IDROLOGIA E CLIMA Prof. Riccardo Rigon Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università di Trento Introduzione Panta rei os potamòs Tutto scorre come un fiume Eraclito (Sulla Natura) 1 Riccardo Rigon Introduzione Obiettivi Si spiega che cos’è il cambiamento climatico e come interagisce con la disponibilità della risorsa idrica e con i vari comparti del ciclo idrologico Si accenna agli effetti del cambiamento climatico (idrologicamente parlando) Si accenna alle interazione con i cicli trofici Si descrive l’impatto dei cambiamenti climatici sulla criosfera 2 Riccardo Rigon Introduzione English Italian Clouds = Nuvole Precipitations = Precipitazioni Ice = Ghiaccio Snow = Neve Infiltration = Infiltrazione Percolation = Percolazione Evaporation = Evaporazione Transpiration = Traspirazione Surface Runoff = Deflusso Superficiale 3 Riccardo Rigon Introduzione English Italian Fresh waters = Acqua dolce Saline = Acqua salata Ice Caps = Calotte Polari Ground Water = Acque sotterranee Lakes = Laghi Swamps = Zone Umide Glaciers = Ghiacciai Surface Waters = Acque superficiali Rivers = Fiumi 4 Riccardo Rigon Introduzione Il buon vecchio ciclo idrologico 5 Riccardo Rigon Introduzione Quanto ? 6 Riccardo Rigon Introduzione Others ? Manca qualcosa di importante incluso in “others”. Questo è il contenuto d’acqua del suolo. Forse lo 0.0001 del totale ma fondamentale per la vita delle piante e degli ecosistemi. 7 Riccardo Rigon Introduzione Oki e Kanae, Science 2003 I flussi nel dettaglio 8 Riccardo Rigon Introduzione Noi consumiamo sempre più acqua 9 Riccardo Rigon Giorgia O’Keefe - Pink and red mountain Allora, il cambiamento climatico cosa comporta? Vediamolo nel seguito Che cos’e’ il cambiamento Climatico ? http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature_record_of_the_past_1000_years Il più usato indice di cambiamento climatico è la variazione di temperatura dell’aria prossima alla superficie. Riccardo Rigon Che cos’e’ il cambiamento Climatico ? La figura mostra anche che tale cambiamento non è stato l’unico nella storia della Terra e per esempio alcuni periodi tra l’anno 1000 e 1100 furono mediamente più caldi del presente e permisero per esempio la colonizzazione della Groenlandia. Al contrario tra il 1600 e il 1800 si è assistito ad una piccola glaciazione. La temperatura è dunque estremamente variabile, secondo cicli che non si ripetono esattamente, e nell’arco di una vita umana si hanno variazioni climatiche avvertibili. Riccardo Rigon I cambiamenti “naturali” Cicli ? Riccardo Rigon E i cambiamenti forzati dall’uomo C’e’ consenso che la Terra si sta riscaldando Grafico temperatura-anno: si osserva che la temperatura media annuale (media su tutta la Terra) è aumentata di 0.6 gradi. E’ tanto ? E’ poco ? ... Dipende dagli effetti. Riccardo Rigon I cambiamenti inducono ulteriori cambiamenti Wei et al., Progress. Phys. Geography, Luglio 2009 Il cambiamento climatico Il cambiamento dell’uso del suolo Alterano Gli scambi termici con le acque Cambia Il ciclo idrologico globale 15 Riccardo Rigon I cambiamenti inducono ulteriori cambiamenti Wei et al., Progress. Phys. Geography, Luglio 2009 Il ciclo idrologico globale cambiato Induce Cambiamenti e variabilità delle precipitazioni Cioè Nel ciclo idrologico globale 16 Riccardo Rigon I cambiamenti inducono ulteriori cambiamenti Ad ogni scala temporale eventi mensile stagionale annuale Ad ogni scala Spaziale di “forma” luogo intensità dimensioni durata Wei et al., Progress. Phys. Geography, Luglio 2009 Cambiamenti erosività decadale etc. 17 Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - quantità Cambia anche la precipitazione! PRECIPITAZIONE 3000 Paneveggio NUVOLONI Passo Rolle San Martino di Castrozza Predazzo NUV 2500 Predazzo REC Cavalese NUV Cavalese REC mm 2000 1500 1000 500 0 1920 1925 1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 anni Figura 2.12: precipitazione totale annua nelle stazioni di Passo Rolle e San Martino, da confrontare con Paneveggio, Predazzo e Cavalese. (da: Sadler, F., Analisi delle precipitazioni in provincia di Trento nel periodo 1921-2000) Anche se non e’ proprio banale capirlo: bisogna inventarsi dei sistemi di analisi della variabilità. Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - quantità PRECIPITAZIONE 3000 Paneveggio NUVOLONI Passo Rolle San Martino di Castrozza Predazzo NUV 2500 Predazzo REC Cavalese NUV Cavalese REC mm 2000 1500 1000 500 0 1920 1925 1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 anni Figura 2.12: precipitazione totale annua nelle stazioni di Passo Rolle e San Martino, da confrontare con Paneveggio, Predazzo e Cavalese. (da: Sadler, F., Analisi delle precipitazioni in provincia di Trento nel periodo 1921-2000) Bisogna verificare l’andamento (trend) medio sapendo che la variabilità interannuale è molto più grande della variazione dovuta al trend ! Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - quantità CaCambia anche la distribuzione temporale Numero degli eventi importanti nei periodi di 23 anni 45 numero eventi 40 35 eventi con h > 100 mm eventi con 50 < h < 100 mm 30 25 20 15 10 5 0 1930-1952 1953-1975 1976-1998 periodo Nel Trentino, in particolare, si osserva un aumento delle piogge autunnali ma una diminuzione delle piogge (neve) invernali, mentre le piogge annuali diminuiscono. Questo significa, ed è il caso di alcuni anni fa: innevamento artificiale e contemporanea siccità per le colture. Allo stesso tempo aumentano le probabilità di piena autunnale. Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - quantità Daniele Cat Berro, 2009 La statistica della precipitazione nevosa 21 Cambiamento nelle precipitazioni - quantità Daniele Cat Berro, 2009 La statistica della precipitazione nevosa Drastica riduzione di innevamenteo da fine Anni 1980. 2007-08, inverno meno nevoso e più caldo. 22 Cambiamento nelle precipitazioni - quantità Daniele Cat Berro, 2009 La statistica della precipitazione nevosa 23 Cambiamento nelle precipitazioni - quantità La neve sulle Alpi R. Ranzi - EGU Wien, 2010 Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - variazioni spaziali Zhang et al., Nature, Luglio 2006 Il “trend” delle precipitazioni Non è uniforme sulla superficie terrestre. In verde le zone dove si ha aumento di precipitazione. In giallo le zone dove la precipitazione diminuisce. In grigio le zone dove le proiezioni climatologiche danno previsioni contrastanti. Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - variazioni spaziali Gruber e Rothenbueler, In global outlook on ice and snow, UNEP 2007 L’effetto del cambiamento climatico sulla precipitazione cambia da luogo a luogo Dunque facilmente non si possono generalizzare le situazioni: dove c’e’ topografia complessa, le variazioni in pochi chilometri possono essere molto grandi, sia nella temperatura che nelle funzione precipitazioni, della dell’esposizione in quota, e dell’interazione tra orografia e circolazione generale. Riccardo Rigon Cambiamento nelle precipitazioni - effetti Wei et al., Progress. Phys. Geography, Luglio 2009 Relazioni tra la variazione delle precipitazioni (secolari) e i processi erosivi negli ecosistemi terrestri 27 Riccardo Rigon Altri effetti Radoslaw Szczerbiwilk Effetti sul mondo Riccardo Rigon Cambiando le precipitazioni. . . Anche il deflusso nei fiumi cambia. Come illustra (più in grande) la slide seguente, in alcuni fiumi la quantità d’acqua presente diminuisce mentre in altri aumenta. Nella figura, le differenze con i decenni appena trascorsi. 29 Riccardo Rigon Cambiamenti nelle portate medie dei fiumi Deflusso superficiale a scala globale 30 Riccardo Rigon Cambiamenti nelle portate medie dei fiumi Che cosa c’è di strano ? Farmer, Science, 2009 Gli invasi si svuotano: si può irrigare di meno e si produce meno energia idroelettrica Lago artificiale alla diga del Glen Canyon Riccardo Rigon 31 L’Evapotraspirazione Evaporazione Processi nei quali l’acqua cambia di fase, da liquido a vapore nel caso di superfici d’acqua e suoli Traspirazione Processi nei quali l’acqua cambia di fase, da liquido a vapore per mantenere l’equilibrio termico delle piante e degli animali Riccardo Rigon Cambiamento nell’evapotraspirazione EvapoTraspirazione E’ importante verificare quanto cambia l’evapotraspirazione: DUE CASI P è l’intensità di precipitazione ETP è l’intensità dell’evapotraspirazione potenziale Riccardo Rigon Cambiamento nell’evapotraspirazione ETP = Evapotraspirazione potenziale E’ l’evapotraspirazione che sarebbe possibile se ci fosse abbastanza acqua a disposizione (nel suolo e nelle piante). Se l’ETP e’ maggiore delle precipitazioni, significa che il tesoretto di acqua nel suolo e nelle falde tende ad essere consumato, producendo sempre piu’ frequentemente condizioni di