Progetto Powerpoint 2009
LA TEMPERATURA
DELLE GROTTE
Freddo d’estate
e caldo d’inverno?
A cura di Giovanni Badino
Abisso Essebue, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
INTRODUZIONE
Perché le miniere sono calde e le grotte sono fredde?
E anzi: perché, in generale, si sente sempre dire che nel sottosuolo
la temperatura va crescendo con la profondità
e invece in grotta fa un freddo cane?
Il motivo è che nelle grotte fluisce l’acqua esterna sino a grandi profondità,
e lo fa da un tempo molto lungo.
La presenza di grotte raffredda le montagne.
Carsena del Pa, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
INTRODUZIONE
La temperatura T delle grotte ha tre caratteristiche notevoli:
1) una relativa costanza;
2) un valore particolare;
3) una particolare variazione con la quota.
Andiamo a vedere i motivi di ciascuna delle tre caratteristiche.
La costanza di T deriva dal fatto che le grotte hanno un’enorme
capacità termica e smorzano le variazioni di T dei fluidi in entrata.
Il primo passo è quindi stimare la capacità termica delle grotte.
Campo Base, Abisso Mani Pulite, Tambura, Toscana, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
CAPACITÀ TERMICA DELLE GROTTE
La capacità termica di un oggetto
è la quantità di calore
che bisogna cedergli per innalzarne
di 1 °C la temperatura.
Una grotta è una struttura
più o meno chiusa dentro un isolatore
(la roccia) con enorme capacità termica,
ma con una bassissima conduttività.
Inoltre contiene aria e acqua.
Quale è la sua capacità termica?
Tirolese, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
CAPACITÀ TERMICA DELLE GROTTE
Complesso di Piaggia Bella.
Volume: 106 m3 (?..)
Aria: 106 kg
C=109 J/K
Acqua: 10 kg/m (?)x10 km (?..)
105 kg o 106 kg
C=5x108-5x109 J/K
Quanto 1000 ton di roccia.
Un nulla.
Zona Piaggia Bella, Marguareis, Piemonte, Italia
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CAPACITÀ TERMICA DELLE GROTTE
La capacità termica delle grotte
sta quindi nelle rocce che le delimitano.
In tutta la montagna?
No, solo la profondità che partecipa.
Valutare quanto è difficile…
Abisso Cul di Bove, Matese, Italia
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CAPACITÀ TERMICA DELLE GROTTE
Le grotte non esistono. Esiste un’assenza di roccia.
Ma la capacità termica la dà la roccia che circonda l’assenza,
così come dà gli appigli, i posti per i chiodi …
rock temperature
1,0
Temperature increase [°C]
0,8
0,6
0,4
0,2
1,0
0,8
Temperature increase [°C]
Internal rock temperature increases
from the initial temperature due to a
step disturb of +1°C. Situations at
t=0.01, 0.1, 1, 10, 100 hours. The alfaterm (local exchange coefficient) is
infinite.
Internal rock temperature at
6, 9, 12, 15, 18 h from the beginning
of a sinusoidal temperature variation
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
0
20
40
60
80
-0,4
-0,6
-0,8
0,0
0
20
40
60
80
100
-1,0
depth in rock [cm]
Depth in rock [cm]
periodo τ
xp in calcare [m]
1 giorno
1 anno
0.17
3.2
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100
CAPACITÀ TERMICA DELLE GROTTE
In pratica a smorzare
le fluttuazioni giornaliere
partecipa una spanna di roccia
(~500 kg/m2) o 3 metri
(~10000 kg/m2)
per fluttuazioni annuali.
Di nuovo Piaggia Bella.
Volume: 106 m3 (?..)
Superficie: 106 m2 (???)
Massa roccia coinvolta:
Giornaliera: 0.5x106 ton
Annuale: 10x106 ton
Passaggio Segreto, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
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CAPACITÀ TERMICA DELLE GROTTE
Ma il clima cambia.
