Fisica del clima sotterraneo

Giovanni Badino

FISICA DEL CLIMA SOTTERRANEO

(UNDERGROUND CLIMATE PHYSICS)

Memorie dell'Istituto Italiano di Speleologia - 1995

 


Versan le vene le fummifere acque
per li vapor che la terra ha nel ventre,
che d'abisso li tira suso in alto;
Dante Alighieri, Rime (C)

 

INTRODUZIONE

Il contenuto

In questo lavoro abbiamo tentato di trattare in modo organico i problemi fisici inerenti la formazione dei microclimi all'interno delle montagne. Un tipo di testo come questo non ha precedenti ed è quindi in massima parte originale. Più in dettaglio, capitolo per capitolo:

1. Trasformazioni dell'aria, secca e umida. Praticamente un capitolo di Fisica Tecnica. L'unica parte originale è la scrittura entalpica finale che include termini normalmente trascurabili nella meteorologia esterna.

2. Struttura dell'atmosfera e sue proprietà. Un capitolo di introduzione alla meteorologia. La parte originale è quella finale in cui si analizzano le trasformazioni che subiscono le particelle d'aria dentro le montagne.

3. Trasporto di fluidi in regime vincolato. In gran parte una trattazione di moto dei fluidi in condotte, limitatamente alle condizioni tipiche degli endoclimi. Vi è, di originale il calcolo delle resistenze delle fessure al moto laminare e, in generale, il fatto di prendere in considerazione le transizioni laminare-turbolento per i moti dei fluidi nelle montagne.

4. Temperature delle grotte. È interamente originale. Poniamo qui in rilievo soprattutto la separazione fra la trattazione della temperatura assoluta e quella del gradiente di temperatura con la quota, parametro che stiamo misurando qua e là da tempo. È un capitolo che si presta ad essere ampliato e migliorato.

5. Generalità sui moti convettivi e barometrici negli endoclimi. Si tratta in sostanza di trattazioni classiche della meteorologia ipogea che qui, però, affrontiamo generalmente da un punto di vista che riteniamo più potente, quello energetico. Oltre a questo approccio vi è di originale l'introduzione di una Endo-atmosfera Standard e i calcoli conseguenti.

6. Energetica dell'interno delle montagne. È totalmente originale. Questo intero testo si è in realtà sviluppato a partire dai tentativi di affrontare le problematiche energetiche delle grotte, proprio quelle trattate in questo Capitolo le cui linee avevamo già abbozzate in una pubblicazione precedente (AUT89). Il risultato maggiore che è che l'energetica del carso profondo maturo è dominata dal flusso d'aria.

7.
Circolazione d'aria nei sistemi complessi, modelli elettrici. Sono interamente originali e sono forse quelli che più si prestano ad impressionare chi legge questo testo (ma chi ha la mente dominata dal principio di conservazione dell'energia sarà maggiormente colpito dal Capitolo 6). Vi si analizzano le circolazioni d'aria nelle cavità a più ingressi e soprattutto si introduce un modellamento elettrico (con resistenze, capacitori e induttanze) che chiarisce i processi di carica e scarica delle cavità e le caratteristiche delle loro oscillazioni. Riteniamo che in un futuro vicino il formalismo presentato permetterà modellamenti a calcolatore, di cui qui presentiamo qualche abbozzo.

8. Condensazioni. Anch'esso completamente originale: è il capitolo che cerca di chiarire la fenomenologia di processi condensativi ed evaporativi globali e locali al fine di chiarire il ruolo del flusso d'aria nella speleogenesi. Vi si tenta di illuminare come il martello (che è l'aria) riesca a battere sullo scalpello (che è l'acqua) per produrre lo scavo carsico. I processi vengono in effetti abbastanza chiariti e ne risulta, ci sembra, una trattazione molto avanzata al confronto coi lavori sinora pubblicati sull'argomento, ma lo riteniamo il capitolo meno soddisfacente di questo testo. Il suo limite principale è il fatto di tentare lo studio dei processi condensativi che avvengono in condizioni stazionarie: il guaio è che non siamo sicuri che essi siano dominanti negli endoclimi e nella speleogenesi condensativa. Le condensazioni in fasi di transizione, cioè con i fluidi interni lontani dall'equilibrio termico, e l'analisi di quella che chiameremo "stato stazionario di non equilibrio termico" fra i fluidi è solo abbozzata. Eppure il ruolo di questo fenomeno è cardinale per la speleogenesi.

9. Applicazioni. È un capitolo di applicazioni pratiche e questioni aperte. Vi si analizza come studiare gli andamenti delle temperature per trovare altre diramazioni, dettagli sulle circolazioni in parallelo, analisi di certe morfologie ipogee. È la parte divulgativa di questo testo, costruita a domande e risposte con ampi riferimenti ai capitoli precedenti proprio per fungere da guida alla lettura di tutto il libro.

La sua lettura è, naturalmente, indipendente dalla lettura dei primi nove capitoli.

Il clima nel sottosuolo

"Ma c'è aria, là sotto?". Questa è probabilmente la domanda posta con maggiore frequenza a chi si dichiara speleologo.

È ben noto che la risposta è nettamente affermativa. Poco noto, invece, ne è il comportamento fisico, tanto che spesso appare sfidare il buon senso. Eppure essendo l'aria l'unico fluido che riempie uniformemente le montagne, il suo comportamento è di importanza fondamentale e contiene informazioni sulla struttura globale dell'interno della montagna. Soprattutto, poi, crediamo che il ruolo delle correnti d'aria sia decisivo nell'ampliamento dei sistemi carsici vasti. Ecco qui, dunque, un lavoro che cerca di delineare la fisica che ne regola il comportamento.

Un frammento dell'atmosfera

A chi è capitato di stendersi nell'erba di un prato in montagna, in un giorno estivo dal tempo un pò variabile, saranno apparsi innumerevoli fenomeni meteorologici nel cielo. In aria calma non succede quasi nulla, i nuvoloni rimangono appesi all'azzurro, e tutto è stabile. Appena il vento comincia a soffiare, invece, sembra accadere di tutto: nuvole si formano e svaniscono, invadono, ci gettano in ombra, alcune si fermano quasi fossero legate a particolari strutture delle montagne (come, di fatto, sono). Anche all'interno delle montagne l'atmosfera si comporta, invisibilmente, con le stesse regole.

La circolazione dell'aria nelle grotte è un frammento della più generale circolazione dell'aria nell'atmosfera. Le bolle d'aria che migrano in esse, producendo venti terribili che raggelano gli speleologi nei meandri, sono le stesse che sostengono gli alianti, che pilotano i temporali e gli uragani: stessa l'aria, stessa la fisica, stesso il fenomeno di base. Differiscono per il fatto che le une sono vincolate fra pareti e le altre no.

Ma dominano le somiglianze: così come avviene all'esterno il moto dell'aria nelle grotte accende un'esplosione di fenomeni che solo ora cominciano a mostrare i loro aspetti fondamentali.

Le nuvole ipogee non si vedono, è vero, ma si vedono le condensazioni, il brillio delle pareti umide. Sono queste la controparte delle nuvole in regime vincolato e sono probabilmente esse che guidano gli ampliamenti dei regni sotterranei.

Fondamenti del lavoro

Lo scopo di questo scritto è proprio quello di intrufolarsi in questa fisica, abbozzandone le linee generali.

Questo lavoro si appoggia su molte osservazioni ma su poche misure. Ma la nostra ambizione è proprio quella di dare, basandosi su modelli teorici suggeriti sulle prime, una base di riferimento concettuale per fare le seconde. Spesso infatti (ma soprattutto in rami della ricerca non ben esplorati, come la climatologia ipogea), ci si trova di fronte a masse di misure prese per sè stesse e non finalizzate a capire l'aderenza di modelli teorici alla realtà. Si relega così la misura ad un ruolo descrittivo e non ci si inoltra, per l'assenza di base concettuale, sul suo più profondo aspetto scientifico che è quello di ricercare conferme o smentite di qualche modello interpretativo.

Da molti anni, frammentariamente, portiamo avanti questo lavoro (l'applicazione del modellino elettrico alle grotte, mai pubblicata, è del '75!) e poi l'abbiamo steso in forma di dispense per il corso SSI di Meteorologia ipogea ed esplorazione, spingendolo poi avanti moltissimo sino a formare questo testo, che pure è ancora insoddisfacente...

Chi lo leggerà si stupirà nel vedere che i riferimenti a lavori precedenti di climatologia sotterranea siano così pochi. Il motivo è che sull'argomento è stato scritto parecchio di descrittivo ma poco di modellamento termodinamico.

