e la sua misurazione. - Speleo...CUEVA DE LOS CRISTALES PT100 T fluctuations 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-100 -50 0 50 100 temperature fluctuations around the average [mK] TE401-I

IL CLIMA SOTTERRANEOe la sua misurazione.

INDICE

Il fattore tempo

Le escursioni termiche sotterranee (Santa Barbara e Rio martino)

Termometria sotterranea: estrazione di segnali debolissimi (Rio Martino, Cristales)

Tempo di risposta e stabilità delle misure

Significato delle temperature locali (Mottera, Castellana, Hundida, Rio Martino)

Umidità

CLIMA E METEOROLOGIA

• Per risoluzione di uno strumento intendiamo la minima differenza che può essere apprezzata sulla sua scala.

• Per accuratezza intendiamo invece la massima differenza fra il dato che esso misura e il valore vero.

Autore: Prof. Giovanni Badino

STUDIARE IL CLIMA E LA METEOROLOGIA

• La climatologia studia i comportamenti medi dell’atmosfera.

• La meteorologia ne studia le meteore.

• Gli strumenti sono finalizzati a misurare eventi molto ampi ma brevissimi.

• L’azione costruttiva sul paesaggio è data non tanto da sbalzi termici o precipitazioni, ma dal loro protrarsi nel tempo.


IL FATTORE TEMPO

La differenza di temperatura che, in decine di migliaia di anni, finisce per coprire il Canada e le Alpi con una calotta di ghiaccio di due chilometri di spessore è di circa 8°C.


Si tratta però di 8°C protratti nel tempo: l’atmosfera e la superficie del pianeta assumono una nuova configurazione di equilibrio, svuotando gli oceani per decine di metri e coprendo di ghiaccio immense superfici.


Se noi misurassimo la temperatura media del pianeta con un termometro con risoluzione 10°C non ci accorgeremmo affatto né delle ere glaciali, nédei riscaldamenti globali: saremmo sensibili solo ad eventi catastrofici, in realtà poco importanti.

La situazione delle grotte pare simile, i processi ambientali sono di piccolissima ampiezza ma dilatati su tempi enormi.

Quindi, se vogliamo capire qualcosa, dobbiamo spingere le accuratezze dei rivelatori sino a vedere le variazioni naturali delle grotte.Sino a vedere le meteore sotterranee.Vediamo qual è la risoluzione strumentale per riuscire a rivelarle.


INDICE

Il fattore tempo

Le escursioni termiche sotteranee (Santa Barbara e Rio martino)




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Le variazioni di temperatura esterna, giornaliere e annuali, sono approssimabili come sinusoidi, con ampiezza 5-6 °C per quella giornaliera e 10-12 °C per quella annuale (Mediterraneo).

A Ulan Bator la media di gennaio è -20 °C, quella di luglio 15 °C, l’ampiezza della sinusoide è 17 °C.

Ad Ushuaia a gennaio è 9, a luglio 2 °C, cioè ampiezza 3.5 °C. Ma Roma essa è 9, a Torino 11 e a Cagliari 7 °C.

Gli sbalzi crescono andando in montagna e allontanandosi dal mare.

Sulla Terra l’escursione termica non è così grande…

LE ESCURSIONI DI TEMPERATURA


GROTTA DI ALTA ENERGIA


LE ESCURSIONI TERMICHE SOTTERRANEE


RIO MARTINO - PIEMONTE

Tmin e T max a Torino (cortesia SMS)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

03-gen 02-feb 03-mar 02-apr 02-mag 01-giu

data

temper

ature [

°C]Tmed - Rio Martino - run di calibrazione

5,1

5,2

5,3

5,4

5,5

5,6

3-gen 2-feb 3-mar 2-apr 2-mag 1-giu

2004

T [°C

]


SANTA BARBARA - SARDEGNA

0

100

200

300

400

500

600

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

alto_visit

basso_visit

alto_nullabasso_nulla

Grotta di Santa BarbaraDistribuzione delle differenze giornaliere

Tmax-Tmin minori di un certo valore in ascissa nel periodo dal 6-2001 al 5-2005.