La lunghezza di penetrazione di variazioni che durano diecimila anni
è di molti chilometri.
L’intera montagna partecipa quindi a smorzare la variazione.
Ma per capire meglio dobbiamo fare un modello.
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GROTTE COME FILTRI TERMICI
Possiamo pensare che una grotta sia fatta così.
Una pentola C in cui scorre acqua!
Che temperatura assume l’acqua che ne esce,
se quella che vi entra ha una T che varia di continuo?
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GROTTE COME FILTRI TERMICI
Si sistema alla T media delle acque che sono entrate.
Se la pentola era a 25 °C e la media delle acque è invece a 15 °C,
la T della pentola tende in modo asintotico a 15, con una scala temporale
data dal rapporto fra la capacità termica totale e la portata entrante.
Questo è il tempo di equilibratura di una grotta con l’ambiente esterno.
C
teq 
FT1
temperatura monte
raffreddamento di un monte
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Andamento temporale della
temperatura di C da 25 °C per
entrata di flusso F a 15 °C.
Unità tempi: C/F
0
1
2
3
unità tempi di equilibratura teq
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4
5
GROTTE COME FILTRI TERMICI
Il tempo di equilibratura
di una grotta è il tempo necessario
perché dentro la grotta
scorra una quantità di fluido
che abbia la stessa capacità termica
totale della montagna.
C  teq  j FTj
Sima Aonda, Auyantepui, Venezuela
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GROTTE COME FILTRI TERMICI
Facciamo un esempio.
Abbiamo visto che a smorzare
cambiamenti di T su tempi lunghi
l’intera montagna (dall’acquifero
in su) partecipa alla capacità
termica totale.
Possiamo calcolare la capacità
termica C di un altopiano
di potenza H, e calcolare
quanto tempo ci vuole perché
al suo interno fluisca,
con piovosità media, una quantità
d’acqua che abbia una capacità
termica totale pari a C.
Poi ripetiamolo ipotizzando
che non entri acqua, ma solo aria,
con valori tipici del carsismo
nelle nostre zone.
Risorgenza sull’Auyantepui, Venezuela
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GROTTE COME FILTRI TERMICI
H [m]
Δteq, aria [a]
Δteq, acqua [a]
10
50
5
100
500
50
1000
5000
500
Insomma: per raffreddare ad aria (flussi tipici) un altopiano di 100 m
di potenza, occorrono 500 anni, ma ne bastano 50
se vi facciamo fluire acqua (flussi tipici).
In pratica questo ci dice che chi raffredda le montagne
sono le acque che si infiltrano.
E che in poche migliaia di anni qualunque montagna
che sia attraversata dalle acque esterne va alla T delle acque esterne.
Le montagne carsiche sono “fredde”.
E se non sono fredde, non sono carsiche...
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GROTTE COME FILTRI TERMICI
In prima approssimazione possiamo assumere
che la temperatura delle acque che si infiltrano sia quasi uguale
alla locale T media annuale, che da ora in poi chiameremo TL.
E quindi che anche la T delle grotte sia quasi uguale alla TL.
Quasi uguale.
Ma questo “quasi” contiene un mare di dettagli...
Tgrotta  Tmedia _ annuale
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LA TEMPERATURA MEDIA LOCALE
La carta delle T medie è data dalla World Meteorological Organization
con una rete di 11 mila stazioni meteorologiche che coprono la Terra.
La carta dà i valori della T media annuale locale (TL)
riportata al livello del mare.
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LA TEMPERATURA MEDIA LOCALE
La zona mediterranea è tutta inclusa fra l’isoterma 10 e quella 20 °C.
Vuol dire che le grotte sono tutte a quella TL?
Sì, quelle a livello del mare, sono a quella TL.
Palermo 17 °C, Trieste 12 °C, Barcellona 16 °C, Torino 13.5 °C...
Ma Torino non è a livello del mare...