Il punto di vista

È un testo difficile, sia a causa della mole dei calcoli, sia per il punto di vista che lo domina, quello tipicamente da fisico di base di approccio "globale" ai problemi che, grosso modo, potremmo definire di "modellamento d'insieme". Quest'ultimo a modellatori fisici (e soprattutto astrofisici) apparirà abbastanza ovvio, ma bisogna ricordare che non lo è stato affatto per tutti i secoli passati, eccetto gli ultimi due.

A causa di questo al lettore non preparato e attento capiterà di trovarsi di fronte ad una affermazione apparentemente facile, che troverà banale, ma la cui conseguenza matematica potrà essere incomprensibile. Questo non accadrà per la matematica che opera la deduzione, sempre ovvia, ma per il fatto che la frase iniziale, apparentemente banale, era molto più sfaccettata e vasta di quanto si pensava.

Abbiamo già dato un esempio di questo quando, qualche riga sopra, abbiamo scritto che la circolazione dell'aria nelle montagne è un frammento di quella atmosferica. L'asserzione appare banale ma ciò che ne discende è immenso, difficile da trattare, illuminante: ne deriva che sottoterra ci sono le nuvole, i temporali, il favonio, i deserti, e da tutti questi fenomeni, ma soprattutto dalle formazioni nuvolose, discende l'ampliamento endoclimatico del fenomeno carsico.

La matematica

Sta di fatto, però che qui c'è della matematica; alcuni la troveranno una mazzata tremenda, altri salteranno tutte le parti di conti, e forse è ragionevole fare così.

Ma la realtà è che nella meteorologia (non solo ipogea) appena si esce dall'ovvio si entra nell'assurdamente complesso. Crediamo sia per questo che i lavori sinora pubblicati sono in genere dotati di alcune caratteristiche comuni:

 

  • molti dati senza modelli interpretativi
  • grosse chiacchierate su come forse funzionano le cose,
  • amore per la meteorologia delle grotte molto piccole
  • amore per gli endoclimi molto particolari.


In sostanza i più fra quelli che si sono sinora occupati di climatologia ipogea hanno ignorato il funzionamento, peculiare, dei grandi sistemi, soprattutto alpini. E soprattutto, resi forse timorosi dagli aumenti rapidissimi della complessità dei calcoli, non vi si sono inoltrati se non in casi ovvi.

Orientamenti e impressioni

Per questo e per la nostra estrazione speleologica questo lavoro è orientato essenzialmente verso i grandi sistemi alpini, che crediamo proprio che siano i casi più interessanti.

Per questo e per la nostra estrazione fisica abbiamo fatto i conti con tecniche di modellamento d'insieme, che risulteranno un pò sconcertanti con chi non ha mai visto astrofisici all'opera.

L'impressione che abbiamo tratto occupandoci di questi problemi è che siano quelli speleo-geneticamente fondamentali: che cioè siano alla base della maturazione delle grotte maggiori.

Ma crediamo che i processi di corrosione microclimatica qui descritti abbiano anche effetti all'esterno. Riteniamo sia soprattutto a causa di questi processi, infatti, che nei calcari possono maturare rapidamente le gole. Ipotizziamo, infatti, che non appena la struttura di una valletta viene ad essere sufficientemente chiusa perchè si innesti un microclima umido, simile a quello delle grotte, il processo di dissoluzione aumenti vertiginosamente amplificando il microclima e approfondendo la valletta in una struttura a forra. Crediamo pure che, probabilmente, buona parte dell'approccio nelle pagine che seguono possa essere riportato per studiare la circolazione nei reticoli sommersi; e che forse, anche in quei regni freatici da cui è esclusa l'aria, i punti di vista energetici che descriveremo siano estremamente utili. Certo lo sono (ed è scoperta di pochi mesi fa) nel caso del più semplice carsismo ipoglaciale.

Ma è un lavoro di ricerca interrotto e stampato a metà dell'opera, e dunque ben aperto a discussioni e sviluppi. Saremo dunque assai grati a chi ci vorrà dare suggerimenti e segnalare qualcuno degli errori che ci sarà inevitabilmente sfuggito.


10. Il capitolo delle domande

Questo capitolo è la parte divulgativa del testo, la cui complessità è purtroppo risultata irriducibile, ad onta di alcuni disperati tentativi.

Ad ogni domanda corrispondono una o più sezioni, indicate, in cui l'argomento è trattato con rigore: non ci si basi, dunque, sulla risposta, necessariamente schematica. Spesso ci siamo rassegnati ad essere addirittura imprecisi basandoci sul fatto che la risposta vera è data nei rimandi.

Le risposte, insomma, sono intese come un orientamento alla lettura delle sezioni, delle sintesi dei problemi analizzato in esse. Speriamo siano un invito alla paziente lettura (per alcuni: la decrittazione...) di quanto analizzato nei precedenti capitoli.

Indice del Capitolo 10

10.1 Cosa condiziona la circolazione d'aria in una montagna?
10.2 Cosa si può dedurre dall'analisi delle correnti d'aria?
10.3 In quali situazioni bisogna fare le osservazioni delle correnti d'aria?
10.4 È importante una strettoia che soffia?
10.5 È importante una strettoia che non soffia?
10.6 Esiste sempre una quota intermedia fra le entrate meteobasse e meteoalte?
10.7 Quando accade che una grotta non soffi?
10.8 C'è un buco da disostruire, ma non tira aria. Ci lavoriamo?
10.9 C'è un buco da disostruire, ma ha aria "sbagliata". Ci lavoriamo?
10.10 Perchè ci sono grotte con forti oscillazioni dell'aria?
10.11 Ci sono inversioni del flusso dell'aria che non indicano diffluenze?
10.12 Come varia il flusso d'aria allargando una strettoia?
10.13 Cosa può accadere allargando una strettoia ventilata?
10.14 Cosa si può dedurre ostruendo l'entrata di una grotta?
10.15 Esistono entrate di grotta che soffiano sempre?
10.16 Esistono entrate di grotta che aspirano sempre?
10.17 Perchè certe grotte in cima a montagne si comportano da entrate basse?
10.18 Posso misurare la profondità di una grotta con un altimetro?
10.19 Ha senso misurare la profondità di un pozzo con un altimetro?
10.20 Quand'è che le misure altimetriche sono più affidabili di quelle topografiche?
10.21 In una grotta si possono incontrare piccoli sbalzi di temperatura?
10.22 Cosa possiamo dedurre misurando la temperatura dell'aria in uscita dal monte?
10.23 Perchè l'aria di grotta è più calda dell'acqua?
10.24 Perchè a meandri piccoli spesso seguono pozzi grandi?
10.25 Perchè in grotta le strettoie sono rare?
10.26 Cosa deduciamo dalle condensazioni?
10.27 Cosa conviene misurare in grotta?

 

10.1 Cosa condiziona la circolazione d'aria in una montagna?

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Sezioni 5.1, 5.2, 5.3

Il flusso d'aria che si installa fra più ingressi di una cavità (l'abbiamo chiamato "circolazione convettiva") è dovuto alle differenze di densità fra le colonne d'aria esterne e quelle interne. Si viene così a formare una differenza di pressione fra l'interno e l'esterno del monte e questo provoca flussi d'aria dove i due sono in contatto, cioè nei punti che chiamiamo "ingressi". Le correnti d'aria sono tanto più violente quanto:

maggiore è il dislivello fra le entrate;

più bassa è l'impedenza (che nel testo chiamiamo anche "resistenza", o "perdita di carico") che incontra la colonna d'aria in moto nel monte.

Una corrente d'aria può quindi essere debole perchè c'è poco dislivello con gallerie a bassa impedenza, oppure perchè c'è un gran dislivello in gallerie ad alta impedenza.

L'impedenza cresce con il quadrato della velocità e quindi dominano il moto le sezioni più piccole, nelle quali l'aria è costretta ad iniettarsi a gran velocità; esse, in pratica, stabiliscono la portata complessiva della bolla d'aria in transito nella montagna (Sez. 3.5).

Un altro fattore che condiziona la circolazione dell'aria nelle fasi in cui la pressione atmosferica sta variando è il volume totale della cavità che determina di quanta aria debba liberarsi il monte per tornare (o rimanere: Sez 5.2) all'equilibrio.

 

10.2 Cosa si può dedurre dall'analisi delle correnti d'aria?

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Capitoli 5, 7, 8

Molte cose. Per iniziarne l'elenco bisogna pensare che quella che chiamiamo "una grotta (galleria, entrata, strettoia, frana...) che soffia" non è tanto "una grotta che soffia" quanto piuttosto una situazione nella quale i movimenti generali dell'atmosfera si prolungano sottoterra.

In pratica questo vuol dire che l'interno della montagna è così vasto che viene incluso nei moti generali dell'atmosfera e quindi dentro la montagna appaiono fenomeni meteorologici, il più evidente dei quali è il vento.

