Il permafrost (contrazione dei termini inglesi “perennially frozen ground”) viene definito come terreno o roccia che presenta una temperatura minore o uguale a 0 °C per almeno due anni consecutivi, indipendentemente dalla presenza di ghiaccio.

Nell’area montana piemontese è un elemento della criosfera, definita come la “porzione della Terra in cui l’acqua si trova allo stato solido”. In ambito alpino fanno parte della criosfera la neve stagionale e perenne, i ghiacciai, il permafrost, il terreno congelato e il ghiaccio che si forma su corsi d'acqua e laghi. Si tenga però in considerazione che la presenza del ghiaccio per la definizione del permafrost non è un elemento fondante, in quanto il geo-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).

Tra le componenti della criosfera, il permafrost è sicuramente l’elemento più difficile da osservare, benché sia quello più diffuso al mondo e per questo motivo viene definito come “la componente nascosta della criosfera”.  Lo studio e il monitoraggio del permafrost sono relativamente recenti e negli ultimi anni hanno avuto un forte impulso grazie all’attenzione crescente posta dalla comunità scientifica e dall’opinione pubblica sia ai cambiamenti climatici, sia agli effetti del riscaldamento globale nelle aree alto alpine in quanto il permafrost è direttamente collegato alle caratteristiche climatiche sia globali che locali ed il suo monitoraggio fornisce un importante contributo alla comprensione dei cambiamenti climatici in area montana, dei rischi naturali in alta quota e sul ciclo idrologico delle terre alte.

L’ambiente (o dominio) periglaciale comprende tutte le aree del pianeta in cui l’azione del gelo è prevalente, indipendentemente dalla presenza dei ghiacciai sia nello spazio che nel tempo. Il termine è stato definito all’inizio del XX secolo dai ricercatori polacchi che studiavano le aree limitrofe alla grande calotta glaciale che occupava il Nord Europa durante l’Era Glaciale Quaternaria. Per questo definirono “periglaciale” questo ambiente, caratterizzato da scarse precipitazioni nevose e da temperature rigide che innescano nei geo-materiali processi tipici di queste condizioni climatiche. Il permafrost è caratteristico delle aree periglaciali mentre non in tutte le aree periglaciali è presente il permafrost.

Le attività di studio e monitoraggio dell’ambiente periglaciale e del permafrost svolte da Arpa Piemonte sono affidate dal 2018 al Dipartimento Rischi Naturali e Ambientali, nell’ambito del servizio istituzionale specifico denominato “B3.19 - Monitoraggio permafrost”. Queste attività hanno preso avvio in Arpa Piemonte nel 2006 e si sono sviluppate in modo significativo nel periodo 2008÷2011 durante il progetto europeo “PermaNet – permafrost long-term monitoring network” (Programma Interreg Alpine Space 2007÷2013). Ulteriori sviluppi nelle attività si sono avuti in occasione dei progetti Interreg transfrontalieri Italia-Francia (“RiskNat” e “PrévRiskHauteMontagne”) e Italia-Svizzera (“Reservaqua”), quest’ultimo tuttora in corso.

Nei paragrafi seguenti, vengono presentate in sintesi le attività svolte nell’ambito del servizio B3.19 al fine di illustrare la vasta gamma di interventi in campo e di elaborazione dati necessarie a fornire un quadro regionale delle informazioni inerenti allo studio e monitoraggio del permafrost nelle Alpi piemontesi. Le attività condotte in Piemonte sono strettamente legate a quelle svolte da altri operatori nelle varie regioni alpine sia italiane che estere. Infatti, è importante sottolineare la rilevanza di queste reti di conoscenza che consentono un continuo scambio di informazioni e di confronto tecnico-scientifico al fine di garantire sia la crescita professionale degli operatori sia il rigore scientifico delle analisi e dei risultati. È quindi fondamentale rilevare come i principali momenti di scambio con altre realtà avvengano in occasione dei progetti europei che costituiscono una fonte economica importante attraverso la quale si finanziano start-up e sperimentazioni, ma, soprattutto, tali progetti consentono di ampliare la realtà operativa passando dal locale al globale. A questo proposito, si invita il lettore alla consultazione sia dei siti web dei progetti citati nel testo, sia del Country Report dell’IPA (International Permafrost Association) che raccoglie i contributi di tutte le realtà italiane (Arpa Piemonte inclusa) ed internazionali che si occupano di permafrost.

Le attività principali legate al servizio B3.19 riguardano la manutenzione delle 5 stazioni di monitoraggio del permafrost e della stazione di monitoraggio multi-parametrico geotecnico-termico del Rocciamleone e l’analisi dei dati derivanti dal monitoraggio climatico. Nel 2021 è stata effettuata la manutenzione cosiddetta “ordinaria”, con sostituzione delle batterie di alimentazione ed il download dei dati dagli acquisitori, nelle stazioni del Passo della Gardetta a quota 2500 m (CN) e del Passo de La Colletta a quota 2870 m (CN, Figura 1). Nei siti del Colle Sommeiller a quota 2985 m (TO, Figura 2), del Passo del M. Moro a quota 2870 m (VB, Figura 3) e del Passo dei Salati – Corno del Camoscio a quota 3010 m (VC) sono stati necessari anche interventi di manutenzione straordinaria, oggetto di specifico contratto con ditta esterna. Al Colle Sommeiller e al Passo del M. Moro è stato necessario rinforzare il sistema di ancoraggio al suolo della parte aerea dei tralicci alti 4 m. Al Passo dei Salati-Corno del Camoscio, oltre a predisporre il sistema di ancoraggio con tiranti in acciaio, prima inesistente, è stato necessario sostituire il supporto a palo preesistente con un traliccio in alluminio a base quadrata alto 2 m, sul quale sono stati posizionati il datalogger ed il pannello solare. Questi interventi di rinforzo, benché definiti straordinari, rientrano nella normalità degli interventi di manutenzione effettuati di anno in anno sulle varie stazioni che sono soggette a forti sollecitazioni meccaniche legate alle condizioni climatiche estreme delle alte quote.

La stazione di monitoraggio multi-parametrico del Rocciamelone, dedicata allo studio delle relazioni tra degradazione del permafrost e rischi naturali, non ha necessitato di interventi di manutenzione nel 2021, dopo l’importante lavoro effettuato nel 2019-2020 per ripristinare la stazione, pesantemente danneggiata dai fulmini nel luglio 2018.

Visibile il tombino aperto con il datalogger e le batterie (©L. Paro, archivio Arpa Piemonte, 20 agosto 2021). La stazione de La Coletta è l’unica stazione di monitoraggio del permafrost che ha ancora il sistema di registrazione ed alimentazione posto sotto il piano campagna. Nel settembre 2020 è stata effettuata la taratura in sito della catena termometrica a cura dell’INRiM (Istituto Nazionale per la Ricerca Metrologica).

Smontaggio del sistema di ancoraggio a tre punti e perforazione dei nuovi punti di ancoraggio (©L. Paro, archivio Arpa Piemonte, 11 ottobre 2021). Questa stazione è il sito chiave della rete di monitoraggio permafrost di Arpa Piemonte costituita da 3 pozzi di 5, 10 e 100 m di profondità. Nel 2018 e nel 2020 è stata effettuata la taratura in sito delle catene termometriche a cura dell’INRiM (Istituto Nazionale per la Ricerca Metrologica)

Oltre alle misure in pozzo nei siti di monitoraggio del permafrost, contribuiscono alla definizione delle condizioni termiche dei geo-materiali anche altri tipi di misure che permettono in modo indiretto di ottenere informazioni sulla distribuzione e sulla evoluzione del permafrost. A questo proposito, Arpa Piemonte si occupa del monitoraggio GST (Ground Surface Temperature) che consiste in una rete di strumenti termici superficiali (circa 150 in tutto il Piemonte) inseriti nei geo-materiali a profondità variabili tra i 5 ed i 100 cm.

Nel 2021 è stata effettuata la manutenzione ordinaria/straordinaria dei 12 siti GST nelle Alpi piemontesi installati a partire dal 2013 con download e analisi dei dati. Rispetto al 2020 si sono riscontrate minori anomalie a causa di infiltrazioni di acqua nei datalogger ma si è dovuto procedere con la sostituzione delle batterie in molti strumenti, alcuni dei quali con registrazione assente da alcuni mesi a causa proprio dell’esaurimento delle batterie. A questa rete appartengono anche i siti facenti parte della sotto-rete “Ice Caves”, gestita in collaborazione con il DIATI del Politecnico di Torino. La rete Ice Caves è dedicata al monitoraggio delle grotte con ghiaccio, elementi molto particolari della criosfera piemontese, in quanto costituiscono l’ultimo elemento “glaciale” del settore più meridionale dell’intero arco alpino (maggiori dettagli nella Relazione sullo Stato dell’Ambiente 2019 e 2020, Figura 4).

