciologia ci si interessò dei rumorosi pozzi in cui si precipitavano i torrenti. A quel tempo, siamo alla fine dell'800, non si era ancora formato un distacco fra la speleologia e la glaciologia e dunque quei buchi vennero considerati "grotte" quanto quelle scavate nel calcare; salvo che le tecniche dell'epoca non ne permettevano l’esplorazione e finirono per uscire dall'ambito di interesse degli speleologi.
I modellisti glaciali (lo svizzero Röthlisberger e, in modo indipendente, il californiano Shreve) nei primi anni ‘70 tentarono di modellare quel che poteva accadere all’interno. Di massima però le ricerche erano indirizzate alle condizioni di formazione di condotte sul letto roccioso, una situazione di trasporto che è quasi certamente poco interessante se non nelle ultime decine di metri prima di uscire a giorno, là dove il ghiacciaio si fa sottile. In pratica il ghiaccio non era considerato una sostanza carsificabile nel suo insieme, ma solo sull’interfaccia rocciosa. Il motivo di questa limitazione è ovvio: all'epoca la verifica sul campo era impossibile e le strutture che si vedevano alla bocca dei ghiacciai erano sempre di interfaccia ghiaccio-roccia. E, d'altra parte le ridotte possibilità di calcolo numerico dell'epoca rendevano difficile l'analisi a calcolatore.
Le
esplorazioni dirette
Alla metà degli anni ’80 vari gruppi di speleologi, in giro per il mondo, iniziano ad occuparsi di queste grotte glaciali
Quasi subito separiamo l’aspetto meccanico da quello dissolutivo: i crepacci e le grotte glaciali si escludono a vicenda, perché se un ghiacciaio è intensamente fratturato l'assorbimento d'acqua vi avviene in modo diffuso, senza concentrazioni di energia che consentano all'acqua di scavarvi grotte. I ghiacciai interessati al carsismo sono dunque sub-pianeggianti e temperati.
Le esplorazioni dirette, sempre molto complicate, portano a caratterizzare 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 in queste parti superficiali del ghiacciaio. Spesso al fondo di esso risulta impossibile avanzare perché il torrente si perde in fessure impraticabili.
A volte, invece, il primo salto dà accesso ad una serie di ambienti imponenti, sorta di forre sub-glaciali lungo le quali il torrente procede a piccoli salti e brevi tratti orizzontali sino a perdersi in una pozza d'acqua da cui viene drenato per vie subacquee. Gli ambienti sono in genere di dimensioni decrescenti, le pozze d'acqua conclusive si trovano nella maggior parte dei casi ad un centinaio di metri sotto la superficie, raramente poco oltre.
Sono stati così esplorati ghiacciai in tutto il mondo dai vari gruppi: canadesi e polacchi alle Svalbard, svizzeri sulle Alpi, francesi in Groenlandia, spagnoli in Islanda mentre gli italiani hanno realizzato un survey generale con esplorazioni sulle Alpi e poi nel Tien Shan, nel Karakorum, in Islanda, in Antartide e soprattutto in Patagonia, giungendo a caratterizzare la fenomenologia generale del carsismo nei ghiacciai.
Caratteristiche
del processo di formazione
Presso il Dipartimento di Fisica Generale dell'Università di Torino è stato sviluppato il modello teorico di questi fenomeni, derivandolo dall'approccio analitico della microclimatologia ipogea. Lo studio è stato prima condotto per via analitica e poi, per poter seguire l'evoluzione dei reticoli coi cicli stagionali, con una serie di modelli numerici sviluppati che ci hanno permesso di chiarire la fenomenologia complessiva del trasporto delle acque interne, schematizzata nelle figure 2 e 3 .
Fig.2 – Inghiottitoi glaciali e reticolo di drenaggio interno con struttura ad albero. Le gallerie possono essere epidermiche per lunghi tratti, ma in genere sono appena al di sotto del livello degli acquiferi interni ( falde sospese).
Fig. 3 – Struttura di pozzo scavato nel ghiacciaio.
Una prima, inusuale, caratteristica importante per la morfologia della struttura del reticolo di drenaggio è quella del comportamento plastico del ghiaccio, che a bassa pressione si comporta quasi come una roccia, ad alta pressione quasi come un liquido.
Da questo deriva che una cavità (grotta o crepaccio) a pochi metri di profondità ha un durata molto superiore al tempo di evoluzione locale del ghiaccio e dunque nel suo sviluppo la plasticità ha poca importanza: è come se fosse scavata nella roccia, e rimane stabile anche per anni, se il fluire a valle del ghiaccio lo permette.
Una cavità a 50 metri di profondità ha invece una vita media dell'ordine di una stagione, e dunque quella è la profondità massima alla quale possono sopravvivere strutture legate a cicli stagionali. A profondità maggiori i tempi di collasso sono più brevi e dunque si tratta di strutture che si formano e durano sinché gli agenti che le scavano sono attivi, per poi collassare e sparire "rapidamente" all'interno della massa di ghiaccio fluido. Il grafico lo illustra (fig. 4).
Fig. 4 – Relazione tra vita media delle cavità subglaciali e profondità.
