Il ciclo dell’acqua LM-75: 2017/2018 SCIENZE E TECNOLOGIE PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO Il ciclo dell’acqua Prof. Micòl Mastrocicco E-mail: micol.mastrocicco@unicampania.it Tel: 0823 274609 Cell: 349 3649354

Definizione Il ciclo idrologico è l’insieme di tutti i fenomeni legati all’acqua nel suo naturale movimento: “... da cui si può concludere come l'acqua vada dai fiumi al mare e dal mare ai fiumi, quindi costantemente circolando e tornando e, come tutti i mari e i fiumi siano passati infinite volte dalla foce del Nilo ...” (Leonardo da Vinci, 1487). Il  ciclo idrologico mette in comunicazione l’atmosfera, le terre emerse e gli oceani. La stretta connessione tra le componenti del ciclo idrologico è stata evidenziata solo a partire dal XVII secolo. Newton (1642-1727), pur avendo studiato la meccanica dei fluidi, non sapeva come sorgevano e come venivano alimentati i corsi d’acqua. Ad ogni ciclo la molecola d’acqua viene sottoposta a cambiamenti di stato (vapore > liquido > solido). Il ciclo dell’acqua si studia per domini decrescenti: globo >> continenti ed oceani >> sistemi idrogeologici. Per ogni dominio vanno considerati 2 aspetti: QUANTITÀ d’acqua immagazzinata RINNOVAMENTO tramite scambio e circolazione Le prime misurazioni delle variabili idrologiche (per definire le quantità in gioco) furono fatte in Cina nel 1000 a.C. mentre in occidente ebbero inizio nel XX secolo.

Per far funzionare il ciclo dell’acqua serve dell’energia I processi atmosferici sono innescati dall’energia termica proveniente dal Sole, quelli di formazione dei deflussi dalla forza gravitazionale. I parametri atmosferici rilevanti per la ricostruzione del ciclo idrologico sono: Radiazione solare - Insolazione - Temperatura e Pressione atmosferica - Umidità -Vento - Precipitazioni atmosferiche

Radiazione solare ed insolazione Per radiazione solare (J/m2 x sec) si intende la quantità di calore emessa dal Sole ed intercettata dalla Terra; la costante solare è la radiazione in arrivo al limite esterno dell’atmosfera 2 cal/cm2 x min’ Si distingue una radiazione diretta in arrivo alla superficie terrestre ed una radiazione diffusa prodotta dall’atmosfera riscaldata che irradia la superficie terrestre; quindi la radiazione globale è data da: radiazione diretta + radiazione diffusa Per controradiazione si intende quella prodotta dalla Terra e rimandata in atmosfera; quindi la radiazione ricevuta è data da: radiazione globale + controradiazione L’insolazione è data dalle ore del giorno di irraggiamento solare (durata del giorno) mentre la durata effettiva dell’insolazione è pari al numero di ore di presenza del Sole non oscurato

Temperatura La temperatura atmosferica quantifica l’effetto del calore rimanente in atmosfera (radiazione ricevuta). La temperatura in atmosfera non è uniforme poiché l’irraggiamento solare ha diverse intensità da zona a zona, in funzione della curvatura terreste. Inoltre la variabilità della superficie terrestre causa una diversa controradiazione. I gradienti termici inducono scambi di energia per riequilibrare il sistema e ciò genera lo spostamento di masse (per lo più nella troposfera) che assieme al moto di rotazione e rivoluzione terrestre sono il motore della circolazione atmosferica. Con l’aumento di quota si ha una progressiva diminuzione della temperatura (gradiente termico): Sino a 1000 m ΔT = -1°C/100 m; Oltre 1000 m ΔT = -2°C/100 m; poi ha alternanza e diminuzione di T (vedi figura) Possibili alterazioni sia naturali che antropiche : Eruzioni vulcaniche con rilascio di gas e particelle nella stratosfera Isola urbana di calore

