il cicloidrologico&lasuamisura

Un Introduzione all’Idrologiaper il corso di Costruzioni Idrauliche

Riccardo Rigon

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ycle

Tuesday, February 26, 13

2

S'incomincia con un temporale. ...

Erano rotolii, onde che finivano in uno sbuffo: rumori noti,

cose del paese. Tutto quello che abbiamo qui è movimentato,

vivido, forse perché le distanze sono piccole e fisse come in

un teatro. Gli scrosci erano sui cortili qua attorno, i tuoni

quassù sopra i tetti; riconoscevo a orecchio, un po' più in su,

la posizione del solito Dio che faceva i temporali quando noi

eravamo bambini, un personaggio del paese anche lui. Qui

tut to è come intensif icato , quest ione di scala

probabilmente, di rapporti interni. La forma dei rumori e

di questi pensieri (ma erano poi la stessa cosa) mi è parsa per

un momento più vera del vero, però non si può più rifare con

le parole.

Luigi Meneghello - Incipit di “Libera Nos A Malo”

Introduzione

R. Rigon


3

Obiettivi

Introduzione

R. Rigon


3

Obiettivi

•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:

Introduzione

R. Rigon


3

Obiettivi


•Quali sono gli elementi del ciclo idrologico

Introduzione

R. Rigon


3

Obiettivi



•Le scale spaziali e temporali coinvolte

Introduzione

R. Rigon


3

Obiettivi




•Il bilancio di massa e di energia su scala globale

Introduzione

R. Rigon


3

Obiettivi




•Il bilancio di massa e di energia su scala globale

•La curva di Budyko

Introduzione

R. Rigon


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Il ciclo Idrologico

L’acqua sulla Terra fluisce dall’atmosfera al suolo, e quindi nei fiumi verso il

mare per poi ritornare verso l’atmosfera:

l’ idrologia e’ la scienza che studia questi flussi, il ciclo idrologico, e le riserve

d’acqua

R. Rigon

Introduzione


5

Il ciclo Idrologico

I flussi dall’atmosfera alla superficie terrestre si chiamano precipitazioni.

L’acqua giunta al suolo si infiltra e defluisce all’interno del suolo (i deflussi

sono allora detti laterali ) oppure ruscella in superficie.

Contemporaneamente agisce l’evaporazione dai suoli, dalle superfici idriche

e la traspirazione dalle piante e dagli animali (in una parola:

l’evapotraspirazione). Infiltrazione ed evapotraspirazione costituiscono

i flussi verticali.

R. Rigon

Introduzione


6

Distribution of Water on Earth

3%2%

95%

Oceans

Saline groundwater & lakesFresh

How much ?

K. Caylor


7


0.34%

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Ice & SnowGroundwaterSurface Water

3%2%

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Oceans


How much ?

K. Caylor


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Surface water is only 0.34%

of all fresh water

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Ice &

Snow

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14%

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Soil moisture

Lakes, Wetlands, & Rivers

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Ice &

Snow

0.34%

30%

70%



3%2%

95%

Oceans


Soil moisture is 0.001% of all water.Provides for all agricultural food production and

sustains all terrestrial ecosystems

14%

86%

Soil moisture

Lakes, Wetlands, & Rivers

How much ?

K. Caylor


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Collocazione Area coperta Volume % % delle acque[106km2] [106km3] dolci

Oceani 361.300 1.338 96.5 -Acque di falda 134.8 23.4 1.7 -Acque di falda dolci 10.530 0.76 30.1Umidita del suolo 82 0.0165 0.001 0.05Ghiacci e neve perenni 16.2275 24.0641 1.74 68.7Antartico 13.980 21.600 1.56 61.7Groenlandia 1.8024 2.340 0.17 6.68Isole artiche 0.2261 0.0835 0.006 0.24Aree montane 0.224 0.0406 0.003 0.12Permafrost 21 0.3 0.022 0.86Acque nei laghi 2.0587 0.1764 0.013 -Acque dolci nei laghi 1.2364 0.091 0.007 0.26Acque salate nei laghi 0.8223 0.0854 0.006 -Lagune e paludi 2.682.6 0.01147 0.0002 0.006Acque nei fiumi 148.8 0.00212 0.0002 0.0006Acqua negli esseri viventi 510 0.0012 0.0.0001 0.0003Acqua nell’atmosfera 510 0.0129 0.001 0.04Totale d’acqua 510 1385.98561 100 -Totale d’acqua dolce 148.8 35.02921 2.53 100

In tabella con bibliografia

Dati tratti da: Distribuzione delle risorse idriche mondiali (Global Change in the Geosphere-Biosphere, NRC, 1986, Shiklomanov and Skolov (1983). Ma si vedano anche:Oki et al., 2001; Shiklomanov, I. A., 2000; Vorosmarty et al., 2000; Hanasaki et al., 2006

How much

R. Rigon


12

sostiene la vita sulla Terra

plasma la superficie della Terra

regola il clima

Il motore dei cicli idrologici sono la radiazione solare che produce nell’atmosfera

e all’interno della suolo i gradienti di temperatura, pressione, densità e i

cambiamenti di fase dell’acqua; la forza di gravità; le tensioni supeficiali;

numerose forze di origine elettrochimica.

