11 – Il ciclo idrologico Corso di “Geografia fisica” Scuola di Scienze e Tecnologie L-32 / L-34 – Scienze geologiche, dell’ambiente e della natura Corso di “Geografia fisica” Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci 11 – Il ciclo idrologico

Il ciclo idrologico Il ciclo idrologico è la successione di fenomeni di flusso e circolazione dell’acqua (in qualsiasi stato fisico) sulla Terra (Litosfera e Idrosfera) e nella sua Atmosfera. Nella sua versione più banale abbiamo l’evaporazione dagli oceani che dà luogo alle nubi da cui provengono le precipitazioni la cui acqua, scorrendo in superficie o in profondità, torna agli oceani. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Il ciclo idrologico In realtà, il ciclo idrologico è più complesso, includendo i “cicli brevi” (per es. acqua meteorica che cade sull’oceano o pioggia che evapora scendendo nell’atmosfera), l’evaporazione sui continenti, la traspirazione attuata dalla vegetazione, gli immagazzinamenti temporanei ecc. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

E + T + D + I = P Il bilancio idrologico Le componenti principali del ciclo idrologico per una porzione di territorio sono: Precipitazione P (acqua che effettivamente raggiunge la superficie terrestre); Evaporazione E (acqua ceduta dall’atmosfera per evaporazione) Traspirazione T (acqua ceduta all’atmosfera dalla traspirazione della vegetazione) Deflusso superficiale D (acqua che scorre in superficie) Infiltrazione I (acqua che penetra in profondità nel sottosuolo e vi scorre) Il bilancio idrologico prevede in teoria che, a medio termine E + T + D + I = P Quando questa condizione non è verificata significa che il territorio cede o acquisisce acqua da territori circostanti. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Precipitazioni e bilancio idrologico Nel bilancio idrologico vanno prese in considerazione solo le precipitazioni efficaci, ovvero la quantità d’acqua che realmente cade al suolo, in genere minore della quantità ceduta dalle nubi (visto che una parte spesso evapora prima di toccare il suolo, soprattutto nelle aree più calde). Per le precipitazioni nevose (e marginalmente per la grandine) bisogna poi tener conto del ritardo con cui quest’acqua viene liberata (allo stato liquido) sulla superficie terrestre, della tendenza all’accrescimento o allo scioglimento dei ghiacciai e dell’eventuale rilascio diretto di ghiaccio agli oceani (banchisa). Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Evaporazione e Traspirazione L’evaporazione da corpi idrici può essere valutata abbastanza bene prendendo in considerazione la temperatura dell’acqua (abbastanza costante a breve termine) e l’umidità relativa dell’aria. Più complessa è la valutazione dell’evaporazione dai suoli, dato che la sua entità dipende dalla temperatura del suolo, che a sua volta dipende anche dall’insolazione (variabile a breve termine), dal suo contenuto d’acqua, dal suo albedo (che dipende anche dall’umidità del suolo) e dalla sua porosità. In genere, solo l’acqua presente nella porzione più alta del suolo (circa 30 cm) può evaporare. La traspirazione da parte della vegetazione terrestre è di ancor più complessa valutazione, dato che dipende anche dall’attività della pianta (che a sua volta dipende dalla tipologia della pianta, dalla sua dimensione, dall’insolazione, dalla temperatura dell’aria, dalla fase fenologica, dalla disponibilità d’acqua alle radici ecc.). In genere, evaporazione e traspirazione sono sommate nell’Evapotraspirazione (ET). Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Scorrimento e infiltrazione L’acqua che cade su un pendio (a parte una minima quantità che evapora in brevissimo tempo) viene in parte assorbita dal suolo e in parte ruscella sulla sua superficie seguendo il gradiente dell’energia potenziale. La proporzione tra acqua che si infiltra e acqua che defluisce in superficie dipende soprattutto dalla presenza (e continuità) di spazi liberi in cui l’acqua può scendere (porosità) tra le particelle solide che compongono il terreno. A parità di porosità, il tasso di infiltrazione diminuisce quando parte di questi spazi sono già riempiti di acqua; ovviamente, piogge più intense tendono a riempire più rapidamente questi spazi in superficie, dato che l’acqua ha bisogno di tempo per infiltrarsi in profondità e liberare gli spazi per i nuovi apporti. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Porosità e permeabilità La presenza di vuoti in un terreno (porosità) influisce fortemente sulla sua permeabilità (ovvero la capacità di farsi attraversare dall’acqua). I materiali granulari (incluse le rocce clastiche in cui il cemento non riempie completamente i vuoti tra i granuli) hanno porosità e permeabilità primaria (dato che è una loro caratteristica fin dalla genesi). I terreni compatti fratturati (ad esempio dalla tettonica) presentano invece porosità e permeabilità secondaria (dato che le discontinuità sono sopraggiunte dopo la loro genesi). I terreni che non posso essere attraversati dall’acqua sono detti impermeabili. La permeabilità dipende dalla frequenza, dimensione e continuità dei vuoti. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Acqua nel terreno In un terreno poroso saturo, nelle discontinuità è presente acqua, classificata in 4 tipi. - Acqua gravifica (nei vuoti maggiori: scende verso il basso spinta dalla gravità); Acqua pellicolare (nei vuoti di dimensioni capillari: rimane aderente alle superfici delle discontinuità per tensione superficiale, ma può essere utilizzata dalle piante tramite le radici); Acqua igroscopica (aderente ai minerali; non può essere utilizzata dalle piante); - Acqua strutturale (legata chimicamente o strutturalmente ai minerali: può essere estratta solo ad alte temperature). Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Acqua nel suolo e vegetazione Per quanto riguarda lo sfruttamento dell’acqua nel suolo da parte della vegetazione, possono essere individuate due soglie notevoli, che dipendono soprattutto dalle caratteristiche tessiturali del suolo: Capacità di ritenuta: è il contenuto d’acqua pellicolare in un suolo completamente drenato (in genere, dopo 2-3 giorni dalle piogge). Punto di avvizzimento: è il contenuto d’acqua non disponibile per la vegetazione (igroscopica e strutturale). Capacità di ritenuta Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Evapotraspirazione potenziale L’evapotraspirazione (ET) è il fenomeno per cui l’acqua nel terreno torna sotto forma di vapore all’atmosfera direttamente (per evaporazione) o indirettamente trammite la vegetazione (assorbimento da parte delle radici, sollevamento lungo il fusto e traspirazione attraverso le foglie). L’evapotraspirazione potenziale (ETP) è la misura di quanta acqua potrebbe essere restituita sotto forma di vapore se il suolo fosse sempre saturo e dipende soprattutto dall’insolazione, e quindi dalla temperatura dell’aria (che a loro volta influenzano l’attività della vegetazione, e quindi la loro traspirazione). L’ETP è quindi massima nei mesi più caldi e minima nei mesi più freddi (andando a zero se la temperatura è minore di 0°C). Ovviamente, l’ETP è minore dell’ET se per un lasso di tempo il suolo non è saturo. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Ciclo dell’acqua nel suolo Quando l’infiltrazione è maggiore dell’ETP si ha eccedenza idrica, per cui ET = ETP. Quando per un periodo di tempo i suoli non hanno abbastanza acqua da consentire la massima ET possibile, si ha un deficit dell’acqua nel suolo (ETP < ET). Questo deficit viene colmato (fase di ricarica) quando la temperatura scende (diminuendo l’ETP, ovvero il fabbisogno di acqua, al di sotto della disponibilità) e/o le precipitazioni aumentano (aumentando la disponibilità fino a superare l’ETP). Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Regimi dell’acqua nel suolo La presenza, durata e ubicazione stagionale delle fasi di eccedenza, deficit e ricarica dipendono ovviamente dalle caratteristiche climatiche (temperatura e precipitazioni) locali, che influenzano anche la tipologia e fenologia delle specie vegetali presenti. Per semplicità, nel valutare la disponibilità d’acqua nel suolo si usa direttamente il dato relativo alle precipitazioni, anche se la percentuale di acqua che si infiltra dipende dalle caratteristiche del suolo e dal regime delle precipitazioni. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Frangia capillare Quando in un suolo le discontinuità capillari in grado di trattenere l’acqua pellicolare sono interconnesse, la suzione delle radici in prossimità della superficie può riportare verso l’alto anche l’acqua presente nelle discontinuità più profonde, riuscendo quindi a sfruttarla. Lo strato caratterizzato da questo tipo di porosità viene detto frangia capillare. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Frangia capillare Quando in un suolo le discontinuità capillari in grado di trattenere l’acqua pellicolare sono interconnesse, la suzione delle radici in prossimità della superficie può riportare verso l’alto anche l’acqua presente nelle discontinuità più profonde, riuscendo quindi a sfruttarla. Lo strato caratterizzato da questo tipo di porosità viene detto frangia capillare. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Falde freatiche L’acqua gravifica nei terreni permeabili scende sempre più in profondità finché un livello impermeabile non ne blocca la discesa. In questo modo, al di sopra di un livello impermeabile si viene a creare uno spessore più o meno spesso di terreni permeabili saturi in acqua, detto falda freatica, il cui limite superiore, detto superficie freatica, varia in funzione del ciclo delle piogge. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Falde artesiane Quando una falda freatica si trova lateralmente ad essere ricoperta da un ulteriore livello impermeabile, l’acqua al suo interno è sottoposta alla pressione della colonna d’acqua sovrastante. Questo tipo di falda è detta artesiana. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Circolazione profonda Anche l’acqua contenuta nelle falde idriche è soggetta alla forza di gravità, per cui tenderà a fluire verso il basso, riemergendo in un punto a minore energia potenziale. Di conseguenza, l’andamento delle superficie freatica tende di norma a seguire direzione e verso della superficie topografica “lisciata”. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Cuneo salino Al di sotto del mare, i terreni permeabili sono saturi di acqua salata. In prossimità dei margini delle terreferme, la falda di acqua dolce e quella salata sono a contatto; dato che l’acqua dolce è più leggera, la falda freatica tenderà a galleggiare sopra quella marina, che in genere formerà un tipico cuneo salino. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Cuneo salino Al di sotto del mare, i terreni permeabili sono saturi di acqua salata. In prossimità dei margini delle terreferme, la falda di acqua dolce e quella salata sono a contatto; dato che l’acqua dolce è più leggera, la falda freatica tenderà a galleggiare sopra quella marina, che in genere formerà un tipico cuneo salino. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci