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IL PERMAFROST NELLE ALPI PIEMONTESI

10 anni di monitoraggio del permafrost nelle Alpi piemontesi

L’ambiente periglaciale è tipico delle regioni ad elevate latitudini di entrambi gli emisferi e delle aree ad elevata altitudine, dove si raggiungono temperature tali da mantenere il suolo congelato per molti mesi o per tutto l’anno. Tali ambienti sono caratterizzati dalla presenza di forme e depositi originati da processi geomorfologici legati all’azione del gelo (frost action) quali, ad esempio, il susseguirsi di cicli di gelo-disgelo e la crescita di masse di ghiaccio nel terreno.

Tipico dell’ambiente periglaciale è il permafrost (contrazione dei termini inglesi “perennially frozen ground”) che definisce il terreno o la roccia che rimane al di sotto della temperatura di 0 °C per più di due anni consecutivi, indipendentemente dalla presenza di ghiaccio (figura 1). Infatti, la presenza del ghiaccio per la definizione del permafrost non è un elemento fondante in quanto il materiale può essere secco o può contenere acqua allo stato liquido, anche se le temperature sono < 0 °C (ad es. a causa di sali disciolti o di falde in pressione che abbassano la temperatura di congelamento). Il regime termico del suolo (e quindi il permafrost) è direttamente collegato alle condizioni climatiche sia globali che locali e gli ambienti con permafrost sono tra quelli in cui gli effetti del riscaldamento globale si manifestano probabilmente in modo più intenso.

Figura 1
Rappresentazione schematica della distribuzione potenziale del permafrost nell’emisfero boreale

Fonte: Alfred-Wegner-Institut

Conoscenze pregresse nelle Alpi italiane e in Piemonte

Gli studi inerenti la conoscenza del permafrost nelle regioni montuose sono molto recenti. Studi sistematici iniziarono intorno agli anni ’60 - ’70 del XX sec. e le prime reti di monitoraggio a lungo termine furono installate solo agli inizi del XXI sec.

In Piemonte, la conoscenza dell’ambiente periglaciale e della distribuzione del permafrost, fino a qualche anno fa, risultava del tutto frammentaria e lacunosa. Per migliorare e ampliare le conoscenze sulla tematica in oggetto, a partire dal 2006 Arpa Piemonte ha avviato una serie di studi, inizialmente in collaborazione con l’Università dell’Insubria, per creare una base dati regionale relativa alla criosfera e alla “vulnerabilità criotica”, attività successivamente integrata nell’ambito del progetto europeo Alpine Space “PermaNet” (Permafrost long-term monitoring Network).

Prima dell’inizio del Progetto PermaNet in Piemonte le conoscenze erano abbastanza scarse, riferite a studi focalizzati soprattutto sulla distribuzione dei rock glaciers (quali ad es. il rock glacier di Schiantala in alta Valle Stura di Demonte nel cuneese e il rock glacier del Passo della Mulattiera in alta Val Susa, nel torinese).

Distribuzione potenziale del permafrost e catasto degli indicatori morfologici

Il permafrost, a differenza degli altri elementi della criosfera come i ghiacciai o la neve, è un fenomeno puramente termico, quindi pressoché invisibile. Ne consegue che per valutarne la distribuzione, il ricorso a modelli matematici è spesso inevitabile. In Piemonte sono stati applicati due modelli: uno empirico, il PERMAROCK, e uno fisico-basato, il PERMACLIM.

Il primo modello si basa sul riconoscimento di alcuni elementi morfologici caratteristici dell’ambiente periglaciale e sulla loro distinzione in base allo stato di attività. Per questo motivo si è reso necessario rinnovare e dettagliare il catasto di tali elementi presenti nell’arco alpino piemontese (figura 2).

Figura 2
Inventario delle forme indicatrici del permafrost delle Alpi piemontesi

Fonte: Arpa Piemonte
Sono evidenziati in verde nelle immagini i profili dei ghiacciai neri (debris-covered glacier, a), delle nivomorene (protalus rampart, b), dei rock glacier (c) e dei lobi di geliflusso (d).

Partendo da questo inventario è stato possibile realizzare, per la prima volta in Piemonte, una cartografia sperimentale sulla distribuzione del permafrost alpino applicando un modello empirico-statistico messo a punto dalla Università dell’Insubria (figura 3), distinto in: 1) permafrost antico o relitto, 2) permafrost probabile e 3) permafrost possibile. In base a questo modello, le aree in cui è presente il permafrost rappresentano circa l’8,5% del territorio regionale e circa il 20% delle Alpi piemontesi.

