Il ghiaccio come materiale

Il ghiaccio come materiale
Esistono 9 forme conosciute di
reticolo cristallino del ghiaccio.
Sette di queste sono stabili a pressioni
superiori a 200 MPa, e un’ottava,
chiamata Ic, è stabile a temperature
inferiori a -100°C
Dato che le massime pressioni sui
ghiacciai del nostro Pianeta sono di
circa 40 MPa, e le temperature più
basse di circa -60°C, anche
quest’ottava fase non è presente.
Per cui limitiamo la nostra attenzione
alla fase Ih, che rappresenta il ghiaccio
come noi lo conosciamo alle
condizioni di pressione e e
temperatura dei nostri ghiacciai
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
La struttura del ghiaccio Ih è di tipo esagonale
(h=hexagonal), di tipo aperto, in cui ogni singolo
atomo di ossigeno (in rosso), è legato ad altri 4
atomi di ossigeno, formando un tetraedro.
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
Termine neve (snow) si usa per il materiale poroso che
non è cambiato in modo significativo dalla
precipitazione.
Invece il termine nevato (firn) viene riservato a quel
materiale poroso che ha superato l’anno idrologico,
senza però essere stato trasformato in ghiaccio.
In effetti non esiste una vera definizione della
trasformazione della neve in nevato.
E’ invece più chiaro il passaggio tra nevato e ghiaccio
(ice), che avviene quando le interconnessioni (passaggi)
tra i grani vengono chiusi. In questo caso, pre grani si
intende sia il singolo cristallo che un’aggregato di cristalli
senza una porosità interna.
Da neve a nevato esiste una porosità difusa, con
interconnessioni tra i vari grani che permea tutto lo
strato. Invece nel ghiaccio questa porosità è chiusa, cioè
le singole bolle di aria tra i grani ha perso le
connessioni.
Questo avviene a circa 0,830 g cm-3 (equivalente a 830
kg m-3).
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mercoledì 13 gennaio 2010
Typical densities of snow and ice (g/cm³)
New snow (immediately after falling in calm)
Damp new snow
Settled snow
Depth hoar
Wind packed snow
Firn
Very wet snow and firn
Glacier ice
0,050-0,070
0,100-0,200
0,200-0,300
0,100-0,300
0,350-0,400
0,400-0,830
0,700-0,800
0,830-0,917
Zone in un ghiacciaio
Partendo dalle aree polari verso le aree
temperate, troviamo ghiacciai senza fusione, fino a
ghiacciai con intensa fusione e ricristallizzazione.
1- Dry-snow zone (zona di neve secca). Non
abbiamo mai fusione, neppure in estate, ed è
delimitata dalla dry-snow line (linea della neve
secca).
2 - Percolation zone (zona di percolazione).
Possono avvenire fenomeni di fusione
superficiali. L’acqua percola all’interno del pacco
di neve, in funzione delle temperature in gioco.,
comunque sempre inferiori allo 0°C. Si possono
formare livelli di ghiaccio all’interno del manto
nevoso, dovuto al ricongelamento dell’acqua di
percolazione sotto la superficie, ma possno
trovarsi anche delle strutture colonnari o delle
sfrerule di ghiaccio. Scendendo di quota la zona
di percolazione si fà più evidente e profonda, fino
a raggiungere la wet-snow line (linea della neve
umida.)
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mercoledì 13 gennaio 2010
Zone in un ghiacciaio
3 - Wet-snow zone (zona di neve umida). Alla fine
dell’estate, tutta la massa nevosa caduta nell’anno ha
raggiunto gli 0°C. Può avvenire una percolazione
dell’acqua nello strato sottostante (anno precedente).
E’ impportante conoscerne gli effetti, dato che se
avviene una percolazione negli strati sottostanti, il
calcolo della massa precipitata può non essere
attendibile.
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
Zone in un ghiacciaio
4 - Superimposed-ice zone (zona di ghiaccio sovrapposto)
Nella zona di percolazione della neve umida, il materiale è
composto da lenti e strati di ghiaccio alternati a vario
livello con strati di neve e nevato. A quota più basse i livelli
di ghiaccio sono talmente spessi che arrivano a costituire
una massa continua. In genere si considera la zona di
ghiaccio sovrapposto quando è ancora possibile
differenziare gli incrementi annuali, di stagione in stagione.