Le grotte presentano correnti d'aria per due motivi. Il principale è che la colonna d'aria che esse racchiudono ha densità diversa da quelle esterne che quindi non riescono ad equilibrarla: l'una cade (quella interna d'estate) e l'altra (quella interna d'inverno) sale a sostituirla nello spazio vuoto che essa tende a lasciare dietro di sè (correnti convettive).

Il motivo secondario della presenza di vento in grotta sono le variazioni della pressione atmosferica; la massa d'aria racchiusa dalla grotta stenta ad equilibrarsi con essa, deve smaltire le eccedenze o inghiottire le mancanze con correnti d'aria (correnti barometriche).

La presenza di correnti d'aria è sempre da attribuire ad uno dei due fenomeni. Distinguerli non è difficilissimo, perchè il primo dipende dalla differenza di temperatura fra dentro e fuori, il secondo dalle variazioni di pressione. Queste ultime durano abbastanza poco (decine di minuti, ore), mentre le prime possono essere stabili per giorni.

Vediamo meglio. Le correnti convettive si innestano sempre fra ingressi meteobassi e altri meteoalti: i primi aspirano d'inverno e soffiano d'estate, i secondi funzionano in modo opposto. Questa, anzi, è proprio la definizione di ingresso "meteoalto" e "meteobasso".

Inverno ed estate sono però due termini un pò imprecisi. Possiamo migliorarli sostituendo alla parola "inverno" la frase "nelle situazioni in cui la densità media dell'aria esterna fra una entrata e l'altra e minore di quella media interna" e l'opposto per la parola "estate". La lunga frase fra virgolette si verifica sempre d'inverno, ma può realizzarsi anche in giornate particolari di stagioni intermedie.

La violenza della circolazione convettiva (Sez. 5.3) cresce con:

differenza di densità fra l'interno e l'esterno (in pratica: differenza di temperatura)

dislivello fra le entrate;

ampiezza degli ambienti che le collegano.

La violenza della circolazione barometrica (Sez. 5.2) cresce con:

ampiezza della variazione della pressione;

volume della cavità;

ampiezza degli ambienti che la collegano all'esterno.

La presenza del primo tipo di circolazione ci dice che quell'entrata è collegata ad altre zone del monte, quella dell'altra che essa è vastissima. Sono due dati molto utili e dunque vanno ricercati entrambi. Ma le due circolazioni, attenzione, sono in genere sovrapposte, quel che si osserva è un accoppiamento fra le due.

A causa di questo solo con lunghe osservazioni su molti ingressi, in situazioni favorevoli ora all'uno e ora all'altro tipo di circolazione potremo arrivare a capirne la struttura interna senza entrarci dentro.

 

10.3 In quali situazioni bisogna fare le osservazioni delle correnti d'aria?

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Sezione 5.3

In pratica visto (Sez. 1.1) che la densità diminuisce all'aumentare della temperatura, dobbiamo metterci in situazioni in cui l'aria esterna sia ad una temperatura chiaramente diversa da quella interna. Questa differenza deve essere tanto più grande quanto maggiore è la montagna che stiamo studiando dato che possono esserci grosse variazioni di temperatura con la quota e quindi non è detto che la netta differenza di temperatura che osserviamo in un certo punto sia grande anche altrove.

Andiamo a stabilire una regola cui attenersi. Definiamo una differenza di temperatura data da DT=3+6x [gradi cent.], ove x è il dislivello presunto fra le entrate, in chilometri; la formuletta dà DT=10 gradi (=3+6*1) in grandi complessi alpini, DT=5 gradi (=3+6*0.3) in grotte di piccola potenza.

Bene, la regola è questa: ragioniamo sulle correnti d'aria solo quando la temperatura esterna differisce da quella interna per più di DT. Se siamo al di sotto di questi valori è inutile stare a spaccarsi la testa per spiegare effetti che forse sono legati a gradienti locali, effetti del vento su certi versanti, umidità locali.

Le entrate meteobasse e quelle meteoalte presentano un senso di circolazione che si inverte solo quando le temperature esterna ha un crollo o una salita enormi, si tratta, insomma, di eventi rarissimi.

In pratica una chiara circolazione convettiva non può invertire.

La circolazione barometrica invece va e viene indipendentemente dalle temperature, ha tendenza ad essere occasionale, soggetta a sbalzi. Soprattutto poi la grotta tende a soffiare quando il tempo va peggiorando (fase meteorologica nella quale, in genere, la pressione va calando), o ad aspirare quando migliora. Sono perciò queste le situazioni nelle quali andare a guardare se una grotta presenta circolazioni barometriche. In questi casi ci si metta in attesa all'ingresso per una mezz'ora con un altimetro, a vedere come varia la quota apparente (vedi anche più oltre le Sezioni 10.18 e 10.19); se essa va salendo vuol dire che la pressione atmosferica sta diminuendo e quindi la grotta deve soffiare. All'opposto se la quota altimetrica cala la grotta deve aspirare.

 

10.4 È importante una strettoia che soffia?

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Sezione 7.2

I fluidi tendono a scorrere lungo le linee di minima impedenza. Tendono inoltre a far evolvere il sistema a ridurre l'impedenza, cioè tendono ad allargare le pareti tanto più quanto maggiore è l'impedenza in quel punto dato che la deposizione di energia, a portata fissata, cresce con la resistenza che viene opposta al moto.

Una strettoia con aria violentissima ci dice dunque due cose:

essa sta dominando il moto del fluido aria in una vasta regione della montagna;

l'aria non ha alternative al passaggio in quel punto.

Il punto esplorativamente più importante è naturalmente il secondo. Se ci troviamo di fronte ad un restringimento (una strettoia vera, non una frana) con aria violentissima è inutile cercarne alternative che siano più ampie: se ci fossero l'aria lo saprebbe e passerebbe di là.

Vedi il Capitolo 7 per maggiori dettagli, ma sta di fatto che, in generale vale la regola che: il punto con la massima corrente d'aria è il punto più ampio nel quale la colonna d'aria in moto nel monte ha la possibilità di passare.

La nota sulle frane, appena fatta, è doverosa perchè la sezione aperta di una frana può essere molto ampia e di gran lunga la massima nella quale l'aria può passare, ma tuttavia risultare impercorribile all'uomo. Accanto ad essa ci può essere una scomoda strettoia percorribile a fatica, che l'aria sdegna, ma che ci può permettere di aggirare l'ostacolo.

 

10.5 È importante una strettoia che non soffia?

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Sezioni 7.2

Una strettoia può non essere percorsa da corrente d'aria perchè:

non va da nessuna parte;

è aggirabile;

Nel primo caso le correnti d'aria sono veramente assenti, nel secondo ci sono ma possono essere quasi impercettibili.

E dunque si ponga attenzione alle brezze debolissime che sono molto importanti. Si ricordi, però, che la nostra presenza in una strettoia con corrente d'aria lievissima può perturbare la situazione in un modo da falsare i risultati, sia perchè la presenza del nostro corpo fa aumentare l'impedenza di quella zona sia perchè, caldi come siamo, inneschiamo di sicuro delle brezzoline locali.

 

10.6 Esiste sempre una quota intermedia fra le entrate meteobasse e meteoalte?

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Sezione 7.6

Ci chiediamo se, data una vasta montagna calcarea piena di entrate, esista una quota intermedia al di sopra della quale tutte le entrate siano tutte meteoalte e al di sotto della quale sono tutte meteobasse.

Perchè ciò avvenga occorre e basta che le entrate facciano affluire aria in un reticolo a bassa impedenza che le collega tutte. Questa è una situazione in cui le massime resistenze al flusso si hanno nelle gallerie di entrata; al di là le colonne d'aria possono scorrere con poco attrito lungo tutta la montagna.

Una situazione come questa può capitare in grotte di struttura molto semplice ma, in genere, non avviene. La risposta generale alla domanda di questa sezione è dunque: no.

La situazione "normale" è che le entrate non presentino impedenze molto più grandi di quelle offerte delle gallerie interne. Questo fa sì che le impedenze di queste ultime siano a volte sufficienti a spezzare il sistema in più sottosistemi: la colonna d'aria entra in A e esce in B poco più in basso, un'altra entra in C (ancora più in basso) ed esce in D. I due sottosistemi comunicano tramite gallerie molto resistive che li disaccoppiano.

Possiamo definire una "quota neutra" se consideriamo colonna d'aria per colonna d'aria; nel caso appena descritto si avrà una quota intermedia fra A e B ed un'altra fra C e D. Molto spesso, naturalmente, una delle due (o tre, o più) quote neutre è più importante delle altre e dunque spesso ha senso parlare di "quota neutra" di un sistema associandola alla colonna d'aria principale. Ma la dizione è in genere sensata solo zona per zona.