Figura 3
Provincia di Torino. Stralcio della carta della distribuzione potenziale del permafrost delle Alpi piemontesi

Fonte: Arpa Piemonte

Le tre classi del permafrost sono state elaborate con il modello PERMAROCK (modificato da Guglielmin, 2009) e sono basate sull’analisi statistica di quota minima ed esposizione media degli indicatori morfologici, anch’essi riportati in carta.

Successivamente, è stato applicato anche un modello fisico con approccio semplificato che ben si adatta alle applicazioni a scala regionale. Per l’implementazione del modello, Arpa Piemonte ha sviluppato uno specifico applicativo (plug-in) per QuantumGIS.
Per approfondimenti: Banca Dati Criosfera e permafrost

Monitoraggio del permafrost

I modelli per la valutazione della distribuzione potenziale del permafrost non sono sempre di facile applicazione e non sempre hanno una adeguata accuratezza ma, comunque, possono fornire un quadro preliminare su cui sviluppare un piano di indagini più approfondite, sia per validare i modelli stessi sia per monitorare nel tempo l’evoluzione del permafrost. Arpa Piemonte, a partire dal 2008 ha predisposto un programma di misure periodiche che consistono in campagne di rilievi BTS, indagini geofisiche (in particolare prospezioni geoelettriche), termografie e misure termiche dirette. Nel 2009, nell’ambito del progetto PermaNet, sono state realizzate le stazioni di monitoraggio del permafrost in 5 diversi siti delle Alpi piemontesi costituite da catene termometriche inserite in pozzi verticali in roccia profondi fino a 100 m. A queste stazioni, nel 2013 si sono aggiunti alcuni siti per la misura della temperatura superficiale di terreni e roccia e altre misurazioni. In figura 4 è riportata la rappresentazione di sintesi dello stato attuale delle attività.

Figura 4
Rappresentazione schematica delle attività svolte nell’ambito dello studio dell’ambiente periglaciale e del permafrost nelle Alpi piemontesi

Fonte: Arpa Piemonte

Provincia di Verbania - 1) alta Val Formazza, 2) Passo del Monte Moro; Provincia di Vercelli - 3) Passo dei Salati; Provincia di Torino - 4) alta Valle Orco, 5) Colle del Sommeiller, 6) M. Rocciamelone, 7) Massiccio di Lanzo, 8) M. Banchetta;
Provincia di Cuneo - 9) Colle dell’Agnello, 9a) area del M.Viso, 10) Sampeyre, 11) Passo del La Colletta, 12) Passo della Gardetta, 13) rock glacier di Schiantala, 14) Laghi di Valscura, 15) rock glacier del Seirasso, 16) grotte con ghiaccio (ice caves) delle Alpi Liguri, 17) rock glacier del Vej del Bouc (Entracque).
Per quanto riguarda i sistemi indiretti di valutazione della presenza del permafrost, la metodologia delle misure BTS è tra le più semplici ed economiche. Anche la prospezione geofisica rientra tra le analisi indirette per l’individuazione del permafrost e, in particolare, la tomografia elettrica (ERT – Electrical Resistivity Tomography) è certamente il sistema più idoneo per la determinazione della presenza del permafrost con ghiaccio in ambito montano.

L’unico sistema per stabilire la presenza di permafrost è quello diretto, cioè il monitoraggio termico. Arpa Piemonte ha sviluppato una tipologia di monitoraggio per l’analisi degli effetti del cambiamento climatico, in base anche alle finalità del progetto PermaNet e, pertanto, le stazioni sono costituite da catene termometriche ubicate in fori verticali, effettuati in roccia, profondi alcune decine di metri (figura 5). Misurando l’andamento termico in roccia e mettendo in relazione queste misure con i dati meteo-climatici sarà possibile ottenere nel tempo delle relazioni tra clima e permafrost (figura 6).

Figura 5
Colle Sommeiller, alta Val Susa, Provincia di Torino. Fasi di realizzazione ed installazione della stazione di monitoraggio del permafrost


Fonte: Arpa Piemonte

a) Perforazione del pozzo di 100 m di profondità (esecuzione ditta So.Ge.Tec. s.r.l.); b) inserimento del tubo in HDPE nel pozzo, all’interno del quale verrà inserita la catena termometrica; c) installazione del datalogger alimentato da due batterie (inserite all’interno del tombino visibile in secondo piano) ricaricate da pannelli fotovoltaici.

I fori realizzati sono di profondità variabile: 5 m (per avere informazioni relative al comportamento dello strato attivo), 30 m (per avere informazioni relativamente alle caratteristiche climatiche attuali) e 100 m (per un’analisi anche di tipo paleo-climatico; la maggiore profondità della perforazione consente di rilevare un record termico fossile, risalente probabilmente a 200-300 anni fa circa).