È stato installato un nuovo sito di monitoraggio termico aria - neve - acqua di infiltrazione in prossimità dell’ingresso della grotta turistica di Bossea (Frabosa Soprana, CN, Figura 5). Nella grotta di Bossea, dove sono presenti da molti anni due importanti laboratori (Laboratorio carsologico del CAI ed il Laboratorio di idrogeologia carsica del DIATI - Politecnico di Torino), a partire dal novembre 2019 è stata installata una terza stazione scientifica denominata “Centro di ricerche climatologiche della Grotta di Bossea”, dedicata a Giovanni Badino, fisico e speleologo che ha posto le basi scientifiche della climatologia sotterranea, scomparso nel 2017. Tale struttura, finanziata dal progetto Paleo-lab del Politecnico di Torino e dal Laboratorio carsologico di Bossea, opera in collaborazione con Arpa Piemonte e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM). La finalità principale del centro è quella di studiare nel tempo le relazioni tra le temperature di roccia - acqua - aria nella cavità e la situazione climatica in superficie.

Nel 2021 è stato anche installato un nuovo sito di monitoraggio nivologico in quota presso il Monte Malanotte (Prato Nevoso, Frabosa Sottana, CN) ed un sito di monitoraggio termico aria - suolo - roccia presso la dolina di loc. Turbiglie (Pamparato, CN), monitorata negli anni passati dall’Università di Pisa e nella quale sono state registrate alcune tra le temperature più basse a livello regionale.

L’attività di monitoraggio delle “sorgenti fredde”, iniziata nel 2014, è attualmente condotta nell’ambito delle attività legate al progetto europeo Interreg Italia-Svizzera “Reservaqua” (Implementazione di una REte di SERvizi per lo studio, la protezione, la valorizzazione e la gestione sostenibile dell’ACQUA a scala locale e regionale su un territorio transfrontaliero alpino) di cui Arpa Piemonte è partner. Nell’ambito di tale progetto, Arpa Piemonte intende realizzare in particolare un modello idrogeologico dei rock glacier e per raggiungere tale obiettivo valorizzerà tutto il lavoro fatto negli ultimi anni su tali corpi detritici (maggiori informazioni nella Relazione sullo Stato dell’Ambiente 2019 e nella presentazione a cura dell’Università di Pisa). Per l’implementazione del modello saranno necessari ulteriori dati strumentali per definire il bilancio idrologico e per questo motivo sono state acquistate sonde multi-parametriche per la misura di temperatura, conducibilità e livello delle acque di sorgente, e sensori di precipitazione non capacitivi di tipo radar-doppler in grado di misurare le diverse tipologie di precipitazione (liquida e solida), l’intensità e la quantità totale. 

Per definire gli aspetti quali-quantitativi delle acque in ambiente periglaciale, in ambito progettuale si sono attivate dal 2020 delle collaborazioni con il CNR-IRSA (Istituto di Ricerca Sulle Acque) con sede a Verbania, per l’analisi chimica delle acque, e con il Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Pisa, per la valutazione dell’acquifero rock glacier attraverso indagini geofisiche. Nel corso del 2021 sono state effettuate campagne di campionamento delle acque in diversi rock glacier del Piemonte (Figura 6) e, nell’ambito di un inter-confronto con gli altri enti partner del progetto, sono state campionate anche le acque del rock glacier valdostano in località Gran Sometta (Cervinia, Valtournanche, AO). Le acque di quest’ultimo sito sono state analizzate da tre laboratori (Arpa Piemonte, Arpa Valle d’Aosta, CNR-IRSA) per valutare differenze ed analogie con gli altri corpi idrici campionati e per standardizzare i metodi di campionamento ed analisi.