10 °C
20 °C
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LA TEMPERATURA MEDIA LOCALE
Infatti bisogna apportare correzioni.
La principale è per la quota.
La TL in genere scende di 6.5 °C
ogni chilometro di quota.
Torino è a 250 metri slm;
quindi bisogna togliere circa 1.8 °C.
Una grotta a Torino (una cantina,
la roccia entro poche decine di metri
di profondità, l’acqua delle falde
profonde...) ha in prima
approssimazione una T di 12-13 °C.
Alla stessa latitudine (Marguareis...)
ci aspettiamo che una grotta a 2000
metri slm (Piaggia Bella)
abbia una T poco più alta di 0 °C.
È così semplice?
Sì, in prima approssimazione
è proprio così semplice.
Ingresso F5, Marguareis, Piemonte, Italia
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LA TEMPERATURA MEDIA LOCALE
Ma una grotta su un versante nord?
Il versante non importa.
Cambia molto quanta radiazione solare riceve (e quindi la sensazione
di freddo), ma in realtà l’influsso sulla TL è molto piccolo.
In genere, senza ricorrere alla carta,
possiamo operare così per stimare la TL:
- cerchiamo i dati di TL forniti dalle stazioni WMO più prossime
alla zona X interessante;
- calcoliamo per ciascuna ΔLat e ΔAlt, differenza delle latitudini
(in gradi) e delle altitudini (in chilometri), fra il punto X e la stazione
WMO;
- stimiamo TL con la formula qui sotto, valida dalle nostre parti;
- mediamo fra le varie stazioni.
TL  TWMO  0.7 Lat  6.5 Alt
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LA TEMPERATURA MEDIA LOCALE
Riassumiamo.
La grande inerzia termica della roccia che circonda le grotte
smorza le variazioni di T dei fluidi entranti,
e fa sì che esse si sistemino alla loro T media annuale (TL).
In prima approssimazione possiamo quindi dire che le grotte
hanno la T media annuale del posto in cui si aprono.
Grotta della Mottera, Val Corsaglia, Piemonte, Italia
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LE CORREZIONI
Ci sono diverse correzioni
da apportare.
1) Selezione dei fluidi;
2) calore geotermico;
3) diverse altitudini di infiltrazione.
Abisso Essebue, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ACQUA
La T media di una località
si ottiene dalle misure di T
dell’aria a 2 metri di altezza
su un prato pianeggiante.
Ma noi abbiamo visto che il fluido
che conta davvero nel fissare la T
della grotta è l’acqua
che si infiltra.
La sua T media può essere diversa
dalla TL per vari motivi.
Rio delle Amazzoni, Manaos, Brasile
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ACQUA
Primo motivo.
Le precipitazioni partono da una quota
sensibilmente più alta della superficie.
In genere si ammette che la loro T sia circa 1 °C inferiore
alla T locale dell’aria.
Temporale sui Tepui, Venezuela
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ACQUA
150
45
90
30
25
70
20
50
15
30
10
Precipitazioni [mm]
110
35
Tmin
Tmax
Precipitazioni
Precipitazioni [mm]
130
40
Temperature [°C]
Confrontiamo la situazione
climatica di:
Firenze (44° N, q. 50);
Chihuahua (29° N, q. 1400).
Le T sono simili, come le medie:
TL Firenze: 14.6 °C.;
TL Chihuahua: 17.8 °C.
Le precipitazioni no,
e le T medie delle infiltrazioni,
e quindi delle grotte, sono:
T Firenze: 13.8 °C;
T Chihuahua: 21.6 °C.
50
Tmin
Tmax
Precipitazioni
10
5
0
-10
1
4
7
10
Mesi
Chihuahua (Mx): T e P
50
150
45
130
40
Temperature [°C]
Secondo motivo.
Le precipitazioni sono concentrate
in stagioni particolari.