Figura 6
Colle Sommeiller, comune di Bardonecchia, TO (quota 300 m). Curve termiche 2012÷2017 del pozzo di 100 m della stazione di monitoraggio del permafrost

Dati Arpa Piemonte, elaborazione a cura di INRiM.

Per valutare gli effetti superficiali degli scambi energetici tra atmosfera e litosfera, negli anni sono state installate alcune decine di sensori per la misura termica superficiale (GST – Ground Surface Temperature) in numerosi siti, sia in superficie sia in cavità naturali e antropiche. Unitamente a queste misure in continuo, i cui dati vengo raccolti in datalogger ubicati in sito, sono state effettuate una serie di misure della temperatura di superficie tramite l’utilizzo sia di termometri a contatto sia di termografie con fotocamere a raggi infrarossi.

Dati preliminari e prospettive future

I primi risultati ottenuti durante la fase conoscitiva sul permafrost e sull’ambiente periglaciale nelle Alpi piemontesi condotta da Arpa Piemonte negli ultimi anni ha portato ad un notevole incremento delle conoscenze sulla criosfera regionale. Il catasto degli elementi morfologici indicatori del permafrost di recente realizzazione ha fornito un importante aggiornamento rispetto al precedente catasto disponibile per tutto l’arco alpino italiano. Questo inventario è in continuo aggiornamento e verrà ulteriormente aggiornato e implementato nell’ambito del progetto Interreg transfrontaliero Italia-Svizzera denominato “RESERVAQUA” (2019÷2022).

Le indagini indirette condotte finora mostrano situazioni molto irregolari e differenziate nei vari settori indagati anche se la loro interpretazione è ancora in via di ulteriore definizione. Gli approfondimenti consentiranno di valutare l’attendibilità dei modelli e l’affinamento delle interpretazioni dei dati indiretti. A ciò contribuiranno in modo sostanziale i dati derivanti dalle reti di monitoraggio termico diretto, sia superficiale che in pozzo.

I primi dati disponibili dalla rete delle 5 stazioni realizzate sulle Alpi piemontesi forniscono un quadro piuttosto disomogeneo, come, peraltro, era nelle aspettative. I dati confermano una degradazione del permafrost più intensa nei settori meridionali della regione mentre sembra resistere nei settori settentrionali.

Nel prossimo futuro, le stazioni per il monitoraggio del permafrost delle Alpi piemontesi  verranno collegate alla rete globale GTN-P (Global Terrestrial Network-Permafrost), istituita dall’IPA (International Permafrost Association) nell’ambito del GCOS (Global Climate Observing System) per valutare a livello globale gli effetti del cambiamento climatico. Con questo obiettivo, al monitoraggio del permafrost sono stati anche affiancati studi sulle relazioni tra permafrost e risorse idriche in alta quota, finalizzate sia a valutare qualitativamente la risorsa idrica scaturente da circuiti idrogeologici interferenti con acquiferi in condizioni di permafrost, sia per analizzare la risposta alle forzanti climatiche degli ecosistemi acquatici nei settori alto-montani.

Una grande sfida che si sta affrontando da alcuni anni sia a livello globale che a livello regionale è quella di analizzare i possibili scenari legati ai rischi naturali in ambiente di alta montagna al fine di valutare le conseguenze e le strategie di mitigazione del rischio legato ai cambiamenti climatici (vedi permafrost 2018). Infatti, nel corso degli ultimi decenni è stato osservato un aumento dell’intensità e della frequenza di frane e di colate detritiche lungo l’arco alpino. Dalla fine degli anni 70 del XX secolo l’incremento delle temperature sulle Alpi risulta maggiore rispetto alla media globale ed è ormai la stretta relazione tra il numero di distacchi rocciosi e l’aumento della temperatura. Non è dunque un caso che un gran numero di crolli si siano verificati nelle estati più calde (come nel 2003 o nel 2015), coinvolgendo anche versanti nord e porzioni di montagne anche al di sopra dei 4000 m.

In considerazione degli scenari di cambiamento climatico e degli effetti attesi in alta quota, negli ultimi anni non solo la comunità scientifica, ma anche le amministrazioni pubbliche che si occupano di pianificazione del territorio, di protezione civile, di gestione del rischio e delle risorse idriche hanno aumentato il proprio interesse verso il permafrost e l’ambiente periglaciale.