Nel complesso i dati del 2021, basati si un numero maggiore di siti di indagine, hanno confermato alcune osservazioni già emerse dalle campagne del 2020:

• La chimica delle sorgenti da rock glacier nei siti piemontesi considerati appare abbastanza simile, pur con alcune differenze legate alla geologia locale, e caratterizzata da un contenuto di soluti medio-basso e dall’assenza di metalli in concentrazioni critiche. Questi risultati vanno nella direzione di indicare come il rilascio di metalli e di soluti (soprattutto solfati) in elevate quantità dai rock glacier, descritto per alcuni siti delle Alpi orientali non è da ritenersi un segnale comune per tutte le acque influenzate da rock glacier ma potrebbe essere una peculiarità dell’area indagata;
• I laghi, a valle di rock glacier e parzialmente influenzati dalle acque provenienti da questi ultimi, presentano in genere un chimismo modificato rispetto alle sorgenti perché influenzati anche da acque di diversa provenienza e da processi a scala di bacino o interni al lago;
• I dati raccolti nel 2021 nei siti di monitoraggio a lungo termine hanno confermato le tendenze in atto (con aumento di soluti), pur indicando un’elevata variabilità interannuale, legata soprattutto alle condizioni meteo-idrologiche precedenti il campionamento. Mantenere attivo monitoraggio in questi siti è fondamentale per indagare gli effetti dei cambiamenti climatici, attraverso l’interazione con la criosfera, sulle acque in alta quota.

Le principali attività di rilievo in campo in area periglaciale condotte nell’anno 2021 hanno consentito la raccolta di:
1) dati termici (tramite termocamera ad infrarossi o con sonde manuali),
2) fotogrammetrici (tramite rilievi con “drone”, in collaborazione con Arpa Valle d’Aosta), 3) GNSS (tramite sistemi di misura RTK), 4) geofisici (ERT e HVSR, in collaborazione con DST-UniPisa) e
5) multiparametrici delle acque di sorgente (T, Ec, pH, portata in collaborazione con CNR-IRSA e DIATI-PoliTO).

Arpa Piemonte ha affidato al Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Pisa (resp. Prof. Adriano Ribolini) l’incarico di svolgere indagini geofisiche di coperture detritiche in ambiente periglaciale alpino ai fini di individuare la presenza di permafrost, e di contribuire allo sviluppo di un protocollo per definire la quantità di acqua equivalente. Per gli scopi dell’attività sono stati scelti il rock glacier Vej del Bouc nelle Alpi Marittime (CN), alcuni rock glacier e aree potenzialmente interessate da permafrost nella zona dell’Alpe Veglia (rock glacier Le Caldaie in Valle Cairasca, Alpi Lepontine, VB) e della Val Formazza (VB). Questa attività è in continuazione con precedenti studi analoghi nella Alpi Marittime e nell’area del Monviso effettuati dall’Università di Pisa in collaborazione con Arpa Piemonte. Sul rock glacier Vej del Bouc e Le Caldaie sono state condotte indagini tramite Ground Penetrating Radar (GPR), mentre nell’area del rock glacier Sabbione in Val Formazza sono state condotte indagini di resistività elettrica (Electrical Resistivity Tomography, ERT).

I risultati ottenuti dall’elaborazione dei dati sono interpretati preliminarmente anche alla luce dei risultati pregressi. Nel sito Vej del Bouc (Figura 7) la correlazione fra i dati GPR e quelli ERT eseguiti in precedenza conferma le profondità della base dello strato attivo (la parte superficiale del permafrost che scongela in estate) che si attesta intorno ai 2-5 m, mentre il drastico incremento della resistività elettrica riscontrato a profondità variabili fra 5 e 7 m di profondità conferma che si tratta dell’inizio dell’orizzonte detritico ricco in ghiaccio (permafrost). Le indagini fin qui condotte sul rock glacier Vej del Bouc consentiranno, nel prossimo futuro, di effettuare una stima del volume dell’accumulo detritico caratterizzato dalla presenza di ghiaccio e di valutare il rapporto fra ghiaccio e detrito, e quindi di stimare quantitativamente la risorsa idrica immagazzinata in forma solida.