I grafici corrispondono in azzurrino alle giornate non disturbate (numero di visitatori inferiore al valore di soglia Ns) sui due termometri Alto e Basso, e in rosso a quelle

con visite maggiori di Ns.Ns=20


SANTA BARBARA - SARDEGNA

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

differenze mensili di temperatura [°]

freq

uen

ze

no visitatoricon visitatori

Santa Barbara - T max e Tmin annuali

14,8

15

15,2

15,4

15,6

15,8

16

16,2

2000 2001 2002 2003 2004 2005

tem

peratu

ra [

°C

]

Tmax annuali

Tmin annuali


ESCURSIONI TERMICHE: CONCLUSIONI

1) Le ampiezze naturali delle escursioni di temperatura giornaliere paiono essere intorno ai 10 mK. Le misure con risoluzione 100-200 mK osservano dunque calma piatta, indipendentemente da cosa succede in realtà.

2) Le ampiezze naturali sul mese sembrano essere intorno ai 0.1 °C.3) Le ampiezze sull’anno sono dell’ordine di 1 °C. 4) Pare esserci quindi una legge di potenza (frattale!) fra l’escursione di

temperatura e il periodo in cui essa avviene.5) La variabilità delle escursioni di temperatura a breve periodo da una grotta

all’altra sono enormemente maggiori che all’esterno (fattore 100).6) C’è un problema di carenza di misure, specialmente di misure accurate con

strumenti stabili. 7) Gli strumenti elettronici permettono finalmente di fare meteorologia

sotterranea, ma richiedono di affrontare gravissimi problemi di stabilità su lunghi periodi e gravi difficoltà metodologiche.


INDICE

Il fattore tempo





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TERMOMETRIA SOTTERRANEA

Un esempio:

studiamo il problema dell’altezza media di una popolazione.

• La statistica è quella disciplina per cui se io ho tre polli e voi due nessuno, allora ne abbiamo uno a testa.

• Ma è vero?


2. Termometria2. Termometria


TERMOMETRIA SOTTERRANEA

• La temperatura è una misura dell’energia cinetica media di traslazione del centro di massa delle molecole di un gas ideale in equilibrio.

• Sfortunatamente un gas ideale non esiste e soprattutto nessun sistema reale può essere considerato in equilibrio.


• Una misura di temperatura richiede: • L’estrapolazione da una misura reale ad una scala ideale.• L’assunzione che il sistema sia così prossimo all’equilibrio che un parametro

generale ottenuto con una media sul sistema abbia significato per l’intero sistema.

• L’assunzione che il termometro non modifichi la zona circostante.• L’assunzione che la temperatura non vari durante la misura.

• Se spingiamo le misure di temperature sino ad una risoluzione di 0.01°C

queste assunzioni divengono molto forti.


In condizioni ipogee però la situazione è piùfavorevole, dato che si tratta di sistemi praticamente isotermi. Scrivevo:“In quelle condizioni l’affidabilità del dato ottenuto da un sensore PT100 è alta anche a risoluzioni molto spinte (0.01°C?) e in tal caso i dati in uscita potrebbero essere credibili per monitorare variazioni rapide dell’ordine del centesimo di grado.”


CUEVA DE LOS CRISTALES





117.300

117.400

117.500

117.600

117.700

117.800

117.900

118.000

118.100

118.200

15/4/0612.00

16/4/060.00

16/4/0612.00

17/4/060.00

17/4/0612.00

18/4/060.00

TE101-ITE102-ITE103-ITE104-ITE201-ITE202-ITE203-ITE204-ITE301-ITE302-ITE303-ITE304-ITE401-ITE402-ITE403-ITE404-I



temperatura Naica - Run 1-2

45,2

45,3

45,4

45,5

45,6

16-4 17-4 17-4 18-4data e ora [GMT]