Permafrost e risorse idriche: l’acqua nascosta delle Alpi

Le Alpi sono un simbolo iconico dell’Europa. Meta turistica tra le più rinomate del continente, la catena montuosa non offre soltanto località in cui trascorrere le vacanze. Da lì proviene il 40 per cento dell’acqua dolce d’Europa, che soddisfa il fabbisogno di decine di milioni di europei nelle zone di pianura. Infatti, quest’acqua dolce è vitale non solo per gli otto Stati dell’arco alpino, ma per una parte enorme dell’Europa continentale. Non c’è da stupirsi se le Alpi sono anche conosciute come il “serbatoio idrico d’Europa”.

Durante l’inverno l’acqua viene accumulata e immagazzinata nei ghiacciai, nei laghi, nei corpi idrici sotterranei e nel suolo delle Alpi sotto forma di neve e ghiaccio. Viene poi progressivamente rilasciata quando il ghiaccio e la neve fondono durante la primavera e l’estate e alimentano fiumi quali il Danubio, il Reno, il Po e il Rodano, le cui sorgenti sono tutte su queste montagne. Ciò rende disponibile acqua quando in pianura l’offerta diminuisce e la domanda raggiunge il massimo livello.

Elementi della criosfera come permafrost e ghiacciai sono in grado di influenzare le dinamiche fisiche e chimiche delle acque d'alta montagna, specialmente nel contesto dell'attuale rapida evoluzione climatica. La degradazione del permafrost (terreno perennemente congelato) può facilitare il rilascio di acque mineralizzate nei circuiti idrici superficiali e sotterranei a causa della fusione del ghiaccio interstiziale e dell'incremento dei processi di alterazione su superfici minerali recentemente scongelate. Analoghi processi avvengono nei rock glacier (letteralmente “ghiacciai rocciosi”), che sono considerati come forme geomorfologiche indicatrici della presenza di permafrost con ghiaccio (figura 7).

Figura 7
Rock glacier di Schiantalà nelle Alpi Marittime cuneesi

Foto: Archivio Arpa Piemonte

Visione del settore di unghia a valle, con il piccolo lago di raccolta delle acque di fusione.
La fusione dei ghiacciai può comportare un incremento del contenuto dei soluti nelle acque superficiali a causa dell'aumento dei tempi di residenza delle acque all'interno dei sistemi idrologici glaciali e della recente esposizione di superfici minerali agli agenti atmosferici. In genere, gli effetti maggiori dell'evoluzione degli elementi criosferici sulle caratteristiche delle acque sono riscontrabili alla fine della stagione estiva e all'inizio dell'autunno, quando il contributo della fusione nivale è limitato o nullo.

I primi risultati di alcuni progetti internazionali mostrano che le acque provenienti dallo scongelamento del permafrost possono contenere alte concentrazioni di metalli pesanti. In alcune zone queste concentrazioni sono molto superiori ai valori limite dell’acqua potabile. Nel corso del progetto Interreg IV Italia-Austria “Permaqua” (2011÷2015), per esempio, è stato scientificamente provato che questi metalli pesanti non provengono né dal substrato roccioso né dal detrito dei rock glacier, benché contenuti in alte concentrazioni nel ghiaccio delle carote estratte da alcuni rock glacier.

Nell’ambito di tale studio, si è osservato che le condizioni di deflusso nei rock glacier in zone con rocce metamorfiche sono caratterizzate da forti oscillazioni sia durante l’arco della giornata che stagionali. Il deflusso è più forte nel periodo del disgelo (giugno), poi diminuisce costantemente verso la fine dell’estate e in autunno, e nei mesi invernali raggiunge un livello minimo. La temperatura dell’acqua delle sorgenti alimentate da rock glacier intatti (contenenti ghiaccio) è costantemente molto bassa, con temperature inferiori a 1,5 °C e molto spesso inferiori a 1 °C. Le sorgenti sono caratterizzate da conducibilità elettrica molto elevata e, la maggior parte, contiene un’alta quantità di nichel e altri metalli (figura 8).

Figura 8
Concentrazione in Nichel nelle acque di fusione scaturenti da un rock glacier in Valle d’Aosta comparati con i termini di legge


Fonte: Arpa Valle d’Aosta, dati preliminari
Grazie al contenuto vegetale contenuto nel ghiaccio e campionato durante le perforazioni, si è potuto anche datare il ghiaccio stesso contenuto nei rock glacier, riscontrando età variabili da circa 8.000÷10.000 anni fa (alla base) fino a 2.000÷5.000 anni fa (verso la superficie) in alcuni rock glacier delle Alpi italiane.