Si noti il ruolo delle gallerie molto resistive; per essere tali devono essere percorse da violentissime correnti d'aria (la resistenza offerta da una galleria al moto di un fluido cresce col quadrato della velocità di scorrimento!) e in generale si tratterà di strettoie. Ecco un chiarimento di quanto detto (Sezione 10.4) prima sulle strettoie percorse da correnti d'aria molto violente: è molto probabile che si tratti di gallerie che disaccoppiano sistemi, cioè che siano zone dalle quali:

si accede decisamente ad un'altra regione ipogea della montagna;

si può accedere solo passando da lì!

Vale anche il contrario: se cioè siamo di fronte ad una montagna nella quale la mappa delle correnti d'aria mostra l'esistenza di una quota intermedia ne possiamo dedurre che:

il sistema al quale afferiscono le entrate messe sulle mappe è un sistema di gallerie a bassa impedenza;

è unitario da cima a fondo;

eventuali grotte "irregolari" fanno parte di sottosistemi che sono separati da strettoie dal sistema principale; probabilmente da esse sarà molto difficile accedere alla colonna d'aria principale a causa delle strettoie che lo stanno impedendo persino all'aria.

 

10.7 Quando accade che una grotta non soffi?

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Sezioni 7.2 a 7.6

Una grande grotta ha sempre delle circolazioni d'aria al suo interno, ma questo non è detto di tutte le sue entrate.

Infatti pur essendo connesse con il complesso dell'interno della montagna non presentano circolazioni d'aria le entrate che hanno queste caratteristiche:

sono intermedie fra le meteobasse e meteoalte della colonna d'aria alla quale sono connesse, cioè sono prossime ad una quota neutra;

sono molto strette (ad alta impedenza) ed hanno alternative a bassa impedenza in parallelo, cioè, in genere, hanno altre entrate poco lontano.

Ma in entrambi i casi, si noti, ci deve essere, (saltuariamente nel primo caso, sempre nel secondo) un minimo di corrente d'aria: è quella che dobbiamo cercare.

È per questo modo di scorrere dell'aria "in parallelo" fra varie alternative che diciamo che non bisogna lavorare su una singola entrata ma su un'intera zona del monte e in essa decifrare le circolazioni complessive.

 

10.8 C'è un buco da disostruire, ma non tira aria. Ci lavoriamo?

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Dobbiamo prima spazzolare con cura il versante della montagna tutt'attorno localizzando altri buchi. Se non ce ne sono lasciamolo perdere, perchè quello che abbiamo trovato è, evidentemente, l'unica possibilità che l'aria ha per entrare o uscire da sottoterra e dunque se essa non circola significa che sottoterra in questa zona non c'è grotta (Sez. 7.2).

Se invece ci sono altre entrate nei pressi localizziamo quelle che soffiano e quelle che aspirano e facciamone una mappa accurata. Se il nostro buco è in fasce a quota intermedia fra meteoalti e meteobassi esso non ha nessun motivo per tirare aria anche se è collegato una grotta grande; può essere promettente e deve essere disostruito (Sez. 7.6).

Se essa invece non risulta essere vicina a quote neutre ma è in pieno di zone meteobasse o meteoalte dobbiamo controllare che non ci siano in prossimità (cioè entro un cerchio di qualche decina di metri) altre entrate che le "rubano" l'aria. Se non ci sono lasciamola perdere e cerchiamo altrove (Sez. 7.2).

Se invece le entrate alternative ci sono e sono invalicabili e però il nostro buco ha almeno una minima brezza nello stesso senso degli altri allora sappiamo cosa dobbiamo fare: scavare. Le altre entrate possono essere piene di gigantesche frane invalicabili per noi ma "trasparenti" all'aria mentre essa invece sdegna il nostro buchettino che, con qualche facile strettoia, ci permetterà di entrare sotto le frane.

 

10.9 C'è un buco da disostruire, ma ha aria "sbagliata". Ci lavoriamo?

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"Aria sbagliata" vuol dire che è molto in alto ma è meteobasso, o che è molto in basso ma è meteoalto.

Sì, lavoriamoci, perchè una corrente d'aria è sempre indizio di complesse vie sotterranee; il fatto che l'aria sia "sbagliata" tende solo ad indicare che sono ancora più complesse di quel che crediamo.

Ma il modello elettrico e i fenomeni di disaccoppiamento ci aiutano a fare previsioni, perchè saremo quasi certamente in una delle situazioni descritte dai disegni (Sez. 7.6 ad esempio). È probabile che, forzato l'ingresso, ci troveremo a scendere con "aria sbagliata" sino ad una biforcazione, molto probabilmente in corrispondenza di uno slargo. Oltre quel punto l'aria diverrà "giusta" e noi ci allontaneremo dalla colonna d'aria che circolava localmente sull'entrata che abbiamo forzato e ci inoltreremo nei rami che la collegano altre zone della montagna ("gallerie di disaccoppiamento"). Queste gallerie hanno sempre alta resistenza (sennò l'entrata di cui sopra avrebbe aria "giusta") e dunque incontreremo sempre almeno qualche punto stretto e con aria velocissima.

 

10.10 Perchè ci sono grotte con forti oscillazioni dell'aria?

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Sezioni 5.8, 8.8

Capita ogni tanto di trovarsi di fronte a gallerie (di ingresso o interne) la cui corrente d'aria oscilla, cioè passa da valori positivi a negativi con regolarità nell'arco di decine o centinaia di secondi.

La cavità soffia per pareggiare fluttuazioni della pressione atmosferica ma poi "risuona" perchè la massa d'aria della colonna d'aria, spinta dalla pressione interna, acquista velocità e non può fermarsi quando la pressione interna è ormai equilibrata: un'auto in corsa è difficile da arrestare.

Detto più in dettaglio: la cavità, che prima della fluttuazione della pressione esterna aveva l'aria inizialmente immobile, comincia a soffiare fuori per equilibrarsi. La massima velocità dell'aria viene raggiunta quando finalmente le pressioni interna ed esterna sono uguali, ma a quel punto per fermare la colonna d'aria in moto che svuota la grotta occorre una depressione interna. Pian piano essa si forma e finalmente la colonna d'aria si ferma: ma a quel punto l'interno ha una pressione inferiore a quella esterna e comincia a succhiare. Così si prosegue.

Questo è anche il motivo per cui suonano gli strumenti a fiato; non è lo strumento che suona ma la sua colonna d'aria interna. In pratica le gallerie che riempiono il monte possono essere assimilate a canne d'organo e "suonano" con una loro frequenza, tanto maggiore quanto maggiore ne è il volume e la lunghezza e tanto minore quanto maggiore ne è la sezione.

Ogni grotta (meglio: ogni regione interna alla montagna disaccoppiata dalle altre da zone di alta impedenza...) suona. Ce ne accorgiamo solo in certi rari casi perchè alle oscillazioni si sovrappongono le circolazioni "normali", cioè i flussi di masse d'aria in su o in giù. L'oscillazione è presente anche in gallerie col flusso violento in una sola direzione e gli si sovrappone, ma è difficile accorgersi che questa velocità viene "modulata". Invece è facile accorgersene nei tratti di galleria "intermedi", cioè quasi neutri, perchè in quelle zone il movimento dell'aria si riduce quasi interamente alla brezza "modulata" che inverte di segno, con regolarità, la circolazione.

Circolazioni di tal genere sono molto dispendiose dal punto di vista energetico (tanto più quanto maggiori sono le velocità raggiunte dall'oscillazione) e perciò tendono rapidamente a smorzarsi. Possono essere mantenute solo se le energie, e quindi le masse totali in movimento, sono enormi.

Quando siamo in presenza di fenomeni del genere dunque ne deduciamo che:

siamo su una fascia prossima alla quota neutra della colonna d'aria;

la grotta è vastissima.

 

10.11 Ci sono inversioni del flusso dell'aria che non indicano diffluenze?

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Sezione 7.1

Purtroppo sì, e ciò causa molte delusioni.

La circolazione dell'aria avviene sempre lungo le linee di minima impedenza e quindi per andare da un punto A ad un'altro B di una galleria essa percorre la linea più ampia e breve. Se le dimensioni della galleria sono assai grandi questa linea di trasporto può non essere accessibile perchè troppo in alto e a quel punto noi avremo l'impressione di aver "perso l'aria".

Ma può accadere di peggio: il fatto che il flusso sia turbolento fa sì che si possano installare rotori attivati dal flusso d'aria lassù, e noi ci veniamo a trovare non più "senz'aria" ma addirittura in inversione d'aria, cioè col flusso che ha direzione opposta a prima.

Anche in questo caso, come in molti altri, dobbiamo quindi sottolineare che le correnti d'aria sono un fatto complessivo di una regione sotterranea e che quindi le osservazioni non si devono limitare ad un punto ma vanno estese tutt'attorno.