Il ciclo Idrologico

Introduzione

R. Rigon


13

Ma ...

A. Kleidon

Osservando i nostri pianeti vicini

Venere Terra Marte

96.5% CO2

3.5% N2

93.5% CO2

2.7% N278 % N2

31% O2


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La vita presente sulla Terra influenza la composizione dell’atmosfera e dell’idrosfera

A. Kleidon

Len

ton

, T.,

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La distribuzione dei gas in atmosfera è forse mantenuta tale dal fatto che la Terra ospita specie viventi ?

Figure 1 The effect of life on the Earth’s atmosphere. a, Atmospheric compositions of Earth, Mars and Venus (excluding water vapour and noble gases). b, Estimated fluxes of gases at the Earth’s surface in teramoles (1012 moles) per year, with (pre-industrial) life and without life.


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Quindi

Si può forse congetturare che, viceversa, anche

•i cicli idrologici come li vediamo oggi sono il risultato della presenza della

vita sulla Terra

R. Rigon

La vita presente sulla Terra influenza la composizione dell’atmosfera e dell’idrosfera


Figu

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31

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Il ciclo Idrologico

Introduzione

R. Rigon


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6

Il buon vecchio ciclo idrologico

R. Rigon

RFWR


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Un aspetto rilevante

E’ che solo una parte dell’acqua presente può essere utilizzata

da ecosistemi e uomini.

Questa parte della risorsa viene di solito denominata

•Renewable Freshwater resources (RFWR), acqua dolce rinnovabile

Può questa parte della risorsa soddisfare i bisogni umani ?

RFWR

R. Rigon


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Oki

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6


R. Rigon

RFWR

R. Rigon


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R. Rigon

RFWR


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R. Rigon

RFWR

La maggior parte della RFWR è costituita della portata dei fiumi


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6


R. Rigon

RFWR


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Blue Water

Green Water

White Water

Blue Water: acque superficiali e sotterranee

Green Water: acqua nel suolo, disponibile per le piante

White Water: just atmospheric water

RFWR

R. Rigon


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12

RFWR

R. RigonR. Rigon


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Non è ovviamente, l’unico modo di guardare all’acqua

E’ importante prevedere e prevenire eventi estremi

R. Rigon

Eventi Estremi


Misura e Rappresentazione delle

Grandezze Idrologiche

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Riccardo RigonTuesday, February 26, 13

“ L'uomo è la misura di tutte le cose, di quelle che sono in quanto sono e di quelle che non sono in quanto non sono* ”

Protagora, fr.1, in Platone, Teeteto, 152a


http://it.wikipedia.org/wiki/Platone

http://it.wikipedia.org/wiki/Platone

http://it.wikipedia.org/wiki/Teeteto

http://it.wikipedia.org/wiki/Teeteto

28

* La misura invece cerca di stabilire delle procedure con le quali

assegnare un grado di oggettività, sia pure empirica, a quanto visto,

legato alla ripetibilità di quanto fatto ed ottenuto.

La misura

Io stimo di più il trovar un vero, benché di cosa leggera, che 'l disputar lungamente delle massime questioni senza conseguir verità nissuna.

Galileo Galilei Scritti letterari

Per quanto “naturale” ci sembri oggi il concetto di misura, esso è

invece il frutto di una evoluzione culturale durata secoli, e la

misurazione come la intendiamo oggi è un fatto relativamente recente

La misura


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Diamo qui per scontato che ciascuno degli uditori abbia chiaro il

concetto di misura (altrimenti, p.e. Agnoli, 2004, 2006, http://en.wikipedia.org/wiki/

History_of_measurement )Con la consapevolezza che praticamente ogni parola delle frasi

seguenti andrebbe spiegata:

“Ad ogni grandezza fisica si deve, almeno in linea di principio, poter assegnare un valore numerico in modo univoco ed oggettivo, cioe' riproducibile nelle stesse condizioni da qualsiasi osservatore; valore pari al rapporto fra la grandezza stessa e l'unita' di misura per essa prescelta (Loreti, 2006)”.

Misura ciò che è misurabile, e rendi misurabile ciò che non lo è.Galileo Galilei

La misura


http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_measurement

http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_measurement

30

“Per eseguire tale associazione dobbiamo disporre di

strumenti e metodi che ci permettano di mettere in relazione

da una parte la grandezza da misurare, e dall'altra l'unita' di

misura (oppure multipli o sottomultipli di essa); e ci dicano se

esse sono uguali o, altrimenti, quale delle due e' maggiore.”

Misure dirette

La misura si dice diretta quando si confronta direttamente la

grandezza misurata con l'unita' di misura (campione) o suoi

multipli o sottomultipli; per esempio la misura di una

lunghezza mediante un regolo graduato e' una misura diretta.

E' una misura diretta anche quella effettuata mediante l'uso di

strumenti pretarati (ad esempio la misura della temperatura

mediante un termometro), che si fonda sulla proprieta' dello

strumento di reagire nella stessa maniera quando viene

sottoposto alla medesima sollecitazione.

(Lore

ti, 2

00

6)

La misura


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Misure indirette sono invece quelle in cui non si misura la

grandezza che interessa, ma altre che risultino ad essa legate da

una qualche relazione funzionale; cosi' la velocita' di

un'automobile puo' essere misurata direttamente (tachimetro) o

indirettamente, misurando spazi percorsi e tempi impiegati dai

quali si risale poi alla velocita' (media) con una operazione

matematica.

Misure indirette

(Lore

ti, 2

00

6)

La misura


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Le misure idrologiche

•Altezza di precipitazione (pioggia, neve ..)

• Durata della precipitazione

• Altezza idrometrica

• Infiltrazione

• Deflussi (superficiali, nei suoli, nelle acque sotterranee)

• Evapotraspirazione

• Velocità del vento

• Temperature

• Conducibilità idraulica

• Tessitura del suolo

• Contenuto d’acqua (e ghiaccio) del suolo

• Pressione dell’acqua

• Pressione di vapore

..........

(Esempi)

La misura


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Sequenza caratteristica di una misura idrologica

Grandezza idrologicaes. precipitazione

Rilevamento

Registrazione

Intensità del fenomeno, segnale osservabile

Su carta o su supporto informatico

Alcuni Casi Tipici

Stefano Orlandini


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Trasmissione

Conversione

Controllo

Ad un centro di acquisizione

Dai formati dello strumento alle

grandezze

Eliminazione degli errori, interpolazione dei dati mancanti, etc

Alcuni Casi Tipici

Stefano Orlandini


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Archiviazione

Recupero

Utente finale

Su vari supporti, oggi su database

Dal database

Alcuni Casi Tipici

Stefano Orlandini


Fattori che controllano le grandezze idrologiche

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I dati idrologici hanno andamenti complessi


I cicli idrologici sono controllati da fattori innumerevoli: sono dipendenti

da innumerevoli gradi di libertà.

Solo una piccola porzione di questi fattori può essere presa in

considerazione, mentre la parte rimanente deve essere modellata come

condizione al contorno o rumore di fondo” (tale rumore viene modellato o

eliminato con strumenti statistici).

Spesso infatti l’idrologo registra eventi e non è in grado di effettuare

esperimenti controllati (il laboratorio è il mondo).

Fattori che controllano le grandezze idrologiche

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37


Le dinamiche sono complesse


37

La dinamica dei cicli idrologici è non lineare. Sono non lineari sia

l'idrodinamica che la termodinamica dei processi che coinvolgono anche

numerose transizioni di fase. Un'altra caratteristica non lineare è che

molti processi sono attivati in dipendenza dal superamento di un valore di

soglia di una quantità regolatrice.

Per esempio: la condensazione del vapore d'acqua in gocce di pioggia

avviene quando l'umidità dell'atmosfera eccede la saturazione; le frane si

innescano quando la forza d'attrito all'interno dei materiali è superata dalla

spinta dell'acqua all'interno dei meati del suolo; l'inizio dei canali della rete

idrografica per effetto dell'acqua che scorre sul suolo quando si supera un

certo valore forza per unità di superficie.




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La dinamica include processi che sono linearmente instabili: per

esempio l'instabilità baroclinica che guida i processi meteorologici alle

latitudini medie.

38




39


I processi sono dissipativi


39

Le dinamiche climatiche ed idrologiche sono dissipative ovvero

implicano il trasferimento di energia meccanica e la sua trasformazione

in energia termica. I processi idrodinamici turbolenti trasportano

energia dalle scale spaziali più grandi a quelle più piccole nelle quali

l'energia è dissipata per attrito. Fenomeni ondulatori di vario tipo (per

esempio onde di gravità) trasportano l'energia contenuta nell'aria e

nell'acqua.


I processi sono dissipativi


40

E dominati da eterogenetà



40

E dominati da eterogenetà

I processi idrologici sono eterogenei. Ciò significa che i

processi stessi sono regolati da parametri che variano

irregolarmente da punto a punto. La conoscenza di tali

parametri è pertanto possibile solo con una certa

incertezza.



La serie temporale delle precipitazioni

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Alcuni Casi Tipici


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Epilogo

delle variabili idrologiche è complessa e da risposte

complesse.

•Ogni rappresentazione di tali risposte mette in evidenza

degli elementi particolare del processo.

•La rappresentazione dipende anche da che cosa si vule

conoscere e si ritiene importante

•I dati costano e devono venire archiviati in modo da essere

fruiti facilmente

•I dati sono essi stessi modelli della realtà e non possono

essere creduti con assoluta certezza

La misura


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E quindi


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Grazie per l’attenzione


il cicloidrologico&lasuamisura

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