Le strutture di drenaggio nelle parti più epidermiche, ove la plasticità è trascurabile, sono dunque piuttosto semplici: i ruscelli si formano ed ingrossano nelle zone più depresse del ghiacciaio e poi entrano nel ghiaccio in punti ove il loro flusso concentrato di energia diventa superiore al minimo per perforare la superficie: si forma un punto di assorbimento, un "mulino glaciale"
Al suo interno l'energia potenziale dell'acqua in caduta viene rilasciata all'aria e nei punti dove essa batte. Trattandosi di un sistema a pressione atmosferica e in condizioni rigorosamente isoterme il sistema si sviluppa in modo proporzionale all'energia rilasciata in caduta dalle cascate. Nelle prime parti, sino ad una cinquantina di metri di profondità, essa non viene contrastata dal collasso plastico e quindi le cavità si ampliano lungo tutta la stagione. E' solo alla fine della stagione calda che le pareti cominciano a collassare sulla cavità, prevalentemente alle profondità maggiori, dove le sezioni dei pozzi vengono sensibilmente ristrette durante l'inverno. Il grafico illustra l'evoluzione del diametro di un mulino glaciale, alle varie profondità, negli anni (fig. 6). In questo caso il flusso d'acqua ipotizzato durante la stagione calda è di 50 kg/s.
Fig.6 – Evoluzione del diametro di un mulino glaciale in rapporto alla profondità in vari anni successivi.
A profondità maggiori la plasticità del ghiaccio prevale ed esso tende a crollare sulla cavità che così viene ad assumere caratteristiche forme sempre più ristrette, a canyon.
Questo semplice modello pare giustificare la grande maggioranza delle forme interne dei mulini glaciali.
Sin dalle prime esplorazioni, però, ci apparve chiaro che le strutture in cui avanzavamo fra mille difficoltà non potevano essere che un frammento ben piccolo della struttura interna del ghiacciaio. Le grotte avevano sempre un andamento prevalentemente verticale e dunque esse dovevano essere semplici tributarie del sistema di drenaggio principale che doveva essere al di sotto dei piccoli specchi d'acqua in cui si precipitavano i torrenti in fondo alle grotte.
In pratica, a differenza di quanto aveva sino ad allora ipotizzato la glaciologia, i torrenti non arrivavano sino al letto roccioso, ma andavano a caricare più falde acquifere poste sul limite del "comportamento plastico" del ghiaccio.
Il
reticolo sommerso
Il modellamento numerico è stato sinora l’unico strumento per chiarire i processi che avvengono nel reticolo di drenaggio sommerso.
In condizioni sommerse i tempi di collasso delle cavità all'interno delle falde acquifere si riducono grazie al contrasto della pressione dell’acqua. Come nel caso delle parti epidermiche, lo scavo carsico avviene per rilascio di energia potenziale nella caduta fra i punti a monte e a valle del reticolo di trasporto. Assume dunque un ruolo chiave la perdita di carico lungo le condotte e questo rende il modellamento molto delicato perché si tratta di un parametro che dipende criticamente dalla loro forma, condizioni di trasporto e così via.
Le condotte a pieno carico sub-glaciali sono strutture di equilibrio fra lo scavo dovuto alla perdita di carico dell'acqua in transito e il riempimento dovuto al ghiaccio che tende ad implodere sulla condotta.
Le dimensioni dipendono dunque dalla pressione del ghiaccio sulle pareti e dalla pendenza e forma della galleria. Il calcolo deve essere applicato a casi reali, ma diremo che il diametro al quale diventa stabile una galleria percorsa da 1000 kg/s d'acqua, a cento metri di profondità, è circa 0.9 m, e l’acqua vi corre a quasi 1.5 m/s. Se il flusso è di soli 100 kg/s il diametro di equilibrio diviene 35 cm e l'acqua vi corre ad un metro al secondo.
Si tratta di dimensioni coerenti coi frammenti di condotte che, in rari casi, abbiamo potuto osservare direttamente.
Le gallerie sono di diametro ragionevolmente uniforme: un qualunque restringimento, dovuto ad esempio a crolli, crea un aumento di impedenza e una concentrazione del rilascio locale di energia sino a che la disuniformità viene rimossa. Inoltre il processo è a retroazione negativa, cioè autostabilizzante: quando il flusso d'acqua si ferma, ad esempio durante notti fredde, la galleria si stringe lentamente e aumenta di impedenza. Alla ripresa del flusso il rilascio di energia sarà perciò maggiore e lo scavo avverrà più rapidamente sino a ripristinare le condizioni precedenti. In modo analogo, un temporaneo aumento del flusso dilata la condotta al di sopra della sezione di equilibrio alla quale però ritornerà appena si ridurrà il flusso.