Pressione La pressione totale è il peso della colonna d’aria per unità di superficie = Σ pressione parziale dei gas componenti l’atmosfera; si può avere una variazione della pressione atmosferica per aumento della quota e per variazione della temperatura atmosferica La pressione atmosferica varia da punto a punto della superficie terrestre e la sua distribuzione (isobare) determina la dinamica atmosferica L’aria calda si muove a quote superiori rispetto a quella fredda, ciò genera una pressione inferiore all’equatore e maggiore ai poli, quindi in generale le masse d’aria si spostano dall’equatore verso i poli. Il movimento rotazionale terreste fa inoltre deviare le masse d’aria in senso orario nell’emisfero N ed in senso antiorario in quello S (forze di Coriolis, che agiscono anche sulle masse oceaniche, che a loro volta agiscono sul clima data la grande inerzia termica). LE VARIAZIONI DI TEMPERATURA E PRESSIONE GENERANO I VENTI

Umidità e vento Il vento è definito come il movimento di masse d’aria generato dalla differenza di pressione atmosferica tra punti diversi della superficie terrestre; tale movimento è caratterizzato da Intensità (velocità o forza) e Direzione (verso di provenienza). Quando 2 masse d’aria a diversa temperatura e spostate dal vento si incontrano si genera un fronte e, in presenza di un certo tasso di umidità, si possono avere delle precipitazioni.

Umidità e vento Fronte freddo Fronte caldo Fronte occluso L’umidità rappresenta la presenza di vapore acqueo nell’atmosfera. I parametri per quantificarla sono: • Tensione di vapore: pressione parziale del vapore in atmosfera • Tensione saturante: tensione di vapore massima oltre la quale, ad una determinata temperatura, l’eccesso di vapore condensa • Deficit di saturazione: tensione saturante – tensione di vapore • Umidità assoluta: massa di vapore/volume d’aria secca • Umidità specifica: massa di vapore/massa totale di aria umida • Umidità relativa: tensione di vapore/tensione saturante (%) • Punto di rugiada: temperatura alla quale il vapore diventa saturante

Meccanismi del ciclo dell’acqua - 1 L'acqua evapora, sotto l'azione della radiazione solare, a partire dal terreno, dalla vegetazione e dagli specchi d'acqua, per poi essere trasportata, sotto forma di nubi di vapor d'acqua, dal movimento dell'atmosfera.   Le nubi, in particolari condizioni di temperatura e pressione, tendono quindi a ricondensarsi precipitando nuovamente al suolo o sugli specchi d'acqua sotto forma di piccole goccioline d'acqua o cristalli di neve.  Se la precipitazione è solida tenderà ad accumularsi sulla superficie fintanto che le condizioni di temperatura e radiazione non ne consentano la fusione o la sublimazione. Se invece la precipitazione è liquida si innesca un fenomeno piuttosto complesso che permette ai suoli di trattenere temporaneamente tutta o parte della precipitazione e che dipende da natura dei suoli, dalla vegetazione presente, dalle condizioni di umidità iniziale e dalle condizioni meteorologiche.

Meccanismi del ciclo dell’acqua - 2 L'acqua infiltrata al suolo verrà in parte richiamata dalle radici delle piante e rilasciata in atmosfera sotto forma di traspirazione, in parte drenata dal terreno verso valle ove vi sia un adeguato gradiente topografico, ed in parte andrà a ricaricare le falde sottostanti. La componente della precipitazione non infiltrata, dopo aver riempito le buche e gli avvallamenti superficiali tenderà a scorrere lungo le superfici e i piani inclinati fino a raggiungere un reticolo di rivoli e canaletti inizialmente effimeri ed intermittenti che si raccolgono via via in canali di dimensione sempre maggiore. L'insieme di tutti questi canali viene chiamato rete drenante. La rete drenante convoglia quindi le acque in canali, torrenti, fiumi sempre più grandi fino a finire nuovamente a valle verso i mari e gli oceani a chiusura del ciclo. Ai volumi transitanti nella rete drenante vengono poi a sommarsi, in tempi più o meno lunghi ed in funzione della permeabilità dei suoli incontrati, i volumi di drenaggio provenienti dai suoli non saturi in forma di deflusso ipodermico e dalle zone giunte a saturazione sotto forma di deflusso di falda

Il concetto di ciclo dell’acqua è molto semplice!