Esiste una Snow-line che delimita il passaggio dalla zona di
ghiaccio sovrimposto e la zona della neve umida, che
rappresenta la parte di ghiacciaio dove si osserva il
passaggio da neve a ghiaccio sulla superficie, alla fine della
stagione di fusione. Il limite inferiore di questa zona è la
linea di equilibrio, che delimita l’area dove esiste ancora
un’accumulo di massa (resta della massa dall’anno
precedente), a quella dove, alla fine della stagione di
fusione, è stata oersa tutta la massa accumulata durante
l’anno, oltre che a fondere una porzione di quella dell’anno
precedente.
5 - Ablation zone (Zona di Ablazione). Zona al disotto
della Linea di Equilibrio.
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mercoledì 13 gennaio 2010
Distribuzione delle zone
La zona di neve secca si trova all’interno della Groenlandia e dell’Antartide, e nelle parti più elevate
delle catene montuose delle aree cirumpolari (es. Alaska), e delle catene centro asiatiche, qiondi in
quei ghiacciai che vencono classificati come polari.
In Groenlandia è possibile trovare praticamente tutte le zona fino ad ora citate, partendo dalla
parte più centrale, con temperature medie annue inferori a -25°C, fino alle aree costiere (in
generale quelle occidentali, dove è presente una vera e propria zona di ablazione. In Antartide sono
invece presenti quesi tutte le zone, senza una vera zona di ghiaccio sovraimposto e di ablazione,
perchè le temperature sono generalmente sempre più fredde, ma nche la zona di neve umida è
presente solo in aree limitate.
Nei ghiacciai delle latitudini inferiori, i genere non esiste una vara e propria zona di neve secca, e
scendendo, ma si distinge un’area di limitata percolazione (nelle alte quote o nelle zone
cirumpolari), o addirittura una vera e propria zona di percolazione (es. Monte Bianco e Monte
Rosa).
E’ chiaro che scendendo di quota e di latitudine queste aree sono sempre meno presenti e ci si
trova ad avere zone più simili a quella di neve umida, anche se per l’esistenza di un ghiacciaio è
neceessario che esista un’area dove la massa viene conservata alla fine della stagione di fusione.
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Variazione della densità con la profondità
Qui si vedono due diversi siti
dove il passaggio da neve a
ghiaccio avviene con velocità e
processi diversi.
Un ghiacciaio tutto nella zona
di percolazione dove è
presente acqua liquida porta
ad una compattazione (fusione
e ricristallizzazione) più veloce
di un sito tutto nella zona di
neve secca, dove invece sono
dominanti processi meccanici
e di sublimazione.
I processi sono quelli di
impaccamento e di
sinterizzazione, arrivando al
“close-off”, cioè alla chusura
dei pori in bolle (0.830 g cm-3).
Per processi in aree polari il profilo di
densità può essere approssimato ad una
curva con questa equazione:
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
=i - (i - s) exp(-Cz)
 = densità alla profondità z
i = densità del ghiaccio 0,917 g cm-3
s = densità della neve in superficie
C = costante di sito
Una buona approssimazione di C
sarebbe1,9/zt, dove zt è la profondità
di passaggio nevato-ghiaccio. Valida per
densità superficiali di 0,3 - 0,4 g cm-3
Processo di metamorfismo che trasforma neve in nevato e ne
riduce il volume. Si tratta di unnprocesso molto complesso che,
in condizioni fredde prevede una forte interazione tra ghiaccio e
vapore, con processi di sublimazione e deposizione.
La fase iniziale di trasformazione della neve in nevato porta ad
un’arrotondamento dei cristalli ed a un conseguente
assestamento meccanico dei grani risultanti, con anche una
riduzione della porosità ed un conseguente aumento della
densità
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
Esiste una relazione diretta tra la
profondità del close-off, l’accumulo
medio annuo e la temepratura del
nevato a 10 m di profondità (vedremo
poi perchè a -10m). La diminuzione
dell’accumulo, funzione anche della
temepratura (in aree polari), controlla
anche il tempo in cui si completa
l’intero processo di metamorfismo.
Ovviamente questo processo controll
anche un’altro parametro che è l’età
del ghiccio alla profondità del close-off.
Problema: quale è lla differenza di età
tra i gas contenuti nelle bolle d’aria ed
il ghiaccio che le contiene?
Lezione 2 - Neve e ghiaccio
mercoledì 13 gennaio 2010
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mercoledì 13 gennaio 2010
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