Firenze (I): T e P
110
35
90
30
25
70
20
50
15
30
10
10
5
0
-10
1
4
7
10
Mesi
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ACQUA
Terzo motivo.
In zone dove la neve permane per lunghi periodi,
le acque di infiltrazione sono sensibilmente più calde della TL.
Infatti quando fa molto freddo l’acqua è neve, ed essa non si infiltra.
L’infiltrazione inizia solo alla fusione primaverile,
quando la sua T è salita a 0 °C.
Sotto lo zero l’acqua non scorre: questo è il motivo fondamentale
per cui tratti di grotta sottozero sono rarissimi e molto prossimi all’esterno.
Abisso Viva le Donne, Grigna, Lombardia, Italia
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ACQUA
La grotta di Ulugh Beg è stata scoperta
dall’Associazione La Venta
durante la spedizione Samarcanda 91.
È una delle più alte entrate
conosciute al mondo.
Sviluppo: 1500 metri
Profondità: 240 metri
Altitudine: 3750 metri
TL: -6°C
T della grotta:
-0.8°C a 3700 metri slm
0°C a 3550 metri slm
Abisso Ulugh Beg, Hodja Gu Gur Atà, Uzbekistan
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ACQUA
Quarto motivo.
In ingressi particolari le acque di infiltrazione
possono non essere affatto all’equilibrio con la TL.
Una grotta alimentata da un lago molto assolato
e poco profondo può essere molto più calda dell’atteso.
Una grotta il cui ingresso è una grande trappola per la neve
può essere intorno allo zero anche a quote relativamente basse.
Abisso Gaché, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ARIA
Anche i movimenti dell’aria provocano scostamenti dalla regola
che la T della grotta sia la TL.
L’aria non congela, ma la sua direzione di scorrimento
dipende dalla T esterna.
Durante l’estate l’atmosfera interna è più densa di quella esterna e cade,
e l’aria viene inalata dalle entrate alte che ora sono “spazzate”
dall’aria esterna, che è calda.
L’aria interna, relativamente fredda, affonda nella montagna
e sgorga alle entrate basse.
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ARIA
Durante l’inverno avviene l’opposto:
l’aria interna è relativamente calda
e sale, sgorgando dalle bocche alte.
Fonde la neve
e mostra gli ingressi “buoni”.
Abisso Fine di Mondo, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
Ingresso sconosciuto, Desert du Platé, Francia
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ARIA
Si forma una nuvola
di mescolamento all’ingresso.
Tante grotte sono state trovate così...
Fummifere Acque, Auyantepui, Venezuela
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SELEZIONE DEI FLUIDI: ARIA
Questo significa che le grotte
filtrano l’aria, selezionandone
le temperature.
Fra l’aria interna e quella esterna
esse scelgono:
la più calda per le entrate alte;
la più fredda per quelle basse.
L’effetto complessivo sulla T
della grotta è piccolo, perché
l’aria ha poca capacità termica.
Gruta da Terra Ronca, Goyas, Brasile
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IL CALORE GEOTERMICO
Dalle profondità della Terra
sale un flusso di energia termica
di 0.06 W/m2.
Nel tempo, ha reso calde
tutte le rocce profonde.
Il flusso geotermico in grotta
è impercettibile, perché le montagne
in cui sono scavate sono all’equilibrio
coi flussi d’acqua esterni,
che le hanno raffreddate
da gran tempo.
Il flusso che sale viene intercettato
dall’acquifero alla base del monte
ed espulso alle sorgenti.
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IL CALORE GEOTERMICO
Ne risulta che fra il fondo grotta
e la sorgente l’acqua viene scaldata
di un ∆Tgt dato dalla formula sotto.
P* è l’infiltrazione.
Nel carso alpino P* si aggira
su 1000 mm/a e quindi l’incremento
di temperatura è intorno a 0.5°C.
Non è molto, ma forse è misurabile.
500
Tgt 
C
P*
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IL CALORE GEOTERMICO
Ma è vero?
