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2.3 ---- SUPERFICIE SPECIFICA DELLA NEVE SUPERFICIE SPECIFICA DELLA NEVE SUPERFICIE SPECIFICA DELLA NEVE SUPERFICIE SPECIFICA DELLA NEVE
La superficie specifica della neve (SSA) è definita come il rapporto tra l’area e la massa del fiocco di neve ed è espressa in cm2/g.
SSA= S/ SSA= S/ SSA= S/
SSA= S/ρsnowsnowsnowsnowV (1)V (1)V (1)V (1)
Dove S e V sono rispettivamente la superficie e il volume della neve, ρsnow la densità.
E’ stato trovato sperimentalmente che la SSA di un fiocco di neve tende a diminuire con il tempo (Legagneux et al., 2002); si avrà, dunque, il massimo di SSA nel fiocco in caduta mentre se ne osserverà una diminuzione andando dalla superficie del manto agli strati più profondi di questo. Ciò è causato, com’è stato già osservato in precedenza, dalle
modificazioni strutturali che il cristallo subisce dopo la sua deposizione (metamorfismo della neve).
La dinamica della diminuzione della SSA del cristallo nel tempo è influenzata da numerosi parametri quali per esempio: temperatura, ventilazione, permeabilità, umidità relativa, aumento di densità, ecc…
La misura di questo parametro può essere descritta, in particolare, con tre equazioni matematiche diverse e qui di seguito riportate (Cabaneset al., 2003) :
SSA=SSASSA=SSASSA=SSASSA=SSA0000----αlinlinlinlint t ((((2)t t 2)2)2)
SSA=SSA SSA=SSA SSA=SSA SSA=SSA0000 exp( exp( exp( exp(----αexpexpexpexpt)t)t)t) (3)(3)(3) (3) SSA= SSA= ----αSSA= SSA=
log log log
log log t + SSA log t + SSA log t + SSA log t + SSA1111 t t t t (4)(4)(4) (4)
Con:
SSA0 = SSA del fiocco appena caduto
SSA1 = SSA dopo l’unità di tempo
αexp, αlin, αlog = costanti di tempo
La scelta di utilizzare un’equazione piuttosto che un’altra è strettamente legata al tipo di trasformazione fisica che si deve investigare (lo strisciamento, per esempio, è descritto bene con l’equazione 2) ed al luogo in cui sono effettuate le misure sperimentali (il caso di Col de Port analizzato nel presente studio, per esempio,segue meglio l’equazione 3) (Cabanes et al., 2003). Le equazioni sopra mostrate sono state formulate considerando minima l’influenza del vento che abbiamo visto essere, nella realtà, un parametro importante per il metamorfismo e, quindi, per la SSA. Un altro parametro che influenza il metamorfismo è la temperatura in quanto è alla base dei processi di sublimazione/condensazione della neve ed è legata ad essi da proporzionalità inversa. Mettendo in relazione Ln αexp e 1/T e
considerando che i processi attivati termicamente (il metamorfismo è uno di questi) obbediscono alla legge di Arrhenius:
K=A exp( K=A exp( K=A exp(
αexpexpexpexp= 76,6 exp (= 76,6 exp (= 76,6 exp (= 76,6 exp (----1708/T1708/T1708/T1708/T) (6) (6) (6) (6)
con T espresso in Kelvin.
Tuttavia, anche questa equazione è affetta da approssimazioni; infatti, anche in questo caso, non si tiene conto di numerosi altri parametri, come: l’aumento della densità della neve causata dal vento, il peso degli strati successivi e la permeabilità che interessa il movimento del vapore acqueo durante la stratificazione della neve e quindi le trasformazioni del cristallo. È difficile, dunque, poter tenere conto con un modello o con un’equazione matematica di tutti i parametri ambientali che influenzano i processi di trasformazione del manto nei vari strati che lo compongono. Quindi, le equazioni matematiche che descrivono questi processi saranno sempre affette da approssimazioni più o meno lievi.