L’attuale ciclo idrologico costituito dalle acque di fusione derivati da ghiacciai e manto nevoso è minacciato dai cambiamenti climatici. I rock glacier (RG) sono climaticamente più resistenti dei ghiacciai e potenzialmente contengono idrologicamente preziosi volumi di ghiaccio. Tuttavia, mentre la distribuzione e l'importanza idrologica dei ghiacciai è ben conosciuta e studiata in modo approfondito, i RG hanno ricevuto relativamente poca attenzione.

In uno studio pubblicato recentemente su Nature, che considera i catasti dei rock glacier a livello mondiale in cui sono inventariate oltre 73.000 forme, gli autori stimano, in prima approssimazione, il volume d’acqua disponibile calcolato in 83,72 ± 16,74 Gt (1Gt=1km3). Tale riserva idrica assume particolare importanza in contesti climatici aridi e sub-aridi e nel quadro di attuale dinamica climatica di ampie aree montane a livello globale.

Un altro elemento della criosfera poco conosciuto è il ghiaccio contenuto all’interno delle grotte. Si tratta di grotte naturali formate nella roccia che contengono accumuli perenni di acqua nella sua fase solida e che molti autori includono tra i fenomeni di permafrost sporadico (figura 9).

Figura 9
Alpi Liguri, quota 1900 m circa. Ghiaccio in cavità naturale di origine carsica

Foto: B. Vigna, Politecnico di Torino
La formazione, conservazione ed evoluzione di tali masse di ghiaccio sono legate a particolari condizioni climatiche che consentono la loro esistenza in diversi tipi di ambienti, spesso a un'altitudine con una temperatura dell'aria media annua esterna (MAAT) ben superiore a 0°C. L'accumulo di aria fredda nella grotta durante l'inverno sembra rappresentare la ragione principale per lo sviluppo e la conservazione delle condizioni fredde che portano ad un progressivo accumulo di ghiaccio. Il ghiaccio si forma attraverso diversi meccanismi come la ricristallizzazione della neve, il ricongelamento dell'acqua percolante o, con molto meno contributo, la sublimazione e la deposizione di vapore d'aria nelle caverne.

Negli ultimi anni, Arpa Piemonte ha iniziato a studiare e a monitorare questi sistemi criologici, osservando direttamente la rapidità di evoluzione del ghiaccio in grotta a causa del riscaldamento atmosferico. Il ritiro delle masse glaciali è costante e intenso, di anno in anno; e gli scenari di riscaldamento dei prossimi anni, accompagnati da riduzioni nelle precipitazioni solide invernali, indicano che abbiamo poco tempo per raccogliere tutte le informazioni possibili da questi registri climatici fossili. Di pari passo, sarà di notevole importanza comprendere anche il ciclo idrologico collegato alla formazione ed evoluzione di questi stock idrici all’interno delle cavità naturali, sia in termini quantitativi sia in termini qualitativi.

Alcuni problemi restano ancora senza risposta. Ad esempio uno dei problemi ancora in discussione e non ben compreso è legato alla presenza di ghiaccio nelle caverne situate alla stessa altitudine e nella stessa area in cui altre grotte non presentano tali depositi. Un altro importante problema correlato è associato all'enorme potenziale di datazione del materiale organico incluso nel ghiaccio e ai depositi di calcite. Recenti indagini svolte nelle Alpi hanno consentito di riconoscere e datare dei cristalli di calcite di chiara origine criologica che hanno consentito di definire un’età di formazione del ghiaccio, riferibile in alcuni casi ai periodi caldo-temperati degli optimum climatici medievale e di epoca romana.
Queste informazioni, unitamente ai dati dei monitoraggi tuttora in corso, consentiranno di rendere più chiara l'evoluzione del clima e del paleo-clima durante l'Olocene, non solo su scala locale ma anche su scala più ampia, specialmente per quanto riguarda le fasi di formazione e scongelamento del permafrost.

Nelle Alpi piemontesi, l’area carsica delle Alpi Liguri ha un grande potenziale come laboratorio naturale per lo studio e il monitoraggio del ghiaccio in grotta. Ciò grazie alla pluridecennale tradizione speleologica, all'enorme numero di grotte presenti, alcune di queste di notevole profondità, e al gran numero di depositi di ghiaccio permanenti segnalati dagli speleologi.

In conclusione, lo studio e il monitoraggio dei rock glacier e delle grotte con ghiaccio (ice caves) consentiranno di apportare un notevole e innovativo contributo alla comprensione dei sistemi idrologici montani. Comprendere la disponibilità idrica, sia in termini di quantità sia di qualità sarà di fondamentale importanza una piena comprensione di tutti gli input idrologici del sistema idrologico di alta montagna per giungere ad una efficace gestione della risorsa idrica e per mitigare o adattarsi agli impatti dei cambiamenti climatici.