MODELLO CONCETTUALE DEL CICLO IDROLOGICO QUANTITÀ d’acqua immagazzinata RINNOVAMENTO tramite scambio e circolazione MODELLO CONCETTUALE DEL CICLO IDROLOGICO

La realtà è sempre più complicata dei modelli concettuali!

THE NATURAL WATER CYCLE

Cosa cambia?

Se l’abbiamo alterato una volta … possiamo farlo di nuovo!

Il bilancio idrologico Il bilancio idrologico è l’espressione quantitativa del ciclo idrologico e può essere formulato con riferimento ad un qualsiasi "volume di controllo" ovvero un elemento tridimensionale attraverso il quale avvengono i flussi in ingresso (afflussi) ed uscita (deflussi). In funzione degli obiettivi dell'indagine il volume di controllo può essere costituito da una parcella di terreno o da un versante, ma l'unità territoriale più idonea per l'indagine idrologica è quella del bacino. Esistono varie tipologie di bacino ma la distinzione principale è tra BACINI IDROGRAFICO (per le acque superficiali e BACINI IDROGEOLOGICO (per le acque sotterranee), che assieme vanno a costituire il BACINO IDROLOGICO.

Il bacino idrografico Il bacino idrografico (o bacino imbrifero) è l'area topografica (solitamente una valle o una pianura) delimitata da uno spartiacque topografico (orografico o superficiale) di raccolta delle acque che scorrono sulla superficie del suolo confluenti verso un corpo idrico recettore (fiume, lago o mare) che dà il nome al bacino stesso (es. "bacino idrografico del Po"). I bacini idrografici principali comprendono più sottobacini di pertinenza dei singoli affluenti.

Il bacino idrogeologico Un bacino idrogeologico è la frazione di bacino idrologico posta nel sottosuolo, delimitata da uno spartiacque freatico (o sotterraneo). Lo spartiacque sotterraneo non è così semplice da individuare; servono dettagliate indagini idrogeologiche per ricostruire il movimento delle acque sotterranee. Gli spartiacque sotterranei possono anche cambiare stagionalmente. In genere il bacino idrogeologico non coincide con il bacino idrografico.

Il bilancio idrologico     P = precipitazione, δQ = differenza tra deflusso superficiale entrante ed uscente dal sistema, δG = differenza tra deflusso sotterraneo entrante ed uscente dal sistema, E = evaporazione, T = traspirazione, δS = volume immagazzinato nel sistema

Equazione del bilancio idrologico Equazione del bilancio idrogeologico Volendo distinguere il contributo del bacino idrografico (deflusso superficiale) da quello del bacino idrogeologico (deflusso ipodermico e deflusso di falda) si può scrivere: Equazione del bilancio idrologico   P = precipitazione, Qin e Qout = volumi di deflusso superficiale che entrano ed escono dal bacino, rispettivamente, Qg = deflusso sotterraneo drenato dalla rete idrografica del bacino, Es evaporazione da specchi liquidi, ET= evapotraspirazione, I = infiltrazione, δSs = volume immagazzinato in superficie Equazione del bilancio idrogeologico   I = infiltrazione, Gin e Gout = volumi di deflusso sotterraneo che entrano ed escono dal bacino, rispettivamente, Qg = deflusso sotterraneo drenato dalla rete idrografica del bacino, δSg = volume immagazzinato nel sottosuolo

Apporti esterni e prelievi Gli apporti esterni costituiscono gli ingressi d'acqua che possono essere presenti alla frontiera del bacino; possono essere sia acque superficiali che sotterranee Per prelievi si intendono le portate emunte dalle stazioni di pompaggio che prelevano acqua dall'acquifero Altri prelievi sono le emergenze della falda, ossia le sorgenti ed altre strutture idrologiche drenanti come fiumi e laghi, che possono essere captati Un'altra fonte di ingresso od uscita dal bacino è costituita dai limiti al tetto e/o al letto dell'acquifero, che, se permeabili, possono drenare o perder acqua verso altri corpi idrici sotterranei. Questo processo si chiama leakage o fuga.

Restituzione grafica di un bilancio