stress idrico per le piante, ed in generale, la sostituzione di specie che richiedono più acqua con specie che richiedono meno acqua. Riccardo Rigon Cambiamento nell’evapotraspirazione Cambio in P (in estate) Calanca et al., Climatic change, 2006 Precipitazione estiva di base (1961- Variazione della precipitazione estiva di in 1990) risimulata mediante il modello proiezione Echam5/T106L31 Echam5/T106L31 2071-2100 mediante il modello 35 Riccardo Rigon Cambiamento nell’evapotraspirazione Cambio in ETP in Estate Calanca et al., Climatic change, 2006 ETP estiva di base (1961- Variazione della ETP estiva di in proiezione 1990) risimulata mediante il modello 2071-2100 mediante il modello Echam5/T106L31 T106L31 Echam5/ 36 Riccardo Rigon Cambiamento nell’evapotraspirazione Giudicate voi stessi P ETP - …ma dovete tener conto che questa differenza è quanto è già stato registrato. La situazione generalmente peggiora se si usano le proiezioni. 37 Riccardo Rigon Effetti del cambiamento nell’evapotraspirazione Più alta è la temperatura Più alta è l’evapotraspirazione potenziale Sarebbero richieste, in verità maggiori informazioni (perchè l’evapotraspirazione non dipende dalla sola temperatura, ma per esempio anche dalla velocità del vento). 38 Riccardo Rigon Effetti del cambiamento nell’evapotraspirazione Ecologia e Idrologia (usando T come ETP) 39 Riccardo Rigon Stress Idrico Esempi della vulnerabilità idrica 40 Riccardo Rigon La connessione tra variazione climatica e mutamenti degli ecosistemi, non è banale: si sovrappone con le variazioni dell’uso del suolo e soprattutto interagisce in modo complesso con i cicli trofici. Schmitz et al., Climatic change, Bioscience, 2003 Stress Idrico .... 41 Riccardo Rigon Stress Idrico .... Il caso del Kilimangiaro 42 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera Se nevica di meno i ghiacciai alpini si ritirano (quasi ovunque) Riccardo Rigon 43 Ghiacciai d’Argentina In Europa ma anche nelle Ande Viedma (a destra un gruppo di ghiacciai argentini) Upsala Agassiz Onelli - Bolados Spegazzini Mayo Moreno 44 Jorge Gari Ghiacciai d’Argentina Uppsala dal satellite negli ultimi anni 45 Jorge Gari Ghiacciai d’Argentina Un tempo le lingue si congiungevano 46 Jorge Gari Ghiacciai d’Argentina 1986 2005 2001 2009 47 Jorge Gari Addio alla Criosfera Questo non è permafrost 48 Addio alla Criosfera Questo è permafrost 49 Matteo Dall’Amico Addio alla Criosfera Questo è permafrost ! Forse non lo si pensa spesso, ma anche il suolo può essere ghiacciato, sia che esso contenga o non contenga acqua. Si dice Permafrost quella parte di suolo che rimane al di sotto della temperatura di 0 gradi centigradi per più di due anni. In Italia si trova alle quote più alte (sopra i 2500 m, generalmente) Il cambiamento climatico tende a far diminuire il permafrost 50 Matteo Dall’Amico Suoli ghiacciati stagionalmente Inverno Estate 51 Permafrost Active Layer cm m Permafrost Layer cm km Winter Summer 52 Addio alla Criosfera La distribuzione areale attuale del permafrost 53 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera Prima del Cambiamento Climatico 54 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera Dopo il cambiamento climatico Le foreste ubriache 55 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera “Le foreste ubriache” Source : http://permafrostcourses.org/index.php?option=com_content&task=view&id=6&Itemid=26 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera Da non confondere Il fenomeno delle foreste ubriache è dovuto anche all’azione del frost heave, ovvero all’accumulo di ghiaccio sulla superficie, per vari effetti termodinamici Riccardo Rigon 57 Addio alla Criosfera Da non confondere 58 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera Dopo il cambiamento climatico Subsidenza 59 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera Subsidenza causata dallo scioglimento del permafrost Source: (photo from USDA-NRCS by Joe Moore) 60 Riccardo Rigon Addio alla Criosfera CO2 Lo scioglimento del permafrost siberiano causa il rilascio di grandi quantità di gas serra precedentemente sequestrati nel suolo. Riccardo Rigon 61 Addio alla Criosfera In area alpina. . . Tra gli effetti indiretti delle variazioni dello spessore dello strato attivo di permafrost vi sono: • Variazione del coefficiente di infiltrazione e, conseguente aumento del deflusso superficiale; • Variazione della stabilità del manto nevoso e conseguente pericolosità da valanga; • Variazione del tipo di copertura vegetale e conseguente erosione superficiale. 