Il cicloidrologico&lasuamisura
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Transcript of Il cicloidrologico&lasuamisura
Un Introduzione all’Idrologiaper il corso di Costruzioni Idrauliche
Riccardo Rigon
Susa
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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
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Obiettivi
Introduzione
R. Rigon
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Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
Introduzione
R. Rigon
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Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
•Quali sono gli elementi del ciclo idrologico
Introduzione
R. Rigon
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Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
•Quali sono gli elementi del ciclo idrologico
•Le scale spaziali e temporali coinvolte
Introduzione
R. Rigon
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Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
•Quali sono gli elementi del ciclo idrologico
•Le scale spaziali e temporali coinvolte
•Il bilancio di massa e di energia su scala globale
Introduzione
R. Rigon
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3
Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
•Quali sono gli elementi del ciclo idrologico
•Le scale spaziali e temporali coinvolte
•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
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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
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Distribution of Water on Earth
3%2%
95%
Oceans
Saline groundwater & lakesFresh
How much ?
K. Caylor
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Distribution of Water on Earth
0.34%
30%
70%
Ice & SnowGroundwaterSurface Water
3%2%
95%
Oceans
Saline groundwater & lakesFresh
How much ?
K. Caylor
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Distribution of Water on Earth
Surface water is only 0.34%
of all fresh water
0.34%
30%
70%
Ice & SnowGroundwaterSurface Water
3%2%
95%
Oceans
Saline groundwater & lakesFresh
How much ?
K. Caylor
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Ice &
Snow
0.34%
30%
70%
Ice & SnowGroundwaterSurface Water
Distribution of Water on Earth
3%2%
95%
Oceans
Saline groundwater & lakesFresh
14%
86%
Soil moisture
Lakes, Wetlands, & Rivers
How much ?
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Ice &
Snow
0.34%
30%
70%
Ice & SnowGroundwaterSurface Water
Distribution of Water on Earth
3%2%
95%
Oceans
Saline groundwater & lakesFresh
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 ?
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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
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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
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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
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Figu
re m
od
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Hort
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, 19
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Il ciclo Idrologico
Introduzione
R. Rigon
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Oki
and
Kan
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00
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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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Il buon vecchio ciclo idrologico
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Il buon vecchio ciclo idrologico
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Il buon vecchio ciclo idrologico
R. Rigon
RFWR
La maggior parte della RFWR è costituita della portata dei fiumi
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Il buon vecchio ciclo idrologico
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
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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
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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
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* 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
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“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
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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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Sequenza caratteristica di una misura idrologica
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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Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Archiviazione
Recupero
Utente finale
Su vari supporti, oggi su database
Dal database
Alcuni Casi Tipici
Stefano Orlandini
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Fattori che controllano le grandezze idrologiche
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I dati idrologici hanno andamenti complessi
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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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I dati idrologici hanno andamenti complessi
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I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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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.
I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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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.
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I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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I dati idrologici hanno andamenti complessi
I processi sono dissipativi
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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 dati idrologici hanno andamenti complessi
I processi sono dissipativi
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E dominati da eterogenetà
I dati idrologici hanno andamenti complessi
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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.
I dati idrologici hanno andamenti complessi
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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
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