A model for meltwater infiltration and refreezing in snow under non-isothermal conditions

The flow of meltwater through snow, acknowledged as a porous medium, is a crucial hydrological process essential for predicting the cryosphere's response to climate change. This thesis aims to model the intricate coupling between meltwater infiltration and the non-equilibrium thermodynamics of ice-melt phase change at the Darcy scale. The proposed model consists of the Richards' equation for infiltration, and evolution equations for ice and water temperature fields, which account for the thermal budget resulting from melt refreezing. Additionally, the model considers variations in porosity. This study presents numerical results from simulations conducted on 2D models of snowpacks with distinct initial levels of dryness and varying physical setups, which examine the mechanics of infiltration and alteration of the porosity structure due to refreezing. The implementation employs the PorePy and PyGeoN Python libraries.

Il fenomeno del trasporto dell'acqua di disgelo attraverso la neve, classificata come un mezzo poroso, rappresenta un processo idrologico essenziale per prevedere la risposta della criosfera ai cambiamenti climatici. Questa tesi si propone di modellare l'interazione complessa tra l'infiltrazione dell'acqua di disgelo e le dinamiche di cambio di fase tra acqua e ghiaccio, generate da una condizione fisica di disequilibrio tra le due fasi. Il modello proposto incorpora l'equazione di Richards per l'infiltrazione, insieme a due equazioni di evoluzione che governano i campi di temperatura per la fase solida e liquida e il bilancio termico del manto nevoso. Inoltre, il modello tiene conto delle variazioni nella porosità. Questo studio presenta risultati numerici ottenuti da simulazioni su manti nevosi con diversi livelli iniziali di umidità, sottoponendo il dominio a diverse condizioni fisiche. L'analisi zero-dimensionale iniziale fornisce le basi per test bidimensionali successivi, che analizzano il fenomeno del trasporto dell'infiltrazione e le variazioni a livello della struttura porosa della neve data dal processo di solidificazione dell'acqua all'interno del manto nevoso. L'implementazione fa uso delle librerie Python PorePy e PyGeoN.