The dynamics related to presence of the liquid phase in snow are a topic of first relevance for all the discipline that aim to the optimal management of a natural system. Seasonal snow cover occurs, on average, on the 30% of the planet surface. In this typology of snow cover wet condition are dominant during the whole ablation season. This crates stability problems since liquid water in snow is known to be the trigger of wet and slush avalanches and it can result in melt water floods. Snow and wet snow are important for climate dynamics at the regional and macroscale and snow is a key component of the water cycle. One sixth of the global population live in an area where fresh water supplying is based on the seasonal snow cycle(Barnett, Adam, & Lettenmaier, 2005). Water is known to become more and more a depleted resource while water demand is expected to increase monotonically in the close future. Climate change are expected to induce variation in the snow cycle and therefore a deep knowledge of the dynamic internal to the wet snow system are required when trying to cope with this challenging issues. The way a initially dry snowpack respond to the introduction of water is complex since is the result of the interaction of several factors and since the degree of heterogeneity within a snowpack is extremely high. Furthermore the relevant property of a snowpack are not steady in time but they are in a constant state of transformation (Jordan et al., 2008). During the structural evolution of a snowpack causes and effects are often chained by a feedback relation. Those transformation take place at the scale of the snow microstructure and it is convenient to study and describe them at that scale because the snow macrostructure rules the mechanical, and hydraulic behavior of the system snow cover. When water is present in snow it rules these evolutions through a process named wet metamorphism. This phenomenon has been observed ,explained by the mean of the equilibrium thermodynamic of a multiphase system and quantitative described for specific condition.(Colbeck,87 ). However, as far as I know, no experimental efforts have attempted to reproduce the snow microstructure evolution as an effect of wet metamorphism induce by gravity drainage melt water percolation following a process that could be consider equivalent to the one that occur in nature. For this reason two experiments have been performed in a cold lab and observation have been realized on random snow samples using a x-ray micro tomography device. Information processing phase included effects evaluation at the scale of the single snow crystal. Results show that the phenomenon in this condition is more complicated and that it shows different patterns. The transformation of the snow microstructure seems to evolve following two different consequently phases: a first one where the non-homogeneity is the more distinctive pattern and a second one where crystal grow is more similar to the situation observed in water-saturated condition. Melting-freezing cycle affect the grains evolution inducing structural differences. In general homogenous melting on the top on a fairly homogenous snow sample generates a highly non homogenous microstructural evolution.