L’idea di un acquifero piatto e omogeneo che nelle profondità
delle montagne carsiche schermi il flusso geotermico non è plausibile.
Sappiamo benissimo che l’acqua si sposta lungo una rete di gallerie
o persino in singole condotte.
Grotta Holloch, Svizzera
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IL CALORE GEOTERMICO
Il risultato sorprendente
è che questo non importa.
Una condotta focalizza
su sé stessa il flusso geotermico,
creando una zona d’ombra
nelle rocce sovrastanti
su una superficie molto più ampia
della condotta stessa.
È come se l’acquifero
fosse esteso
per centinaia di metri
intorno alla condotta.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
IL CALORE GEOTERMICO
In pratica le condotte di base
intercettano il calore
geotermico su una superficie
molto più grande della loro.
Le dimensioni della superficie
schermata sono dell’ordine
della profondità della condotta,
non del suo diametro...
È probabile che il riscaldamento
conseguente abbia importanti
effetti nell’evoluzione
dei sistemi freatici.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
IL CALORE GEOTERMICO
Una grotta può avere
locali sbilanci termici
per le diverse capacità
di schermatura
delle condotte profonde.
Anche questi processi
possono avere un ruolo genetico
perché creano condensazioni,
ma sono di ampiezza limitata.
Allo stato attuale
delle conoscenze
si può ammettere che il flusso
geotermico non giochi
nessun ruolo nel fissare
la temperatura di una grotta.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Abbiamo visto che la TL
esterna varia con la quota.
Diminuisce di 6.5 °C/km.
Questo valore è il gradiente
medio atmosferico.
Anche in grotta le T
variano con la quota,
ma in un modo diverso,
che dipende dal tipo di grotta.
In genere, comunque,
la T diminuisce di 3-4 °C/km,
cioè molto meno
che all’esterno.
Vediamo meglio.
5
4.5
4
quota ingresso
3.5
3
T-aria (triangoli) e T-acqua (quadrati)
in Malga Fossetta, giugno 96.
Quote topograf iche. Precisione T ±0.1°C.
2.5
2
1.5
800
1000
1200
1400
quote m slm
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
1600
1800
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Consideriamo una condotta ben isolata termicamente, in cui l’acqua
scende di cascatella in cascatella, senza mai acquistare velocità.
La sua T va crescendo, perché l’energia potenziale iniziale
va trasformandosi in calore, di salto in salto.
Il suo guadagno di T è Gw=2.34 °C/km.
È il “gradiente adiabatico idrico”, molto importante perché quanto più
le grotte sono attive, tanto più il loro gradiente gli è vicino.
Gruta do Diablo, Sao Paulo, Brasile
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
L’aria ha un comportamento
più complicato perché:
1) è comprimibile;
2) in genere è umida.
L’aria si muove sia verso l’alto
che verso il basso.
Nel caso dell’aria secca
questo crea semplicemente
un’inversione temporale.
Ma questa simmetria si rompe
a causa dei processi di condensazione
e al rilascio di energia dovuti all’attrito.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Se l’aria è secca, o lontana dal 100%
di umidità relativa, la sua T aumenta
scendendo con la quota
di Gas=9.7 °C/km.
Questo in meteorologia si chiama
“gradiente adiabatico secco”.
Cueva Hundida 2, Coahuila, Messico
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I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Ma in generale ci sono vaste superfici di acqua libera nelle grotte,
e l’aria rimane umida.
Quindi l’aria si scalda scendendo,
ma con questo essa fa evaporare dell’acqua.
Però, per farlo, deve spendere energia.
Il risultato è che si scalda meno che se non ci fosse acqua.
La sua variazione di T con la quota (“gradiente adiabatico umido”)
è data da questa formuletta, che è utile imparare a memoria
per andare bene in grotta.
 0.622 L AB
 B 
 B 
g M mol,a  1 0.622 A L
exp dT  

exp dz
1

2
 T 
 T 
p cp T
R  
p
c pT

La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Non è vero, per fortuna.