62 Mauro Guglielmin Addio alla Criosfera In area alpina • Colata detritica, 1987 Mauro Guglielmin 63 Permafrost e stabilità dei versanti Relationships between permafrost occurence and debris flows Addio alla Criosfera In area Alpina Frana di roccia nella parete sud del M. Cervino in luogo soggetto a permafrost (August 2003). Photo (L. Trucco) Mauro Guglielmin 65 Addio alla Criosfera In area Alpina Carrel Hut ( 3830 m a.s.l.). Dettaglio della superficie dopo un evento di frana. Foto L. Trucco Mauro Guglielmin 66 Addio alla Criosfera In area Alpina • Frana di Val Pola 1987; 33 millioni of m3 ; 27 vittime Incisione a 2200 m s.m.m. Blocchi ghiacciati da 0.5 a 2 m3 furono trovati tra i massi della colata 67 Mauro Guglielmin Una sola domanda A causa del massiccio sfruttamento delle loro acque molte delle maggiori vie d’acqua del pianeta (il Colorado, i fiumi Giallo e Azzurro, il Nilo) almeno per una parte dell’anno non raggiungono più il mare, causando impatti sulle risorse legate all’acqua di intere nazioni: le risorse idriche per usi potabili o l’irrigazione; la navigazione interna; la vita di ecosistemi di transizione che richiedono acque dolci per la loro sopravvivienza; gli usi anche ricreativi e paesaggisitici delle acque. Tutti questi temi di riducono a una sola domanda, centrale per gli stati che si contendono le risorse, per le future generazioni a nome delle quali parlano in tanti (chissa con quale diritto) e per le mie tesi a ritroso: Andrea Rinaldo - II governo dell’acqua, 2010 Riccardo Rigon Andrea Rinaldo - II governo dell’acqua, 2010 Una sola domanda Riccardo Rigon A chi appartiene l’acqua, ammesso che appartenga a qualcuno ? G.Ulrici , 2000 ? Grazie per l’attenzione! Riccardo Rigon Approfondimenti Massa ed Energia Susan Derges - Water hydrological Cycle Quantità di Moto ed Entropia Riccardo Rigon Il bilancio di massa ed energia Andando al cuore matematico delle cose di cui si è parlato, bisogna ricordare che abbiamo parlato di variazioni nel bilancio di massa e di energia sulla superficie della Terra. Fare un bilancio di una quantità significa: • assegnare un volume di controllo • stimare la variazione di una quantità nel volume e porla uguale • al flusso di quantità entrante attraverso la superficie del volume meno • il flusso della quantità uscente attraverso la medesima superficie 72 Riccardo Rigon Riccardo Rigon Figure modified after Liang et al., 1994 Rigon et al., JHM, 2006, Bertoldi et al., JHM, 2006, Simoni, 2007, Endrizzi, 2007 www.geotop.org Il bilancio di massa ed energia 73 Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di massa per un volume di suolo 74 Riccardo Rigon Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di massa per un volume di suolo Variazione di volume d’acqua nel volume di suolo Deflusso superficiale Evapotraspirazione Intensità di precipitazione Deflusso nei suoli Deflusso sotterraneo Intervallo temporale 75 Riccardo Rigon Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di massa per un volume di atmosfera al di sopra del suolo 76 Riccardo Rigon Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di massa per un volume di atmosfera al di sopra del suolo Intensità di Intervallo evaporazione temporale netta Avvezione Variazione acqua e laterale vapore nello strato di di vapore e acqua atmosfera considerato Intensità di Precipitazione 77 Riccardo Rigon Riccardo Rigon Figure modified after Liang et al., 1994 Rigon et al., JHM, 2006, Bertoldi et al., JHM, 2006, Simoni, 2007, Endrizzi, 2007 www.geotop.org Il bilancio di massa ed energia 78 Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di energia 79 Riccardo Rigon Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di energia Radiazione netta ad onde corte Variazione di energia immagazzinata nel suolo. Riccardo Rigon Contenuto termico dell’evapotraspir azione Intervallo temporale Radiazione netta ad onde lunghe Rilascio di calore per convezione/ conduzione verso l’atmosfera Rilascio di calore per convezione/ conduzione verso il basso 80 Il bilancio di massa ed energia Il bilancio di energia Evapotraspirazione Entalpia vaporizzazione calore latente vaporizzazione) Riccardo Rigon di (o di 81
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