TE101-I

-5

0

5

10

15

20

25

30

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

TE101-I

PT100 T fluctuations

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

temperature fluctuations around the average [mK]

TE101-ITE102-I

TE103-ITE104-I

5 mK

10 mK




0102030405060708090

100

-100 -50 0 50 100


TE401-ITE402-ITE403-ITE404-I


0102030405060708090

100

-100 -50 0 50 100


TE201-I

TE202-I

TE203-I

TE204-I


0102030405060708090

100

-100 -50 0 50 100


TE301-I

TE302-ITE303-I

TE304-I


0102030405060708090

100

-100 -50 0 50 100


TE501-ITE502-I

TE503-ITE504-I


scarto QM TE101-I TE102-I TE103-I TE104-I TE201-I TE202-I TE203-I TE204-I TE301-I TE302-I TE303-I TE304-I

tutto 16 16 13 15 15 14 16 58 15 13 12 13eliminato il 204 14 15 12 14 14 14 15 61 14 12 11 11eliminato il 503 13 14 12 13 14 13 14 64 13 12 11 11

TE401-I TE402-I TE403-I TE404-I TE501-I TE502-I TE503-I TE504-I MEDIE

14 14 15 11 23 16 48 14 18,513 13 14 11 22 15 51 13 15,7 deltaT (mK)14 13 13 11 23 15 54 14 13,5 3,2

117.300

117.400

117.500

117.600

117.700

117.800

117.900

118.000

118.100

118.200

15/4/0612.00

16/4/060.00

16/4/0612.00

17/4/060.00

17/4/0612.00

18/4/060.00

TE101-ITE102-ITE103-ITE104-ITE201-ITE202-ITE203-ITE204-ITE301-ITE302-ITE303-ITE304-ITE401-ITE402-ITE403-ITE404-I





scostamento di Term1

0200400600

80010001200140016001800

0 0,05 0,1 0,15 0,2


0200400600

80010001200140016001800

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1


0

500

1000

1500

2000

-0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,05 0,1 0,15 0,2


0

500

1000

1500

2000

2500

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1


0200400600800

10001200140016001800

-0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0


s c o s t a m e n t o d e i T e r m o m e t r i d a T m

-0 ,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

1 71 14

1

21

1

28

1

35

1

42

1

49

1

56

1

63

1

70

1

77

1

84

1

91

1

98

1

1051

1121

11

91

12

61

13

31

1401

1471

15

41

16

11

1681

1751

1821

1891

19

61

20

31

2101

2171

22

41

23

11

23

81

24

51

2521

2591

2661

2731

2801

2871

2941

30

11

30

81

31

51

32

21

3291

3361

3431

3501

655228613scarto non corretto (dai 7 sensori)

666246511scarto quadr. medio m°C

-0,0500,0420,078-0,036-0,0900,0210,106scarto dalla media °C

7654321Termometro numero


17-Apr - 80 MJ

5.200

5.250

5.300

5.350

5.400

0 4 8 12 16 20 24

22-Apr - 140 MJ

5.200

5.250

5.300

5.350

5.400

0 4 8 12 16 20 24

29-Apr - 140 MJ

5.200

5.250

5.300

5.350

5.400

0 4 8 12 16 20 24

24-Apr - 70 MJ

5.200

5.250

5.300

5.350

5.400

0 4 8 12 16 20 24

13-Mag- 160 MJ

5.200

5.250

5.300

5.350

5.400

0 4 8 12 16 2 0 24

6-Mag - 130 MJ

5.200

5.250

5.300

5.350

5.400

0 4 8 12 16 20 24Autore: Prof. Giovanni Badino

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Ciò che si misura è la temperatura del termometro, non quella dell’ambiente

TEMPO DI RISPOSTA

lettura del termometro

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

200 10 20 30 40

tempo [minuti]

tem

pera

tura

[°C

]


Analizzando i logaritmi della differenza fra la temperatura finale e quella istantanea…


-5-4-3-2-1012345

0 20 40 60 80 100

tempo [minuti]

ln(T

-Tfin

) [°

C]


• La prima parte di riscaldamento si comporta bene, descrive una retta.