Ma importa capire che l’aria umida scendendo
si scalda meno di quella secca.
La tabella dà le variazioni di T con la quota a varie quote e temperature.
Sono le variazioni di T con la quota per le grotte in cui ci sia acqua ferma,
ma pochissimo scorrimento idrico.
Si vede che il gradiente naturale per grotte umide
è circa 6 °C/km in grotte alpine e 4-5 °C/km in grotte tropicali.
Altitude [m]
100
1000
2000
3000
4000
T=0°C
6.58
6.38
6.14
5.91
5.70
5°C
5.90
5.70
5.50
5.25
10°C
5.32
5.11
4.89
4.68
15°C
4.80
4.60
4.40
4.20
20°C
4.35
4.17
3.98
3.80
25°C
3.95
3.80
3.65
30°C
3.63
3.49
3.35
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Ad esempio. Una grotta inizia a 1500 metri slm con T=TL=6 °C.
La T aumenta scendendo di quota a seconda di cosa scorre:
solo aria secca: 9.7 °C/km;
solo aria umida: 6 °C/km;
solo acqua: 2.34 °C/km.
In media nei complessi sotterranei di tipo alpino: 3.5 °C/km
lapse rates
20
15
temperature
E quindi alle gallerie
a quota 500 metri s.l.m.
misuriamo delle T
che sono rispettivamente:
16, 11, 8.5, 9.5 °C.
Lungo ciascuna linea interna
di moto dei fluidi
si ha un gradiente di T
che dipende dal peso relativo
di acqua e aria.
Standard Atmosphere (and cellars)
Moist adiabatic
10
Water adiabatic
5
Dry adiabatic
0
0
500
1000
1500
-5
altitude
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
2000
2500
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Nella pratica le grotte reali
sono una miscela di arie umide e acque,
e a seconda del prevalere di una
o dell’altra il gradiente si sposterà
verso i 2.5 (acqua dominante)
o verso i 5 (aria dominante).
Come abbiamo detto,
la gran parte dei grandi abissi
ha gradiente intorno a 3-3.5 °C/km.
Terra tra i Due Laghi, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Ma una grotta in genere
lapse rates
prende acque da vari
20
posti, a diverse quote,
quindi ognuna con:
temperature
15
sua T di infiltrazione;
suo gradiente
Standard Atmosphere (and cellars)
Moist adiabatic
10
di discesa.
Quindi, quando
Water adiabatic
5
si mescolano,
non sono in equilibrio.
Dry adiabatic
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Inoltre questa miscela
tende a confondere
-5
altitude
il gradiente complessivo
della grotta.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
In particolare, se si ha T=TL
a una certa quota,
non sarà più così più in basso.
Infatti:
La TL esterna diminuisce di 6.5
°C/km.
La T delle grotte di soli 3-3.5
°C/km.
Ad esempio, poniamo che a quota 0
la TL sia T0=12 °C, e che H=1 km.
Quindi a quota H la TL è 5.5 °C.
Le acque si infiltrano lassù,
a quella T, e scendendo
acquistano 3.5 °C.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
Perciò escono a 5.5+3.5=9 °C,
ben 3 °C in meno della TL
alla quota della sorgente.
Possiamo capire che esiste
un sistema carsico profondo dal fatto
che le sorgenti e le gallerie di bassa
quota sono molto più fredde del TL.
In pratica, asserire che la T
di una grotta è circa TL non è vero
per i grandi sistemi carsici
con forte sviluppo verticale.
La loro T è sempre minore
della TL alla stessa quota.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
C’è di più: abbiamo visto che, se l’acqua fluisce in una condotta isolata,
si scalda di 2.34 °C ogni chilometro di caduta.
Ma nel carso profondo, essa si scalda di 3-3.5 °C/km.
L’acqua quindi esce dalle montagne un poco più calda di quanto dovrebbe.