Il risultato delle osservazioni dei flussi d'aria sulle mappe meteorologiche della grotta non deve essere solo una freccetta ma, per quanto possibile, una ricostruzione del flusso da cui si possa desumere la struttura complessiva del moto dell'aria sia dal punto di vista della velocità che da quello delle portate.

 

10.12 Come varia il flusso d'aria allargando una strettoia?

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Sezione 7.3

Vediamo se dalla variazione del flusso e della velocità dell'aria quando si allarga (o si richiude) una strettoia possiamo fare deduzioni interessanti sul resto della grotta.

Si hanno due casi distinti a seconda che la strettoia sia o no quella che domina il moto della colonna d'aria nella grotta, cioè se sia o no il punto più stretto del percorso da un ingresso (o gruppo di ingressi) all'altro (o ad un altro gruppo).

Fissiamo le idee immaginando di restringere la strettoia, operazione facilmente eseguibile con una porticina o, semplicemente, entrandoci dentro.

Se la strettoia domina il moto essa fissa la portata. Stringendola perciò essa si riduce e dunque:

la velocità dell'aria cala istantaneamente;

la portata dell'aria, misurabile fuori della strettoia, cala in modo ancora più forte, sempre istantaneamente.

Se invece la strettoia non domina il moto la portata è fissata altrove e dunque restringendola la portata rimane costante. Perciò:

la velocità dell'aria dentro la strettoia inizia a crescere, raggiungendo un valore massimo dopo un certo tempo;

la portata rimane quella che è e perciò chi la misura fuori della strettoia non nota nessuna variazione.

Il tempo di reazione non è nullo perchè il flusso d'aria deve fornire gas per far variare la pressione ai capi della strettoia. Il tempo è tanto più grande quanto più la grotta a monte della strettoia è vasta; in casi tipici (Sez. 8.6) si tratta però di pochi secondi.

La situazione più interessante è quella del primo caso; se restringendo la strettoia avvengono questi effetti sappiamo subito che allargandola la portata d'aria aumenterà moltissimo. Questo indica che davanti a noi, probabilmente, non troveremo più grossi ostacoli all'avanzata (se non frane...), ma indica anche che la nostra operazione di allargamento avrà un notevole impatto ambientale sulla grotta; per mantenere immutata la circolazione dell'aria bisognerà prevedere di mettere uno sportello serio e duraturo.

Nel secondo caso (entrando nella strettoia la velocità della corrente d'aria dopo un pò aumenta di molto), ci fa prevedere che, allargandola, essa si ridurrà. E che ben altre disostruzioni ci aspettano là davanti.

Un eventuale importante by pass alla strettoia fa sì che allargarla o stringerla non abbia nessun effetto sensibile (ma se usiamo strumenti il discorso cambia). Perciò:

la velocità dell'aria nella strettoia cala;

la portata d'aria nella strettoia cala;

invece la portata d'aria misurata a monte della biforcazione non varia.

 

10.13 Cosa può accadere allargando una strettoia ventilata?

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Sezioni 7.3, 7.6

Allargare una strettoia attraversata da una velocissima corrente d'aria causa sempre una drastica riduzione della perdita di carico in corrispondenza di essa. È un'operazione che muta le circolazioni d'aria all'interno del monte perchè interveniamo su uno dei punti critici del trasporto della colonna d'aria.

Il caso più ovvio è l'apertura di strettoie d'ingresso di cavità meteobasse in montagna: la neve, che prima vi veniva inghiottita in quantità piccole, può nel solo primo inverno successivo al forzamento creare degli accumuli enormi che chiudono la grotta per anni.

Questo è il caso più ovvio, naturalmente. Ma è facile immaginare situazioni più critiche, a più vasto raggio e non rimediabili con uno sportello. Possiamo, ad esempio, rompere il disaccoppiamento fra due colonne d'aria: quelli che erano gli ingressi meteobassi della superiore e quelli meteoalti dell'inferiore divengono neutri di quella complessiva che abbiamo formato allargando la strettoia. Questo può far sì che certe entrate si chiudano per neve e certe altre, già chiuse, nel giro di pochi anni non presentino più traccia di neve o ghiaccio. Anche il fatto di poter far variare senso, velocità e portata delle circolazioni dell'aria in certe gallerie ha comunque un impatto, anche se, in verità, molto difficile da valutare.

Le strettoie con vento veloce possono avere dei ruoli di questo genere sulle invisibili vie di moto delle colonne d'aria nei monti. Ma forse non ci si deve preoccupare troppo: per quanto detto altrove le strettoie sono in genere strutture "temporanee" da un punto di vista geologico (riempimenti, neotettonizzazioni) e dunque alla montagna toccherà (o già toccò) subire la circolazione d'aria che imponiamo noi allargando la strettoia. Non preoccupiamoci troppo ma cerchiamo di riflettere, di osservare le variazioni e, se possibile, di mettere degli sportelli.

 

10.14 Cosa si può dedurre ostruendo l'entrata di una grotta?

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Sezione 5.8

Teoricamente sia il volume interno che le quote degli altri ingressi. Facciamo un esempio nel caso più semplice: mettiamo una porta a tenuta all'entrata bassa di una grotta fatta a tubo. Mettiamoci a misurare durante un periodo di stabilità della pressione atmosferica:

la temperatura interna della grotta (è facile) e il suo gradiente che è meno facile da conoscere (ma non sbaglieremo di molto ipotizzandolo intorno ai 3 o 4 íC/km);

la temperatura esterna (è facile) ed il suo gradiente (non sbaglieremo di molto ipotizzandolo 6 oC/km nelle giornate grigie e umide, e 10 oC/km in splendide giornate di sole)

la portata d'aria all'imbocco.

Ora chiudiamo la porta e vediamo che sovrapressione (fingiamoci d'estate) interna va crescendo sino a stabilizzarsi. Abbiamo così due dati: la curva di salita della sovrapressione nel tempo e il valore finale della sovrapressione.

Dalla Sezione 8.6 vediamo che il tempo di salita è quello di carica, o scarica, RC, che dipende direttamente dal volume della grotta e dalla sovrapressione. La seconda la misuriamo e dunque otteniamo la prima, il volume del carsismo interno.

Dalla Sezione 5.8 deduciamo invece che la sovrapressione dipende dalla differenza di quote (con correzioni legate a temperature e gradienti), e dunque possiamo dedurre la quota dell'entrata alta.

Questo nel caso di una grotta a tubo. Esiste una grotta siffatta? Quasi certamente sì, ma saranno certamente rarissime in confronto a quelle ramificate. Questo implica errori terribili perchè la scarica dall'ingresso ostruito è sostituita da quella da altri, ma col modello elettrico possiamo lo stesso studiare il problema. Diciamo che la relazione fra le variazioni di pressione ai lati della porta di chiusura e la meteorologia esterna dipende da:

quota dell'ingresso ostruito;

quota dell'entrata immediatamente superiore;

volume delle gallerie fra le due quote;

perdite di carico del sistema;

volume totale del sistema;

quota delle entrate alte.

Sono tutti parametri che possono essere dedotti da uno studio accurato all'entrata ostruita.

 

10.15 Esistono entrate di grotta che soffiano sempre?

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Rispondere con sicurezza è difficile perchè le osservazioni degli speleologi sono forzatamente saltuarie. Tolte le osservazioni sbagliate, tolte le osservazioni fatte in fasi di circolazioni barometrica (la grotta che si svuota per una caduta della pressione atmosferica), rimangono però di sicuro delle grotte che si comportano prevalentemente da entrate meteoalte d'inverno (soffiano) e meteoalte d'estate (risoffiano).

Per spiegare questa anomalia possiamo ipotizzare:

l'ostruzione invernale delle entrate alte, tipicamente causata dalla neve. Questo può accadere se le portate d'aria delle grotte meteoalte sono diffuse su vaste zone e non ci sono uscite localizzate dell'aria che riesca a tenersi sgombra da neve. È questa, a nostro avviso, la situazione più probabile per interpretare il fenomeno;

una diversa intensità del flusso d'aria stagionale attraverso il sistema in una situazione multizero (Sez. 7.6). Questo può far sì che la galleria che collega i due subsistemi funzioni da disaccoppiamento d'inverno e da drenaggio normale d'estate (ma è un'ipotesi che ci convince poco);

ancora una situazione multizero nella quale però le gallerie di disaccoppiamento siano fortemente asimmetriche per il flusso. La perdita di carico in una galleria in cui l'aria scorre in modo turbolento dipende dal verso: lo scorrimento "in su" può incontrare una resistenza molto diversa dallo scorrimento "in giù". Questo può far sì che le gallerie separino i sottosistemi d'estate ma non d'inverno, o viceversa.

una combinazione complessa delle tre precedenti.