Le dinamiche relative alla presenza della fase liquida in neve sono un argomento di massimo interesse per tutte le discipline che ambiscono alla gestione ottima di un sistema naturale. Mediamente il 30% della superficie terrestre è interessata da copertura nevosa stagionale. Durante la stagione di disgelo il manto nevoso è prevalentemente in condizioni umide e le tre fasi dell’acqua coesistono nel mezzo poroso. La presenza di acqua liquida in neve è causa di problemi di stabilità ed è la causa diretta di una particolare tipologia di valanghe. Inoltre per via della variabilità temporale dei volumi del deflusso alla base di un manto nevoso un brusco ciclo di disgelo può creare alluvioni e fenomeni di piena imprevisti. La neve in generale e la neve bagnata svolgono un ruolo primario per le dinamiche climatiche, sia alla scala regionale sia alla macro-scala, e inoltre i processi legati alla neve al suolo sono componenti chiave del ciclo idrologico. Un sesto della popolazione mondiale vive in una zona in cui l’approvvigionamento di acqua dolce dipende principalmente dal ciclo della neve stagionale (Barnett, Adam, e Lettenmaier, 2005). Come noto l’acqua dolce, e l’acqua potabile in modo particolare, stanno diventano una risorsa sempre più rara mentre, al contrario, la domanda e il fabbisogno di questo bene sono in costante crescita. Alla luce degli ultimi studi riguardanti i cambiamenti climatici in atto non si può escludere la possibilità che questi eserciteranno cambiamenti strutturali sul ciclo della neve al suolo. La previsione di questi futuri scenari richiede una profonda conoscenza delle dinamiche interne al sistema neve bagnata. Il modo in cui un manto nevoso inizialmente asciutto risponde all'introduzione della fase liquida è complesso in quanto è il risultato dell'interazione di diversi fattori e poiché il grado di eterogeneità di un manto nevoso è estremamente elevato. Inoltre, le proprietà meccaniche e idrauliche della neve non sono costanti nel tempo, ma bensì sono in un continuo stato di trasformazione (jordan et al., 2008). Durante l'evoluzione della struttura di un manto nevoso le cause e gli effetti delle trasformazioni in atto sono spesso connesse da una relazione di feedback. Queste trasformazioni avvengono alla scala del singolo cristallo ed è conveniente che vengano studiate alla stessa scala poiché l’evoluzione della microstruttura determina l’evoluzione delle principali caratteristiche meccaniche ed idrauliche che a loro volta determinano i modi e i tempi in cui il sistema risponde agli stimoli esterni alle media e alla macro scala. In presenza di acqua liquida in neve l’evoluzione strutturale è governata da un processo chiamato metamorfismo umido. Questo fenomeno è stato osservato, interpretato con gli strumenti teorici della termodinamica di equilibrio di un sistema multifase e descritto quantitativamente per alcune condizioni specifiche (Colbeck, 87). Tuttavia, per quello che ho potuto constatare durante la fase di revisione bibliografica, l’effetto diretto dell’acqua sulla microstruttura non è mai stato osservato in condizioni tali per cui i processi fisici che regolano il sistema siano analoghi a quelli che hanno luogo in condizioni naturali Per questo motivo due esperimenti sono stati condotti in un laboratorio freddo e il fenomeno in questione è stato monitorato tramite scansioni a raggi x effettuate su singoli campioni di neve. I dati sperimentali così raccolti sono poi stati rielaborati e analizzati ad una risoluzione spaziale adeguata a monitorare questi processi di trasformazione alla scala del singolo grano. I risultati mostrano che i fenomeni di metamorfismo in condizioni più realistiche sono più complessi ed eterogenei rispetto al modo in cui vengono descritti e modellati in letteratura. La trasformazione della microstruttura sembra evolvere seguendo due diverse fasi: un primo stadio in cui la totale non omogeneità è la principale caratteristica e un secondo in cui lo sviluppo cristallografico sembra approcciare i modi e le forme del metamorfismo in condizioni sature. Per quanto osservato, una fusione omogenea, indotta riscaldando omogeneamente dall’alto un campione omogeneo, induce trasformazioni della microstruttura eterogenee.

Tomography based investigations of wet snow metamorphism in natural-like conditions

