Una brevissima introduzione al ciclo idrologico e alla sua misura. Una versione più lunga su SlidesIdrologia

1. Un Introduzione all’Idrologia
per il corso di Costruzioni Idrauliche
Susan Derges - Water hydrological Cycle
Riccardo Rigon
Tuesday, February 26, 13

2. Introduzione
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
tutto è come intensificato, questione 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”
2
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

3. Introduzione
Obiettivi
3
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

4. Introduzione
Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
3
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

5. Introduzione
Obiettivi
•Si spiega che cos’è e di che cosa si occupa l’idrologia:
•Quali sono gli elementi del ciclo idrologico
3
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

6. Introduzione
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
3
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

7. Introduzione
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
3
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

8. Introduzione
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
3
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

9. Introduzione
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
4
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

10. Introduzione
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.
5
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

11. How much ?
Distribution of Water on Earth
Saline groundwater & lakes
Fresh
Oceans 3%
2%
95%
6
K. Caylor
Tuesday, February 26, 13

12. How much ?
Distribution of Water on Earth
Ice & Snow
Saline groundwater & lakes
Groundwater
Fresh
Surface Water
Oceans 3%
2%
30%
70%
95%
0.34%
7
K. Caylor
Tuesday, February 26, 13

13. How much ?
Distribution of Water on Earth
Ice & Snow
Saline groundwater & lakes
Groundwater
Fresh
Surface Water
Oceans 3%
2% Surface water
30%
is only 0.34%
of all fresh
70%
95% water
0.34%
8
K. Caylor
Tuesday, February 26, 13

14. How much ?
Distribution of Water on Earth
Ice & Snow Soil
Saline groundwater & lakes
Groundwater
Fresh
Surface Water
moisture
Oceans 3% Ice 14%
2%
&
Snow
30%
Lakes,
70%
95% Wetlands, & Rivers
86%
0.34%
9
K. Caylor
Tuesday, February 26, 13

15. How much ?
Distribution of Water on Earth
Ice & Snow Soil
Saline groundwater & lakes
Groundwater
Fresh
Surface Water
moisture
Oceans 3% Ice 14%
2%
&
Snow
30%
Lakes,
70%
95% Wetlands, & Rivers
86%
0.34%
Soil moisture is 0.001% of all water.
Provides for all agricultural food production and
sustains all terrestrial ecosystems 10
K. Caylor
Tuesday, February 26, 13

16. How much
In tabella con bibliografia
Collocazione Area coperta Volume % % delle acque
[106 km2 ] [106 km3 ] 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 30.1
Umidit` del suolo
a 82 0.0165 0.001 0.05
Ghiacci e neve perenni 16.2275 24.0641 1.74 68.7
Antartico 13.980 21.600 1.56 61.7
Groenlandia 1.8024 2.340 0.17 6.68
Isole artiche 0.2261 0.0835 0.006 0.24
Aree montane 0.224 0.0406 0.003 0.12
Permafrost 21 0.3 0.022 0.86
Acque nei laghi 2.0587 0.1764 0.013 -
Acque dolci nei laghi 1.2364 0.091 0.007 0.26
Acque salate nei laghi 0.8223 0.0854 0.006 -
Lagune e paludi 2.682.6 0.01147 0.0002 0.006
Acque nei fiumi 148.8 0.00212 0.0002 0.0006
Acqua negli esseri viventi 510 0.0012 0.0.0001 0.0003
Acqua nell’atmosfera 510 0.0129 0.001 0.04
Totale d’acqua 510 1385.98561 100 -
Totale d’acqua dolce 148.8 35.02921 2.53 100
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
11
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

17. Introduzione
Il ciclo Idrologico
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.
12
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

18. Ma ...
Osservando i nostri pianeti vicini
Venere Terra Marte
96.5% CO2 78 % N2 93.5% CO2
3.5% N2 31% O2 2.7% N2
13
A. Kleidon
Tuesday, February 26, 13

19. La vita presente sulla Terra influenza la composizione dell’atmosfera e dell’idrosfera
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.
Lenton, T., 1998
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.
14
A. Kleidon
Tuesday, February 26, 13

20. La vita presente sulla Terra influenza la composizione dell’atmosfera e dell’idrosfera
Quindi
Si può forse congetturare che, viceversa, anche
•i cicli idrologici come li vediamo oggi sono il risultato della presenza della
vita sulla Terra
15
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