Insomma, teoricamente sembra possibile che una entrata abbia sempre lo stesso verso dell'aria, e questo indicherebbe sempre una notevole complessità del sistema sottostante. Ma prima di fantasticare troppo sarebbe meglio avere osservazioni affidabili.

 

10.16 Esistono entrate di grotta che aspirano sempre?

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Vale lo stesso discorso fatto in Sezione 10.15, le osservazioni sono molto saltuarie; ma se ne esistono casi è facile siano da attribuire a entrate prossime ad una quota neutra osservate in una fase di circolazione barometrica.

Ma se proprio funzionano così valgono le stesse osservazioni di prima, e possiamo ipotizzare che ciò sia dovuto a:

ostruzioni invernali delle entrate basse; o per meglio dire, aumenti dell'impedenza, perchè non è mai necessario che la chiusura sia totale. Ora è difficile imputarle alla neve sia per la quota inferiore che ne sfavorisce l'accumulo sia perchè le bocche d'uscita di un sistema sono sempre di meno di quelle di entrata e quindi più grosse e difficili da tappare. Ma possiamo invocare altri fenomeni quali la formazione di ghiaccio alle entrate meteobasse o la crescita di laghi che fanno aumentare l'impedenza delle gallerie;

stessi fenomeni di disaccoppiamenti stagionali detti alla sezione precedente, in questo invocandone la presenza d'estate e l'assenza d'inverno o a seguito di alte perdite di carico o di asimmetrie delle gallerie;

un'altra ipotesi, impossibile nel caso precedente. Possiamo ipotizzare di essere di fronte ad una bocca prossima ad un quota neutra, cioè intermedia fra entrate meteoalte e meteobasse, che entra con una condotta ad alta impedenza in una grossa galleria percorsa da vento furibondo. Quest'ultima realizza quel che si chiama "effetto Venturi" e risucchia aria dalla bocca laterale, indipendentemente dal verso del flusso. Ma è possibile? Mah, possibile ci sembra lo sia, ma credere che esista davvero qualche grotta che funziona così è un'altra storia.

 

10.17 Perchè certe grotte in cima a montagne si comportano da entrate basse?

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La cosa più probabile è che abbiamo fatto un'osservazione in un momento in cui la montagna scaricava o inghiottiva aria per pareggiare una variazione di pressione atmosferica, cioè era in fase di circolazione barometrica. Le osservazioni delle circolazioni convettive vanno fatte con la temperatura esterna chiaramente diversa da quella interna (vedere Sezione 10.3).

Se invece quell'imbocco è meteobasso sempre, ciò significa che non è il più alto, significa che abbiamo esplorato male e che per quanto ci possa sembrare pazzesco ce n'è uno più sopra. Notiamo che se le gallerie fra i due sono brevi e ampie (bassa resistenza) mentre il collegamento fra quella zona e le parti basse della montagna è stretto e lungo (alta resistenza) è normalissimo che il sistema diventi un Multizero (Sez. 7.6). Un bell'esempio è in Marguareis: l'entrata più alta del Complesso di Piaggia Bella, 70 metri sotto la punta della montagna, è meteobassa.

 

10.18 Posso misurare la profondità di una grotta con un altimetro?

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Sezione 2.7

Sì, ma con qualche precauzione. Le tradizioni di non funzionamento di questi strumenti derivano dal fatto che le loro quote venivano confrontate con rilievi stirati ed erano affetti inoltre da problemi di taratura in temperatura che causano un errore importante soprattutto nelle prime parti delle grotte.

Invece gli altimetri in grotta funzionano benissimo.

Un altimetro è sostanzialmente un barometro, cioè misura quanto lo schiaccia la colonna d'aria che lo sovrasta. La misura della pressione (sempre oggettiva) viene convertita poi in "quota" da una scala che a "tanti millibar" fa corrispondere "tale quota" utilizzando le tabelle di una Atmosfera Standard Internazionale (AS), ed è usando essa in vari modi (finemente diversi da un altimetro all'altro) che viene generato il valore proposto della quota.

Ma l'atmosfera delle grotte non è esattamente la AS (Sez. 2.7), tuttavia si può facilmente dimostrare che la differenza fra l'AS e l'atmosfera delle grotte (più umida, meno densa e con minore discesa di temperatura con la quota) è abbastanza piccola, troppo per indurre in seri errori. In sè dunque la scala altimetrica dello strumento va bene anche sottoterra. Ma ci sono altre fonti di errore.

La prima è quella di usare uno strumento dopo averlo tarato ad una certa temperatura per poi portarlo a lavorare ad un'altra. Per vedere quale è la sensibilità del nostro altimetro a questo effetto possiamo fare una misura prima tenendolo in casa e poi guardando come è fluttuato dopo una permanenza in frigo. Questo effetto è forse responsabile dell'idea che gli altimetri in grotta "non funzionano": li taravano fuori, scendevano di trenta metri in grotta e quelli segnavano -30+ la fluttuazione termica, quindi con un errore relativo molto grande.

La seconda causa di errore è più ovvia: la pressione al livello del mare in quel momento non è quella normale ma è un pò più bassa o un pò più alta. Dalle nostre parti i valori massimi di variazione della pressione atmosferica corrispondono ad una salita altimetrica di circa duecento metri in 10 ore. Su tempi più brevi le variazioni sono maggiori, intorno ai 30-40 m/h, che capitano in occasione dell'arrivo di grosse perturbazioni. L'errore massimo che ci si può aspettare perciò è grande, anche 100- 150 m, mentre l'errore medio (staratura dell'altimetro fra l'entrata e l'uscita) è in genere intorno ai 20-30 m.

Ci si può accorgere di queste variazioni solo se si è tenuto l'altimetro in un punto fisso. Ma se lo stimiamo spostandoci non possiamo sapere quanta variazione sia dovuta alla effettiva variazione di quota e quanta alla variazione di pressione atmosferica.

Si può rimediare a tutti queste fonti di imprecisione:

tarando all'ingresso con lo strumento già alla temperatura alla quale lavorerà;

facendo una serie di misure in salita e una in discesa negli stessi punti (ci servirà anche l'ora di misura), in modo da poter apportare delle correzioni una volta ricostruito l'andamento approssimativo degli sbalzi di pressione;

e inoltre, ancora meglio, tenendo uno strumento all'esterno in postazione fissa e facendone annotare la quota altimetrica ad intervalli regolari. A quel punto avremo l'andamento dettagliato degli sbalzi di pressione e quindi la lettura dello strumento interno sarà da correggere prendendo la differenza di quota fra i due nel periodo al quale è stata fatta la misura.

Con queste tecniche ci si libera quasi completamente dalla staratura di temperatura e dall'errore dovuto a variazioni della pressione assoluta.

Una terza fonte di imprecisione è l'errore di profilo, ed è estremamente difficile da eliminare. In sostanza abbiamo visto che, nell'atmosfera media, ad una salita di un metro ad una certa quota corrisponde una certa variazione di pressione (Sez. 2.2): in media. Il guaio è che non è sempre così. In un periodo caldo, ad esempio, l'atmosfera si gonfia sopra di noi, pur mantenendo, eventualmente, la stessa pressione al suolo, e dunque occorre salire di più per ottenere la stessa variazione di pressione. D'inverno capita l'opposto: l'atmosfera è più schiacciata al suolo e un altimetro tarato a quota zero quando arriva a quota duemila crede ("dice") di essere più in alto perchè effettivamente sotto di sè ha lasciato una maggior massa d'aria. Le fluttuazioni giornaliere (inversioni termiche etc) di questo tipo sono troppo difficili da correggere ma quelle stagionali no. L'altimetro sottostima d'estate, e sovrastima d'inverno.

Per correggere operiamo così:

determiniamo la temperatura a livello del mare: supponiamo, per fissare le idee, sia 30 oC;

trasformiamola in temperatura assoluta aggiungendo 273: diventa 303;

dividiamo il valore ottenuto per 288 e otteniamo il Fattore di Correzione: nell'esempio 303/288 = 1.052;

se abbiamo misurato un dislivello di TOT metri lo correggiamo moltiplicando per il fattore di Correzione: se nelle condizioni dell'esempio avevamo misurato (come risultato di tutte le correzioni assolute etc.) un dislivello di 820 m otteniamo circa 860 m.

In grotta c'è un'altra fonte di errore, per la verità, e sono le correnti d'aria che inducono (e indicano) depressioni fra i capi delle gallerie e dunque balzi di quota apparenti. Ma non si generano tragedie, si tratta di errori molto piccoli. In grotta un altimetro in misura dentro una galleria con forte corrente d'aria crederà (all'incirca) di essere già alla quota del primo slargo dove quell'aria perde velocità, poco oltre: tutta roba di poco conto.