La novità principale riguarda però la struttura complessiva della rete di condotte di drenaggio, strettamente legata al fatto che il processo di scavo non è più né isobaro né isotermo, dato che la temperatura di equilibrio fra acqua e ghiaccio dipende dalla pressione; essa è 0°C a pressione atmosferica, ma diminuisce di 7.5 mK (millesimi di grado centigrado) per ogni incremento di una atmosfera: questo effetto ha un ruolo fondamentale, perché in eventuali tratti ascendenti l'acqua si muove verso pressioni minori, e risulta fredda rispetto al ghiaccio e quindi solidifica sulle pareti. Il processo dunque evolve nel senso di allargamento delle parti discendenti e chiusura (e aumento dell'impedenza) delle parti ascendenti delle gallerie. E' dunque fortemente contrastata la formazione di tratti a saliscendi del reticolo.
La dipendenza fra la pressione e la temperatura di equilibrio fra le due fasi ha un effetto rilevante anche sulle singole condotte, perché l’acqua che vi scorre quando passa in basso scava, quando tocca il soffitto deposita: il risultato è che la galleria migra lentamente verso il basso.
Stabilità
stagionale
Passiamo a discutere la stabilità del reticolo sul lungo periodo. Abbiamo visto come rapide variazioni del flusso comportino piccole fluttuazioni attorno alla struttura di equilibrio, e infatti sia il calcolo che le osservazioni dirette mostrano che i cicli diurni non causano variazioni significative.
La situazione cambia invece molto quando la variazione ha durata tipica maggiore di quella del collasso delle gallerie, situazione che si ha all'arrivo della stagione fredda. I flussi profondi si arrestano e le condotte iniziano lentamente a crollare su sé stesse, contrastate solo dalla pressione idrostatica della falda acquifera che viene spinta verso l'alto. In inverno il reticolo glaciale viene riempito d’acqua sin nei pressi della superficie.
In primavera, perciò, il reticolo c'è ancora anche se più a valle e più in pressione di qualche mese prima. Il flusso d'acqua esterno riprende con modalità analoghe all'anno precedente, e va scavando pozzi praticamente negli stessi punti ove si erano formati l'anno prima, dato che essi sono legati alla struttura tensiva del ghiacciaio che è a sua volta determinata dalle condizioni di vincolo della roccia, che variano di ben poco da una stagione all'altra. Le parti più a valle del reticolo vengono trascinate verso la fronte glaciale e macinate, mentre a monte, nelle profondità dei "nuovi" mulini glaciali, se ne riformano di nuove.
Anche il reticolo profondo risulta così essere una struttura che oscilla stagionalmente attorno ad una configurazione di equilibrio, e in pratica migra verso monte alla velocità con la quale il ghiaccio va verso valle.
Attuali
ricerche
La speleologia glaciale è nata molto recentemente da una costola della speleologia sportiva, e si è sviluppata nell’ambito degli studi di climatologia sotterranea, ma sta riuscendo a chiarire molti processi che avvengono nei ghiacciai e ne sta delineando il mondo che contengono.
In prospettiva immediata questo migliorerà l'accuratezza delle valutazioni dei "bilanci di massa" dei ghiacciai che vengono utilizzati per stimare i cambiamenti globali del clima.
Ma l’aspetto più rilevante per un utilizzo pratico di questi studi è senza dubbio quello della fenomenologia dei depositi d'acqua subglaciali.
E' infatti ben noto che periodicamente dai ghiacciai fuoriescono improvvisamente enormi quantità d'acqua che si erano venute accumulando negli anni precedenti all'interno della massa glaciale. Questo tipo di fenomeni, di estrema rilevanza per le opere umane costruite a valle dei grandi ghiacciai, pare fosse già noto agli ingegneri della Roma antica: è probabile che l'enorme struttura del ponte romano di Pont Saint Martin fosse proprio giustificata dal mettere la strada delle Gallie al riparo da eventi catastrofici di questo tipo, innescati dal ghiacciaio del Lys.
La situazioni di rischio va attualmente crescendo proprio perché la generale fase di ritiro delle superfici glaciali sulle Alpi è destinata a liberare le tasche d'acqua esistenti, trattenute dal ghiaccio a valle.
Sino ad ora, però, non è stata condotta nessuna analisi sistematica delle dimensioni e delle condizioni di stabilità di questi depositi.
Le analisi teoriche mostrano che esse sono stabili negli anni e che tendono progressivamente ad approfondirsi nella massa glaciale, ampliandosi. Questo è dovuto a vari fattori; il primo è che la densità dell'acqua è maggiore di quella del ghiaccio e che quindi alla base del deposito la pressione tende ad allontanare il ghiaccio: un deposito d'acqua ha tendenza ad "affondare" nel ghiacciaio. Un altro fattore è che questi bacini risultano punti privilegiati di deposizione del flusso di energia che attraversa il ghiacciaio ed essa causa lo scioglimento di altro ghiaccio dalle pareti di contenimento. Infine le turbolenze che vi possono essere innestate causano, per il già citato processo legato alla diminuzione di temperatura con la pressione, scavo alla base e deposizione di ghiaccio alla sommità del bacino.
Tutto questo va verificato sul campo, sia con ricognizioni dirette che indirette, ed è proprio in questa direzione che stiamo orientando le attuali ricerche con una campagna di misure ed esplorazioni dirette iniziata nel 1999 sul ghiacciaio del Gorner, in Svizzera.
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