21. Introduzione
Il ciclo Idrologico
Figure modified after Horton, 1931
16
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

22. RFWR
Il buon vecchio ciclo idrologico
Oki and Kanae, 2006
17
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

23. RFWR
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 ?
18
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

24. RFWR
Il buon vecchio ciclo idrologico
Oki and Kanae, 2006
19
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

25. RFWR
Il buon vecchio ciclo idrologico
Oki and Kanae, 2006
20
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

26. RFWR
Il buon vecchio ciclo idrologico
Oki and Kanae, 2006
La maggior parte della RFWR è costituita della portata dei fiumi
21
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

27. RFWR
Il buon vecchio ciclo idrologico
Oki and Kanae, 2006
22
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

28. RFWR
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
23
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

29. RFWR
Aeschbach-Hertig and Gleeson, 2012
24
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

30. Eventi Estremi
Non è ovviamente, l’unico modo
di guardare all’acqua
E’ importante prevedere e prevenire eventi estremi
25
R. Rigon
Tuesday, February 26, 13

31. Misura e Rappresentazione delle
Grandezze Idrologiche
Leonardo da Vinci - L’uomo Vitruviano, ca 1487
photo by Luc Viatour, www.lucnix.be
Riccardo
Tuesday, February 26, 13

32. “ 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
Tuesday, February 26, 13

33. La misura
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
* 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.
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
28
Tuesday, February 26, 13

34. La misura
Misura ciò che è misurabile, e rendi misurabile ciò che
non lo è.
Galileo Galilei
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)”.
29
Tuesday, February 26, 13

35. La misura
Misure dirette
“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.”
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.
(Loreti, 2006)
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 30
strumento di reagire nella stessa maniera quando viene
sottoposto alla medesima sollecitazione.
Tuesday, February 26, 13

36. La misura
Misure indirette
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.
(Loreti, 2006)
31
Tuesday, February 26, 13

37. La misura
Le misure idrologiche
(Esempi)
•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
32
• Pressione di vapore
..........
Tuesday, February 26, 13

38. Alcuni Casi Tipici
Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Grandezza idrologica
es. precipitazione
Intensità del fenomeno,
Rilevamento
segnale osservabile
Su carta o su supporto
Registrazione
informatico
33
Stefano Orlandini
Tuesday, February 26, 13

39. Alcuni Casi Tipici
Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Ad un centro di
Trasmissione
acquisizione
Dai formati dello
Conversione
strumento alle
grandezze
Eliminazione degli
Controllo errori, interpolazione
dei dati mancanti, etc
34
Stefano Orlandini
Tuesday, February 26, 13

40. Alcuni Casi Tipici
Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Su vari supporti, oggi su
Archiviazione
database
Recupero Dal database
Utente finale
35
Stefano Orlandini
Tuesday, February 26, 13

41. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Fattori che controllano le grandezze idrologiche
36
Tuesday, February 26, 13

42. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Fattori che controllano le grandezze idrologiche
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).
36
Tuesday, February 26, 13

43. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
37
Tuesday, February 26, 13

44. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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.
37
Tuesday, February 26, 13

45. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
38
Tuesday, February 26, 13

46. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
La dinamica include processi che sono linearmente instabili: per
esempio l'instabilità baroclinica che guida i processi meteorologici alle
latitudini medie.
38
Tuesday, February 26, 13

47. I dati idrologici hanno andamenti complessi
I processi sono dissipativi
39
Tuesday, February 26, 13

48. I dati idrologici hanno andamenti complessi
I processi sono dissipativi
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.
39
Tuesday, February 26, 13

49. I dati idrologici hanno andamenti complessi
E dominati da eterogenetà
40
Tuesday, February 26, 13

50. I dati idrologici hanno andamenti complessi
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.
40
Tuesday, February 26, 13

51. Alcuni Casi Tipici
La serie temporale delle precipitazioni
41
Tuesday, February 26, 13

52. Epilogo
La misura
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
42
•I dati sono essi stessi modelli della realtà e non possono
essere creduti con assoluta certezza
Tuesday, February 26, 13

53. E quindi
43
Tuesday, February 26, 13

54. Tuesday, February 26, 13
Grazie per l’attenzione
G.Ulrici - Uomo dope aver lavorato alle slides , 2000 ?
44