In natura, un gradiente
termico all'interno del manto nevoso è praticamente sempre il motivo che causa
la trasformazione della neve asciutta. Il cosiddetto metamorfismo della neve
causa nel giro di pochi giorni una trasformazione della neve fresca e
contribuisce in modo determinante alla formazione di valanghe. Da alcuni anni
l'SLF studia la struttura della neve e il suo metamorfismo con l'aiuto della
microtomografia computerizzata nel laboratorio del freddo (in situ).
Esempio brina di
profondità
Durante il processo di
metamorfismo, un cristallo si trasforma in un nuovo cristallo. La brina di
profondità è la forma più appariscente visibile sul terreno, caratterizzata da
cristalli dalla spiccata forma a calice. Sino a poco tempo fa, i ricercatori davano per scontato che i cristalli
più grandi crescessero a spese di quelli più piccoli, mantenendo il loro
nucleo, cioè il fiocco di neve soggetto a metamorfosi.
Fig. 1: Un tipico cristallo di
brina di profondità isolato dai suoi legami (alto circa 2.5 mm). La superficie
a spigoli vivi in basso è la zona di crescita, la parte superiore arrotondata
sta in parte sublimando.
Il metamorfismo della neve osservato per la prima volta dal
vivo
Grazie alla microtomografia
computerizzata quadridimensionale, B. Pinzer, M. Schneebeli e T. Kämpfer sono
ora riusciti per la prima volta a osservare direttamente come si forma la brina
di profondità (v. filmato).
Filmato: Il gradiente termico è stato di 50°C/metro per tutte e tre le
settimane, riproducendo le tipiche condizioni che possono verificarsi anche in
natura durante l'inverno. I cristalli crescono nella parte inferiore più
fredda. Il movimento apparente verso il basso non viene causato
dall'assestamento meccanico, ma dalla continua sublimazione della parte
superiore e dalla costante crescita di quella inferiore.
Durante l'osservazione è
venuto sorprendentemente alla luce un meccanismo del tutto diverso da quello
supposto sino ad oggi: tutti i cristalli si sono più volte completamente
sublimati ("metamorfismo distruttivo") e depositati nuovamente in un
altro punto ("metamorfismo costruttivo"). Durante l'esperimento,
durato tre settimane, i cristalli si sono completamente trasformati da sei a
sette volte. La vita media di un cristallo di neve è quindi durata 2-3 giorni.
Fig. 2: La vita dei cristalli
di neve durante un esperimento dopo 9, 18 e 27 giorni (dall'alto verso il basso).
Solo pochissimo ghiaccio ha più di 8 giorni di vita, quindi la parte superiore
del cristallo di brina di profondità è rappresentata nell'immagine inferiore.
Il 60% del ghiaccio si rinnova nel giro di 2-3 giorni.
Il flusso di vapore rimane costante
Durante il metamorfismo,
gli scienziati hanno potuto misurare per la prima volta direttamente anche il
flusso di vapore. Anche se la forma dei cristalli mutava notevolmente, veniva
sempre trasportata la stessa quantità di vapore acqueo: ciò significa che il flusso
di vapore è rimasto costante per tutto l'esperimento. Questa tipologia di
trasporto viene chiamata "corpo a corpo": Z. Yosida e i suoi colleghi
l'hanno osservata per la prima volta negli anni '50. I valori risultanti dalle
loro misurazioni indirette del flusso di vapore erano tuttavia troppo alti,
suscitando una controversia, fino ad oggi irrisolta, sul fatto che la
diffusione del vapore acqueo nella neve sia o meno più alta rispetto a quella
nell'aria. Grazie a questo nuovo esperimento, gli scienziati dell'SLF sono
finalmente riusciti a risolverla: la diffusione del vapore nella neve è una
costante fisica e quindi identica a quella tra due lastre di ghiaccio.
Metamorfismo della neve
superficiale
Gli strati superficiali
di neve giocano un ruolo determinante sia nella futura formazione di strati
fragili, sia nei processi fotochimici che hanno luogo nel manto nevoso. Sulla
superficie del manto nevoso non può solo variare il gradiente termico, ma anche
la sua direzione. In altre parole: a volte la temperatura in superficie è più
alta di quella presente all'interno del manto nevoso e alcune ore più tardi può
verificarsi esattamente il contrario. Con l'ausilio della tomografia
computerizzata ad alta risoluzione, gli scienziati dell'SLF hanno analizzato in
laboratorio, nel corso di esperimenti unici al mondo, quali effetti produce sul
metamorfismo della neve un gradiente termico che cambia direzione.
Il 60% della neve si
trasforma
Durante l'esperimento, la
neve fresca è stata sottoposta a un gradiente termico ciclico di ± 90
gradi/metro, come succede a circa 10 cm di profondità in un qualsiasi giorno
sereno d'inverno. Nel giro di 12 ore, il 60% di tutta la neve si era
trasformato. Questo metamorfismo dei cristalli ha causato la formazione di
strutture di neve più grandi e meno legate tra di loro. I cristalli di neve si
sono trasformati in cristalli arrotondati a forma di bacchetta, ma non in forme
a spigoli vivi (Fig. 3).
Fig. 3: Il cristallo di neve all'inizio e alla fine dell'esperimento (dopo 14 giorni),
raffigurato con la stessa scala di misura. Durante questo periodo, l'ampiezza
del gradiente termico sinusoidale era costantemente di 90 gradi/metro.
Nel corso di una
trasformazione in strutture oblunghe, la neve rimane soffice come la neve
fresca, anche se a questo punto la sua struttura è completamente cambiata. Ecco
perché agli occhi dello sciatore la neve sembra quasi neve fresca. Se la neve
subisse un metamorfismo distruttivo in forme sferiche, si assesterebbe molto di
più e diventerebbe più dura. Le strutture oblunghe, meno legate rispetto alla
neve fresca, rappresentano invece una base friabile che, una volta ricoperta da
nuova neve, può trasformarsi in uno strato fragile e favorire la formazione di
valanghe.
Pinzer, B. R., Schneebeli, M., and Kaempfer, T. U.
(2012) Vapor flux and recrystallization during dry snow metamorphism under a
steady temperature gradient as observed by time-lapse micro-tomography, The
Cryosphere, 6, 1141-1155, doi:10.5194/tc-6-1141-2012. >>
Pinzer, B. R., and M. Schneebeli (2009), Snow metamorphism under alternating
temperature gradients: Morphology and recrystallization in surface snow, Geophys.
Res. Lett., 36, L23503, doi:10.1029/2009GL039618. >>