• Perché?

• Ci permette di determinare quanto tempo dobbiamo aspettare data una certa precisione richiesta.


-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40

tempo [minuti]

ln(T

-Tfin

) [°

C]

0 °Cτ

τ7.0/

00 2exp)( tTt

TtT −×∆=

−∆=∆


• Il fatto di leggere la temperatura del termometro e non quella dell’ambiente, sottoterra ha diverse implicazioni.

• Soprattutto perché in genere fa freddo…

9

9,2

9,4

9,6

9,8

10

10,2

10,4

10,6

10,8

11

0 20 40 60 80 100 120

tau= 8 minutiTin=20 °C


• Il tempo di risposta dipende dalle condizioni di esposizione.

equilibratura con e senza ventilazione

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 50 100 150 200 250

tempo dall'inizio [s]


• La stabilità a lungo termine degli strumenti per la meteorologia sotterranea è un problema gravissimo.

• Per i termometri può essere risolto con l’acquisizione di dati su almeno due canali paralleli, uno elettronico e l’altro con una tecnologia completamente diversa.

STABILITÀ


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TEMPERATURA LOCALE

• Il sistema grotta è in equilibrio, ma esso fluttua attorno ad uno stato di equilibrio con ampiezze dell’ordine del centesimo di grado o meno.

• Questo rende difficile definire, ad esempio, la temperatura di una galleria, dato che essa varia nel tempo su ampiezze piccole.

• Ma il problema più grave è quello della sedimentazione termica.


COS’È LA TEMPERATURA LOCALE?

• Nella grotta della Mottera in una diaclasi ventilata alta venti metri abbiamo misurato 5.1°C a 10 m, 5.0°C a 6 m e 4.8 a un metro di altezza. Questo corrisponde ad un gradiente di 0.03°C m-1

• In condizioni effettivamente eccezionali (Cueva Hundida) abbiamo misurato 18.6°C sul pavimento, ma 19.9°C tre metri più in alto, per un gradiente di 0.4°C m-1!


Attualmente la stazione di Rio Martino è in acquisizione per misurare gli effetti della sedimentazione termica.



• Nelle grotte turistiche il problema èprobabilmente ancora più grave.

CASTELLANA - PUGLIA


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• I sensori attualmente in produzione sono di due tipi: psicrometri a bulbo secco-umido e psicrometri capacitivi.

• Sta di fatto che i primi hanno una massima accuratezza di ±1%, i secondi di ±2%, entrambi limitatati sino a 98 o 99%.

UMIDITÀ


SCARTI DALL’EQUILIBRIO

• I dati psicrometrici sono in genere privi di significato: la massima parte delle atmosfere ipogee contiene vapor d’acqua all’equilibrio (in quasi tutte le grotte si potrebbero tarare gli psicrometri al punto “100%”) ma a quel livello le differenze tendono a perdere significato fisico.

• Le sovrasaturazioni, legate alla presenza di aerosol (da frammentazione di getti d’acqua o da risalita di aria umida), sono dell’ordine dello 0.01-0.1% e dunque almeno due ordini di grandezza al di sotto del limite strumentale.

• In realtà quel che in realtà importa è stimare se l’aria sia sovra- o sotto-satura di umidità.


CONCLUSIONI

• Il valore dell’umidità relativa fornisce solo notizie sullo stato dello strumento e dunque è interessante solo in grotte secche.

• Il dato di temperatura è sempre utile, ma il segnale “meteorologico” è sepolto a livelli del centesimo di grado.

• Per estrarre il segnale meteorologico occorre una conoscenza molto approfondita delle strumentazioni in uso e l’applicazione di tecniche di analisi dati non troppo ovvie.

• Va assolutamente approfondito la fenomenologia della sedimentazione termica all’interno delle grotte, che da sola è in grado di rendere vane tutte le misure climatiche sotterranee.


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