Perciò, in generale, l’acqua, che fissa la temperatura della grotta
sottrae energia alla montagna.
Sorgenti di El Ocote, Chiapas, Messico
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
I GRADIENTI TEMPERATURA-QUOTA
E chi dà energia alla montagna?
La dà il fluido che esce più freddo
di quel che dovrebbe.
L’aria.
L’acqua fissa la T della grotta.
L’aria le dà energia.
Quindi nella speleogenesi:
l’acqua è lo scalpello,
l’aria il martello.
Confluenza, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Ora guarderemo
un po’ di casi pratici.
Prima, come varia
la T sottoterra nelle zone
dove la circolazione
dell’acqua esterna
è praticamente assente.
Se non c’è circolazione,
di sicuro non ci sono grotte
che ci permettano
di raggiungerle.
Quindi sono T di cavità
artificiali: di tunnel.
Ingresso della Miniera di Naica, Messico
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Traforo del Gottardo
2000
100
1800
90
1600
80
1400
70
1200
60
1000
50
800
40
600
30
400
20
200
10
0
0
0
5
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
10
15
depth [°C]
depth [m]
Profondità del tunnel.
Temperatura della roccia.
In genere è proporzionale
alla profondità.
In questi grafici il valore
della temperatura alle entrate è TL.
st. gotthard
MISURE
simplon
2500
100
90
2000
80
depth [m]
70
1500
60
50
1000
40
30
500
20
10
0
0
0
5
10
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
15
20
temperature [°C]
Traforo del Sempione
MISURE
Traforo del Monte Bianco
mt blanc
2500
90
80
70
1500
60
50
1000
40
30
500
20
10
0
0
0
2
4
6
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
8
10
12
temperature [°C]
2000
depth [m]
Anomalia rispetto all’atteso.
In fase di scavo questo segnalò
l’avvicinarsi ad una enorme faglia
che portava l’acqua glaciale
sin giù a quota tunnel.
100
MISURE
Traforo del Gran Sasso
1000
50
900
45
800
40
700
35
600
30
500
25
400
20
300
15
200
10
100
5
0
0
0
2
4
6
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
8
10
temperature [°C}
depth [m]
La temperatura non è
proporzionale alla profondità.
L’intero Gran Sasso,
come tutte le montagne carsiche,
fa termicamente parte
dell’atmosfera…
gran sasso
MISURE
Ora passiamo alle grotte.
Guarderemo come varia la T
con la quota.
Ci sarà sempre una zona “disturbata”
vicino alle entrate, dove i fluidi entranti
non sono ancora in equilibrio
con l’ambiente.
Dopo di che, aria, acqua e roccia
vanno in equilibrio.
Anzi: in quasi-equilibrio.
Si vedrà che per apprezzare bene
la regolarità dei gradienti
bisogna misurare su grandi dislivelli,
oltre almeno i 500 metri.
Canyon Fighiera, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Abisso di Trebiciano - Venezia Giulia
13
temperature [°C]
12
11
10
Abisso di Trebiciano
water and air temperature v s altitude
april 95
9
8
7
0
50
100
150
200
250
300
350
quota [m slm]
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Fummifere Acque - Venezuela
20
Auy an Tepui
Air Temperatures v s Altitude
Fummif erae Acquae (1996): -3.8 °C/km
Ocorpuscolo (1993): -4.6 °C/km
19.5
temperature [°C]
19
18.5
18
entrances
Q1475
17.5
17
16.5
16
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
quota [m slm]
Fummifere Acque, Auyantepui, Venezuela
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Abisso Orione - Lombardia
4.5
4
3.5
Grigna Settentrionale, Lombardia, Italia
3
2.5
temperature aria e acqua in Orione
Grignone, maggio 92
2
1.5
1300
1400
1500
1600
1700
1800
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Abisso Malga Fossetta - Veneto
5
4.5
4
quota ingresso
3.5
3
T-aria (triangoli) e T-acqua (quadrati)
in Malga Fossetta, giugno 96.