L’indagine svolta nei pressi di un rock glacier sul versante destro delle Valle del Sabbione nell’alta Valle Formazza (Figura 8) ha interessato un versante che presenta diversi fenomeni gravitativi superficiali che fanno ritenere che l’accumulo detritico sia soggetto a mobilizzazione. La superficie infatti si presenta disarticolata, con fenomeni legati alla presenza di ground-ice in fusione discontinua (es. solifullissi, geliflussi, earth hummock). L’indagine è stata svolta nel settore di versante adiacente al rock glacier quindi, sebbene i risultati non possano essere estesi tout-court, le indicazioni che ne emergono possono contribuire in maniera indiretta alla valutazione della presenza del permafrost nei rock glacier in questa parte del bacino.

Da un punto di vista interpretativo è possibile sostenere che al di sotto della parte superiore del versante vi sia detrito mediamente ricco in ghiaccio, distribuito in maniera omogenea con solamente un possibile aumento di concentrazione nella parte centrale. Questo orizzonte ricco in ghiaccio si sviluppa a partire da 4-5 m di profondità fino a più di 30 m. Procedendo verso valle, in prossimità di un gradino morfologico, questo orizzonte ricco in ghiaccio termina bruscamente formando un limite sub-verticale di resistività. Nella parte centrale si evidenzia una forma lenticolare allungata verso valle di detriti poco o nulla interessati da ghiaccio e localmente ricchi in acqua la cui provenienza può essere, in buona parte, riferibile alla fusione del ghiaccio interstiziale alle quote superiori del versante. La presenza di acqua soggetta a congelamento periodico motiva l’esistenza delle forme periglaciali/criogeniche prima elencate (geli/soli-flussi, earth hummocks). L’indagine ERT mette quindi in evidenza come, in un bilancio idrologico che vuole tenere conto della riserva d’acqua rappresentata dal ghiaccio all’interno degli accumuli detritici lungo i versanti, sia opportuno considerare non solo il permafrost dei rock glacier ma anche quello potenzialmente presente in accumuli di versante di diversa origine (falde/coni di detrito).

Grande importanza viene data alle attività di comunicazione inerenti ai temi dello studio e monitoraggio dell’ambiente periglaciale e del permafrost svolti da Arpa Piemonte attraverso i diversi canali informativi. Dati ed informazioni vengono continuamente aggiornati nelle apposite pagine del sito internet istituzionale e nelle pagine della Relazione sullo Stato dell’Ambiente di Arpa Piemonte - Regione Piemonte. In occasione di convegni, o su riviste scientifiche specializzate o su testi di divulgazione tecnico-scientifica vengono anche pubblicati dati elaborati o sintesi di attività svolte. Nel 2021 è stato pubblicato il “Rapporto sugli indicatori di impatto dei cambiamenti climatici” (Report SNPA n. 21/2021) a cura del SNPA, in cui è stato inserito anche l’indicatore “Stato termico del permafrost” a cura di Arpa Piemonte e Arpa Valle d’Aosta. A livello internazionale, le attività principali di Arpa Piemonte sono sintetizzate nel Country Report IPA (International Permafrost Association) ed è stato presentato un poster sui temi del progetto Reservaqua a cura del CNR-IRSA e Arpa Piemonte al XXV Congresso AIOL (Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia) tenutosi on-line dal 30 giugno al 2 luglio 2021.

Anche le attività di formazione e seminariali rivestono una grande importanza nel veicolare informazioni e dati sul tema permafrost da parte di Arpa Piemonte verso la cittadinanza, le scuole o gli esperti di dominio. Le principali attività di formazione svolte nel 2021 sono consistite in una lezione da remoto (webinar) organizzata da Arpa Piemonte e Università di Torino nell’ambito del seminario tematico dal titolo “Clima e montagna - Gli effetti del cambiamento climatico sul permafrost” (8 giugno 2021) e in un webinar organizzato da Arpa Piemonte ed INRiM nell’ambito del progetto Interreg IT-CH “Reservaqua” dal titolo “Il contributo della metrologia per il monitoraggio del permafrost, della temperatura dell'aria e delle precipitazioni” (1, 2 e 3 dicembre 2021).

Infine, i tecnici di Arpa Piemonte hanno seguito come correlatori esterni la tesi magistrale dal titolo “Modeling the role of the cryosphere in the definition of ground temperature in an alpine permafrost area” dell’Ing. Yara Hammoud (relatore Prof. Jost von Hardenberg), svolta presso il DIATI del Politecnico di Torino nell’ambito del corso di laurea in Climate Change.