PETRUCCI, GIACOMO
2015/2016

Abstract

The dynamics related to presence of the liquid phase in snow are a topic of first relevance for all the discipline that aim to the optimal management of a natural system. Seasonal snow cover occurs, on average, on the 30% of the planet surface. In this typology of snow cover wet condition are dominant during the whole ablation season. This crates stability problems since liquid water in snow is known to be the trigger of wet and slush avalanches and it can result in melt water floods. Snow and wet snow are important for climate dynamics at the regional and macroscale and snow is a key component of the water cycle. One sixth of the global population live in an area where fresh water supplying is based on the seasonal snow cycle(Barnett, Adam, & Lettenmaier, 2005). Water is known to become more and more a depleted resource while water demand is expected to increase monotonically in the close future. Climate change are expected to induce variation in the snow cycle and therefore a deep knowledge of the dynamic internal to the wet snow system are required when trying to cope with this challenging issues. The way a initially dry snowpack respond to the introduction of water is complex since is the result of the interaction of several factors and since the degree of heterogeneity within a snowpack is extremely high. Furthermore the relevant property of a snowpack are not steady in time but they are in a constant state of transformation (Jordan et al., 2008). During the structural evolution of a snowpack causes and effects are often chained by a feedback relation. Those transformation take place at the scale of the snow microstructure and it is convenient to study and describe them at that scale because the snow macrostructure rules the mechanical, and hydraulic behavior of the system snow cover. When water is present in snow it rules these evolutions through a process named wet metamorphism. This phenomenon has been observed ,explained by the mean of the equilibrium thermodynamic of a multiphase system and quantitative described for specific condition.(Colbeck,87 ). However, as far as I know, no experimental efforts have attempted to reproduce the snow microstructure evolution as an effect of wet metamorphism induce by gravity drainage melt water percolation following a process that could be consider equivalent to the one that occur in nature. For this reason two experiments have been performed in a cold lab and observation have been realized on random snow samples using a x-ray micro tomography device. Information processing phase included effects evaluation at the scale of the single snow crystal. Results show that the phenomenon in this condition is more complicated and that it shows different patterns. The transformation of the snow microstructure seems to evolve following two different consequently phases: a first one where the non-homogeneity is the more distinctive pattern and a second one where crystal grow is more similar to the situation observed in water-saturated condition. Melting-freezing cycle affect the grains evolution inducing structural differences. In general homogenous melting on the top on a fairly homogenous snow sample generates a highly non homogenous microstructural evolution.
SCHNEEBELI, MARTIN
AVANZI, FRANCESCO
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
21-dic-2015
2015/2016
Le dinamiche relative alla presenza della fase liquida in neve sono un argomento di massimo interesse per tutte le discipline che ambiscono alla gestione ottima di un sistema naturale. Mediamente il 30% della superficie terrestre è interessata da copertura nevosa stagionale. Durante la stagione di disgelo il manto nevoso è prevalentemente in condizioni umide e le tre fasi dell’acqua coesistono nel mezzo poroso. La presenza di acqua liquida in neve è causa di problemi di stabilità ed è la causa diretta di una particolare tipologia di valanghe. Inoltre per via della variabilità temporale dei volumi del deflusso alla base di un manto nevoso un brusco ciclo di disgelo può creare alluvioni e fenomeni di piena imprevisti. La neve in generale e la neve bagnata svolgono un ruolo primario per le dinamiche climatiche, sia alla scala regionale sia alla macro-scala, e inoltre i processi legati alla neve al suolo sono componenti chiave del ciclo idrologico. Un sesto della popolazione mondiale vive in una zona in cui l’approvvigionamento di acqua dolce dipende principalmente dal ciclo della neve stagionale (Barnett, Adam, e Lettenmaier, 2005). Come noto l’acqua dolce, e l’acqua potabile in modo particolare, stanno diventano una risorsa sempre più rara mentre, al contrario, la domanda e il fabbisogno di questo bene sono in costante crescita. Alla luce degli ultimi studi riguardanti i cambiamenti climatici in atto non si può escludere la possibilità che questi eserciteranno cambiamenti strutturali sul ciclo della neve al suolo. La previsione di questi futuri scenari richiede una profonda conoscenza delle dinamiche interne al sistema neve bagnata. Il modo in cui un manto nevoso inizialmente asciutto risponde all'introduzione della fase liquida è complesso in quanto è il risultato dell'interazione di diversi fattori e poiché il grado di eterogeneità di un manto nevoso è estremamente elevato. Inoltre, le proprietà meccaniche e idrauliche della neve non sono costanti nel tempo, ma bensì sono in un continuo stato di trasformazione (jordan et al., 2008). Durante l'evoluzione della struttura di un manto nevoso le cause e gli effetti delle trasformazioni in atto sono spesso connesse da una relazione di feedback. Queste trasformazioni avvengono alla scala del singolo cristallo ed è conveniente che vengano studiate alla stessa scala poiché l’evoluzione della microstruttura determina l’evoluzione delle principali caratteristiche meccaniche ed idrauliche che a loro volta determinano i modi e i tempi in cui il sistema risponde agli stimoli esterni alle media e alla macro scala. In presenza di acqua liquida in neve l’evoluzione strutturale è governata da un processo chiamato metamorfismo umido. Questo fenomeno è stato osservato, interpretato con gli strumenti teorici della termodinamica di equilibrio di un sistema multifase e descritto quantitativamente per alcune condizioni specifiche (Colbeck, 87). Tuttavia, per quello che ho potuto constatare durante la fase di revisione bibliografica, l’effetto diretto dell’acqua sulla microstruttura non è mai stato osservato in condizioni tali per cui i processi fisici che regolano il sistema siano analoghi a quelli che hanno luogo in condizioni naturali Per questo motivo due esperimenti sono stati condotti in un laboratorio freddo e il fenomeno in questione è stato monitorato tramite scansioni a raggi x effettuate su singoli campioni di neve. I dati sperimentali così raccolti sono poi stati rielaborati e analizzati ad una risoluzione spaziale adeguata a monitorare questi processi di trasformazione alla scala del singolo grano. I risultati mostrano che i fenomeni di metamorfismo in condizioni più realistiche sono più complessi ed eterogenei rispetto al modo in cui vengono descritti e modellati in letteratura. La trasformazione della microstruttura sembra evolvere seguendo due diverse fasi: un primo stadio in cui la totale non omogeneità è la principale caratteristica e un secondo in cui lo sviluppo cristallografico sembra approcciare i modi e le forme del metamorfismo in condizioni sature. Per quanto osservato, una fusione omogenea, indotta riscaldando omogeneamente dall’alto un campione omogeneo, induce trasformazioni della microstruttura eterogenee.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/116331