 

10.19 Ha senso misurare la profondità di un pozzo con un altimetro?

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Sezione 2.7

Se è lungo sì. Quanto detto alla sezione precedente riguardo alle profondità totali vale anche per le misure di un singolo pozzo ma col vantaggio che il fattore tempo non gioca un gran ruolo.

Scendendo un pozzo anche in piena sfiga meteorologica si corre un rischio di un errore di staratura massimo di una trentina di metri ogni ora. Se proprio non siamo gente che si inchioda su ogni cambio e impieghiamo una normale diecina di minuti a scendere un P100, arriveremo alla base con un errore di quattro o cinque metri. Se lo mediamo con una misura in salita l'errore si dimezzerà: anche con la sfiga più nera, dunque, possiamo contare su un civilissimo errore del 2%.

In condizioni medie, comunque, evitando di credere alle misure fatte in occasione di grosse perturbazioni atmosferiche, l'errore che si compie diviene di frazioni di metro, dunque zero perchè l'errore di lettura dello strumento è maggiore.

 

10.20 Quand'è che le misure altimetriche sono più affidabili di quelle topografiche?

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Sezione 2.7

Ahinoi, misure topografiche fatte da chi, e con quali strumenti?

I rilievi di grotta in genere sono affetti da incertezze dell'ordine del 2-4%, se sono stati fatti con cura... La quota finale di grotte con grandi sviluppi e a saliscendi può avere quindi un errore molto grande. Facciamo un esempio: con uno sviluppo di 2 km dall'entrata, a saliscendi, l'errore finale sulla quota è dell'ordine di varie decine di metri. Un rilievo altimetrico ben fatto è dunque molto più affidabile dato che è affetto da imprecisioni dell'ordine della decina di metri.

Ma si ricordi che l'altimetro per fare le piante non serve a nulla, e sono le piante quelle che servono agli esploratori...

 

10.21 In una grotta si possono incontrare piccoli sbalzi di temperatura?

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Sezioni 4.7

Si. Ogni colonna d'aria in moto dentro la montagna ha la sua storia, fatta di interazioni con:

le pareti;

le acque;

le differenti pressioni alle varie quote.

I primi due punti richiamano fenomeni di condensazione che, per ora, non sappiamo commentare a fondo (e quel poco che riusciamo a dire è ben ostico: vedere il Capitolo 9), ma il terzo punto si presta a qualche parola di più.

Una massa d'aria umida in transito nel monte tende a variare la sua temperatura di circa 5 oC/km (vedi la tabella a Sezione 2.3), ma di fatto scambia calore con le acque presenti e così la sua temperatura varia di soli circa 3 o 4 oC/km, quello che abbiamo chiamato "gradiente termico ipogeo" (Sez. 4.7). Le variazioni di temperatura dentro una grotta sono dunque sempre molto piccole da un punto all'altro, e quindi le brusche variazioni sono sempre associate all'arrivo di colonne d'aria di provenienza diversa da quella che abbiamo respirato sinora. In soldoni: la temperatura può saltare solo quando intersechiamo diramazioni con correnti d'aria significative.

In esse le temperature possono essere lievemente diverse perchè:

le acque entranti nelle due diramazioni (che ne fissano la temperatura iniziale) possono essere alla stessa temperatura e portata ma la caduta che fanno può essere diversa (Figura 10.6).

le acque entranti possono essere caratterizzate da un gradiente termico dell'AS, -6.5 oC/km (acque non nivali) e quindi una diramazione che prende acqua a quote inferiori è più calda di un altra che arriva da quote maggiori (Figura 10.7);

infine, essendo il gradiente ipogeo fissato dai flussi relativi di aria ed acqua (Sez. 4.7), non è detto che debba essere per forza uguale in tutte le diramazioni.

Rimane comunque ben chiaro il fatto che la temperatura ha degli sbalzi in corrispondenza di importanti arrivi di fluidi e che dunque questi sbalzi possono essere utilizzati per individuare importanti diramazioni.

La cosa ha anche un effetto speleogenetico che forse spiega gli ampliamenti ai bivi.

A valle dello sbalzo la temperatura finirà per fissarsi ad un valore intermedio fra i due flussi: questo comporta che una delle due diramazioni sarà "calda" rispetto alla zona e che perciò si innesteranno processi condensativi che bagneranno e consumeranno le pareti più fredde a valle (Sez. 9.7).

 

10.22 Cosa possiamo dedurre misurando la temperatura dell'aria in uscita dal monte?

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Capitolo 4

Una caratteristica importante delle grandi grotte è che la temperatura in ogni loro punto dipende dalla struttura dell'insieme dell'intero complesso sotterraneo.

Questo è vero in particolare per quegli accidenti strutturali che sono le entrate, la loro temperatura è fissata dalle situazioni complessive e in particolare dipende dalle temperature delle acque di alimentazione dell'interno della montagna. Abbiamo visto al Capitolo 4 che, grosso modo, la temperatura ad una certa quota in una grotta è data dalle temperature delle acque interne, a loro volta data dalla temperatura media di ingresso (precipitazioni alla quota degli inghiottitoi) più il guadagno di temperatura legato alla caduta attraverso la montagna, che in genere è di circa 3 oC/km.

Facciamo un esempio. Le acque di alimentazione siano a 5 oC, intorno ai 1500 m, e il gradiente sia 3.5 oC/km; un ingresso a 300 m di quota avrà quindi una temperatura data da 5+3.5x1.2=9.2 oC. Un'altra grotta che esca alla stessa quota ma che assorba a 500 m di quota avrà una temperatura superiore. Le acque di alimentazione saranno quelle tipiche a quella quota cioè di circa 6.5 oC più calde di quelle ai 1500 m slm (variano con un gradiente termico adiabatico umido; vedi Sezione 2.3). Da ciò risulta che l'aria in uscita avrà una temperatura di 11.5+3.5x0.2=12.2.

Una grotta fatta a cantina, cioè isolata dal resto della montagna, ha una temperatura fissata dalla temperatura media delle precipitazioni a quella quota che nelle ipotesi precedenti, a quella quota sarà 5+6.5x1.2=12.8.

Ne possiamo trarre la conclusione generale che dei frammenti di grotta non connessi con un grande sistema ipogeo sono, a stessa quota, a temperatura più alta di altre entrate che siano connesse con il sistema interno del monte, dato che le grotte sono di condotte che ci mettono quasi in diretto contatto con le acque entranti sottoterra ad alta quota.

 

10.23 Perchè l'aria di grotta è più calda dell'acqua?

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Sezione 9.5

Il Secondo Principio della Termodinamica vincola due sottosistemi in contatto termico di un sistema isolato ad assumere la stessa temperatura che, anzi, è proprio definita grazie a questa caratteristica. L'aria in grotta può essere più calda dell'acqua solo nel caso in cui il sistema non sia isolato, cioè si abbia un flusso di calore dall'esterno. Lo sbilancio termico è dunque associato all'entrata di calore nel sistema. Ma questa affermazione è molto astratta: e in dettaglio?

La responsabilità è probabilmente da attribuire alla presenza di cicli di evaporazione-condensazione, la cui energetica è alimentata dal movimento relativo dell'aria rispetto all'acqua, quali correnti d'aria (o turbolenze) su specchi d'acqua quasi fermi, cascatelle che attraversano arie quasi immobili. Si fissa così una ãT fra aria ed acqua tale che il flusso di calore dall'aria all'acqua, per conduzione, pareggi quello dall'acqua ad aria per evaporazione. Per ora però non possiamo andare più in dettaglio.

 

10.24 Perchè a meandri piccoli spesso seguono pozzi grandi?

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Sezione 9.4

È notevole che una parte sostanziale dei pozzi abbia una sezione grosso modo costante e molto maggiore dei diametri della gallerie che vi immettono.

Un'interpretazione possibile (tradizionale) è che l'acqua nella caduta libera un'energia molto maggiore che non in percorsi sub-orizzontali e dunque scava. Il guaio, però, è che non si capisce bene perchè dell'acqua più "energetica" dovrebbe corrodere di più e soprattutto come fa una misera cascatellina che cade in mezzo ad un salone ad avere scavato quelle lontane pareti. Si possono invocare dei flussi d'acqua ben maggiore nei bei tempi andati ma è difficile credere che, pure ambienti tropicali, iniettassero in stretti meandri tali quantità d'acqua che poi sarebbero schizzate sin sulle lontane pareti.

Crediamo che l'interpretazione più corretta sia che effettivamente c'è rilascio di energia da parte della cascatella: ma rilascio all'aria, non alla roccia. L'energia si traduce in due termini principali, e cioè in un aumento di temperatura e in calore di vaporizzazione, e due secondari che sono l'energia di superficie del pulviscolo e l'energia cinetica di turbolenza.