Quote topograf iche. Precisione T ±0.1°C.
2.5
2
1.5
800
1000
1200
1400
1600
1800
quote m slm
Sorgente dell’Oliero, Settecomuni, Veneto, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Abisso Ceki 2 - Slovenia
4.5
4
temperature di acqua ed aria in
Ceki Due, Canin Sloveno, Dic 92
Temperature [°C]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
800
1000
1200
1400
Quota slm [m]
1600
1800
2000
Ingresso Ceki 2, Kanin, Slovenia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Abisso Ulivifer - Toscana
9.5
Temperature dell'acqua e dell'aria
nell'abisso Ulivifer, Alpi Apuane,
dopo una grande piena.
Quota ingresso 1565 m slm
9
Zona fondo, Abisso Ulivifer, Tambura, Toscana, Italia
Temperature [°C]
Aria
8.5
Acqua
8
7.5
7
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Quota slm [km]
1.4
1.6
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Complesso di Piaggia Bella - Piemonte
8
Temperature di aria e acqua nel
Complesso Piaggia Bella-Labassa
temperature [°C]
7
6
5
aria
4
3
acqua
2
1
0
1
1.5
2
quote slm [km]
2.5
3
Abisso Gaché, PB, Marguareis, Piemonte, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Pozzo della Neve - Molise
10
Temperature acqua ed aria vs. quota
nel Pozzo della Neve, Matese.
Gradiente -2.85 °C/km. Agosto 94.
temperatura [°C]
9
8
quota
ingresso
7
Abisso Cul di Bove, Molise, Italia
6
5
600
700
800
900 1000 1100
quota [m slm]
1200
1300
1400
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
MISURE
Capitano Paff - Lombardia
2.4
Abisso Capitano Paff, Grignone.
Temp. aria ed acqua vs. quota.
Non tarato. Ago 95
2.2
temperatura [°C]
2
1.8
1.6
entrata
2180
1.4
1.2
1
1500
1600
1700
1800
1900
quota [m slm]
2000
2100
2200
Abisso Viva le Donne, Grigna, Lombardia, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
CONCLUSIONI
La temperatura di una grotta
è una delle sue caratteristiche principali,
ma spesso viene percepita
come semplice sfondo ostile
che si oppone alle esplorazioni.
Essa è invece il risultato dell’interazione
fra la forma della grotta e l’esterno.
Lungi dall’essere semplicemente ostile,
la temperatura di una grotta
ci racconta la forma del monte
e le vicende climatiche dell’esterno.
Khayyam, Antro del Corchia, Toscana, Italia
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
PER SAPERNE DI PIÙ
BADINO G. (1995), Fisica del Clima
Sotterraneo. Memorie dell’Istituto
Italiano di Speleologia, 7, Bologna,
pp. 137;
BADINO G. Il Clima Sotterraneo.
www.laventa.it/download/pdf/il
clima sotterraneo.pdf;
BALBIANO C. (2000), Il Clima
delle Grotte. Quaderno Didattico
della Società Speleologica Italiana
n. 8, pp. 9;
LISMONDE B. (2002), Aérologie
des Systèmes Karstiques. Comité
Departementale de Spéléologie
Isére, pp. 362.
La temperatura delle grotte – Società Speleologica Italiana 2009
CREDITI
Questa lezione è stata preparata da Giovanni Badino.
Tutte le fotografie sono di Giovanni Badino.
Si ringraziano per la loro collaborazione e disponibilità i seguenti enti
e istituzioni:
Dipartimento di Fisica Generale dell’Università di Torino
Associazione Geografica La Venta, Treviso.
©
Società Speleologica Italiana
Ogni parte di questa presentazione può essere riprodotta sotto la propria responsabilità,
purché non se ne stravolgano i contenuti. Si prega di citare la fonte.
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