2.3.1
2.3.1
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2.3.1
Misura della superficie specifica della neve (SSA) Misura della superficie specifica della neve (SSA) Misura della superficie specifica della neve (SSA) Misura della superficie specifica della neve (SSA)
La SSA della neve è stata misurata registrando l’isoterma di adsorbimento di CH4 sulla neve
alla temperatura dell’ N2 liquido (77K) (Legagneux et al., 2002). In figura 2.3.4a sono
mostrati uno schema dell’apparecchiatura usata per la misura e l’isoterma tipica di adsorbimento del CH4 (figura 2.3.4b). I campioni di neve sono stati posti in fiale di vetro e
conservati in N2 liquido fino al trasferimento al LGGE (Laboratorie de Glaciologie et
Figura2.3.4 Figura2.3.4 Figura2.3.4
Figura2.3.4 –––– a)
Principio dell’ impianto volumetrico usato per misurare la superficie
specifica della neve;
b)Esempio di isoterma d’adsorbimento del metano ottenuto dal
metodo volumetrico (Legagneux et al., 2002).
Le misure effettuate sono molto delicate ed hanno richiesto tempo per la loro realizzazione. La scelta di utilizzare l’isoterma di CH4 invece di quella di N2 è dovuta al fatto che la sua
pressione di saturazione è P0=12,77 mbar e quindi può essere trattato come un gas ideale.
Il metano è introdotto nel volume Vi e viene registrata la sua pressione con un manometro
di capacità; dalla legge dei gas perfetti, si ricava il numero di molecole ni.
PPPPiiiiVVVViiii=n=n=n=niiiiRTRTRTRT
Successivamente il metano viene espanso nel volume Ve, che contiene la neve a 77 K
(Dominè, 2001, Cabanes et al., 2001). Viene registrata la pressione Pe che permette di
ricavare, con la legge dei gas perfetti, il numero di molecole ne ed il numero di molecole
adsorbite sulla neve (ni-ne) alla pressione di equilibrio Pe.
La quantità di metano è man mano incrementata in modo da ottenere un’isoterma di adsorbimento.
Dopo aver registrato l’isoterma di adsorbimento viene applicato il trattamento BET (dedotto da S. Brunauer, P. Emmett e E. Teller; Velumapalli, 1993) in cui si considera che l’iniziale strato di adsorbito possa fungere da ulteriore strato di adsorbimento. In questo caso, infatti, l’isoterma non si appiattisce al valore di saturazione a pressione elevata, ma continua ad innalzarsi all’ aumentare della pressione applicata (Vedi Figura 2.3.4 b).
L’isoterma più ampiamente utilizzata per descrivere questo tipo di adsorbimento multistrato è quella definita come isoterma BET (2):
(2)(2)(2) (2)
Dove P e P0 sono rispettivamente la pressione e la pressione di vapore saturo del CH4, n è il
numero di molecole adsorbite in equilibrio con P, nm è il numero di molecole quando il
monostrato è completo e C è la costante BET relativa al calore BET netto di adsorbimento, ∆Q, dato da: RTln C = ∆Q.
Dal coefficiente angolare e l’intercetta del diagramma BET è possibile ricavare C e, quindi, calcolare ∆Q e nm, da cui si può dedurre l’area di superficie una volta nota l’area di una
molecola. Come area di una molecola di metano è stato adottato il valore di 19,18 Å2
(Chaix et al., 1996).
2.4
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–––– MISURE FISICHE DELLA NEVE MISURE FISICHE DELLA NEVE MISURE FISICHE DELLA NEVE MISURE FISICHE DELLA NEVE
Come illustrato nei paragrafi precedenti, il manto nevoso si forma per stratificazione di successive precipitazioni di neve fresca; i diversi strati si distinguono tra loro per caratteristiche geometriche e strutturali uniche e, in particolare, per una superficie specifica differente. Prima dell’inizio dei campionamenti sono state effettuate misure preliminari per determinare lo spessore del manto nevoso da prelevare. Prima di ogni misura è stata, inoltre, registrata la temperatura atmosferica e, nel caso in cui questa abbia assunto un valore pari a 0°C, i diversi campionamenti sono stati effettuati rapidamente per scongiurare la fusione delle particelle o un metamorfismo del manto superficiale. Sono state, quindi, osservate e catalogate le forme e le grandezze dei grani del manto.
In seguito a queste osservazioni preliminari, è stata misurata, con un picnometro, la densità della neve. Sono stati prelevati 2 campioni da 100 ml ciascuno di cui il primo è stato utilizzato per effettuare misure di SSA ed il secondo per macrofotografare i cristalli di neve.