L'aria, che non è obbligata ad andare in verticale, come invece è l'acqua, migra tranquillamente per ogni dove e così si viene a trovare in contatto con la roccia lontana con la quale però non è in equilibrio termico e quindi cede energia formandovi un velo d'acqua.

Anche il velo d'acqua, naturalmente, evapora ma meno di quanto facciano le gocce della cascata, forzate a farlo dal moto relativo fra aria e acqua. Il processo, insomma è descrivibile più esattamente come lo stato di equilibrio fra due superfici esposte all'aria, l'una immobile e l'altra mobile. Ne risulta un trasporto di acqua dall'una all'altra.

 

10.25 Perchè in grotta le strettoie sono rare?

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Sezione 9.6

Le strettoie sono, molto spesso, legate ad accidenti locali e non alla struttura della grotta: si tratta di riempimenti di detriti fluitati in zone che sono state sifonanti, di riempimenti concrezionali, di frane. Le entrate strette sono, molto spesso, presto seguite da zone più ampie dato che quella che vedevamo come "strettoia" non è data dalla struttura vera e propria della grotta ma è legata ad accidenti geologici esterni: ghiacciai, versanti franosi, sedimentazioni.

Se invece facciamo caso alla sezione media della grotta vediamo che essa, in genere, si mantiene abbastanza costante. Ancora più costante, poi, sembra essere la sezione pesata col dislivello che supera, cioè il volume di grotta scavato per unità di dislivello: si pensi ad esempio alle grotte che alternano pozzoni a meandrini stretti. Questa relativa costanza dello scavo si indebolisce parecchio nei passaggi da un tipo di roccia all'altra, diventa difficile da valutare in zone di frana, ma in genere permane il fatto che le strettoie sono rare, se non nelle grotte ovunque strette. Come mai?

Il motivo è sicuramente legato ai meccanismi che formano le cavità. Si tratta di meccanismi ancora in parte non chiari e certamente dipendenti da parametri che variano in modo estremamente ampio a seconda delle zone: temperature, tipo di roccia, coesistenza di rocce diverse, aggressività delle acque etc.

Possiamo però fare qualche osservazione generale.

Sono meccanismi che scavano in modo uniforme lungo le profondità della montagna; visto che gran parte del carsismo è a discrete profondità ne possiamo dedurre che sono meccanismi legati solo secondariamente al chimismo delle acque entranti. È cioè ovvio che un fiume di acido solforico darebbe una grossa mano al carsismo, ma è anche plausibile che esso scaverebbe essenzialmente nelle zone di entrata, cioè creerebbe un'entrata spettacolare e la farebbe finita lì.

In genere, insomma, i meccanismi della speleogenesi profonda appaiono essere slegati dalla diretta interazione con l'esterno.

Da questo discende che si tratta di meccanismi grosso modo omogenei lungo la montagna: lo scavo a profondità x è egualmente probabile a quello fatto a x+dx.

Perchè lo scavo sia uniforme deve accadere che, oltre ad avere le stesse probabilità qui o là, esso sia più rapido nei punti in cui non è ancora avvenuto, sia cioè a retroazione negativa (un segnale alto viene amplificato meno di uno basso) e non a retroazione positiva (un segnale alto viene più amplificato di uno basso).

Detto in soldoni, occorre che lo scavo avvenga più rapidamente nelle zone ancora non scavate, cioè nei restringimenti. L'ipotesi più semplice è che lo scavo proceda grazie all'energia depositata localmente dai fluidi che percorrono la condotta, energia che è tanto più grande quanto più piccola è la sezione che fa il trasporto.

Un esempio ovvio bidimensionale è quello dei fiumi, che erodono tanto più quanto più la loro corrente è veloce e che perciò tendono rapidamente a far sparire le condizioni che obbligano le acque a correre in un certo punto, e prendono a scorrere regolari. Qualcosa di analogo avviene, su tre dimensioni, nelle grotte: sia nel caso di scavo subacqueo, sia in quello dominato dalle correnti d'aria, cioè dalle condensazioni, avviene che le massimecessioni di energia si hanno su strettoie che siano prive di vie alternative in parallelo.

È anzi comune esperienza degli esploratori quella di trovare un by pass in alto al di sopra del punto dove il fiume si inforra (o sifona) divenendo impercorribile. Come mai, il più delle volte, c'è una comoda galleria in alto che ci permette di aggirarlo, quasi fosse fatta apposta per noi? Deve esserci un meccanismo che la crea (o la allarga) legato al fatto che là sotto l'acqua passa in una strettoia. Ma si ponga attenzione al fatto che, in un caso come questo, il fluido a cui addebitare lo scavo è l'aria!

 

10.26 Cosa deduciamo dalle condensazioni?

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Capitolo 9

Per ora dobbiamo riconoscere di non essere riusciti nel nostro obiettivo di dare un ordine ed una metodologia alle osservazioni delle condensazioni sulle pareti per utilizzarle come indicatori esplorativi, alla stregua di quel che si fa con le correnti d'aria. Il guaio, infatti, è che le prime sono spesso fenomeni locali mentre le seconde sono sempre dei fenomeni complessivi che quindi contengono informazioni sulla struttura dell'intera montagna.

Ci sembra però di essere riusciti a dimostrare il loro ruolo decisivo nella speleogenesi: accontentiamoci, perciò, ed invitiamo tutti a cominciare ad osservare attentamente le pareti delle grotte e ad annotare e pubblicare, insieme ai dati topografici e di corrente d'aria, anche zone e intensità degli inumidimenti condensativi.

 

10.27 Cosa conviene misurare in grotta?

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Crediamo che il lettore si sia convinto che lo studio dell'endoclima è estremamente utile per capire le caratteristiche globali del sistema ipogeo: si sarà pur convinto che, però, si tratta di materia complessa. Vediamo ora, operativamente, cosa ci conviene studiare in modo da estrarre dati dall'endoclima, vedendo prima di tutto in quali momenti fare le osservazioni.

Bisogna concentrarsi in periodi in cui il parametro da misurare è estremamente netto. Se analizziamo le circolazioni convettive ci concentreremo in periodi in cui, come abbiamo visto, le temperature interne ed esterne siano il più possibile diverse; per studiare le circolazioni barometriche punteremo invece a periodi di rapidissima variazione di pressione e così via. L'obiettivo, insomma, è quello di evitare i periodi di transizione nei quali i parametri si accoppiano in modo complesso mescolando gli effetti macroscopici che possiamo osservare.

Cosa osservare. Intanto, è ovvio, le correnti d'aria, producendone delle mappe. Per quel che è possibile si dovrà curare di specificare:

temperatura esterna approssimativa (abbiamo già visto che deve essere nettamente diversa da quella interna);

verso delle circolazioni d'aria nella galleria;

portata approssimativa;

Ma sottolineiamo che nelle gallerie ampie è indispensabile verificare velocità e verso di circolazione a varie quote.

Accanto alla mappa delle correnti convettive forse potrebbero essere utili quelle delle circolazioni barometriche. Si tratta, in sostanza, di fare misure in periodi in cui la temperatura interna somigli alla esterna, in modo che la convezione nella montagna sia quasi spenta, e in cui la pressione varia sensibilmente. Le variazioni di quota di un altimetro posizionato in un punto fisso ci diranno le variazioni di pressione e queste le correleremo al respiro del sistema ipogeo. Con misure simultanee o quasi sui vari ingressi (portata e velocità) potremo riuscire a dare una valutazione del volume del sistema ipogeo.

Ora passiamo alle valutazioni termometriche. È interessante sapere quale è la temperatura di una grotta ad una certa quota, ma ancora più interessante è sapere come essa varia con la quota. Perciò all'inizio ci accontenteremo di sapere quale sia la temperatura in un certo punto, poi sarà bene dare insiemi di misure intervallate di trenta- cinquanta di metri di dislivello, non di più. L'andamento della curva temperatura-quota ci permetterà di sapere se in quella diramazione domini l'acqua o l'aria e se, soprattutto, ci sono arrivi di altre colonne d'aria, cioè altre diramazioni.

È pure indispensabile la misura parallela delle temperature di aria ed acqua. In genere l'aria è più calda dell'acqua (non sempre) e come detto in precedenza crediamo che ciò sia legato a meccanismi speleogenetici in corso. Benchè non ci sia ancora un sicuro modello interpretativo di questi dati sappiamo che si tratta di dati molto importanti.

Collegata a questa differenza di temperatura (o alle correnti d'aria?..) sta la presenza di acqua di condensazione sulle pareti: che le pareti siano brillanti di veli d'acqua o asciutte, che vi scorra un velo d'acqua od essa sia ferma negli interstizi. Come abbiamo scritto all'inizio del Capitolo 9 queste cose sono il più probabile segnale di attività della grotta; è fondamentale e va notato.



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