Bilanci di Massa Glaciologici

Cosa si intende per bilancio di massa

Il bilancio di massa è uno dei parametri più significativi e maggiormente utilizzati nello studio dell’evoluzione dei ghiacciai. Viene calcolato come somma algebrica degli accumuli (apporti nevosi) e delle perdite (ablazione) verificatisi nell’arco dell’anno meteorologico (convenzionalmente dal 1° ottobre al 31 settembre), espressi in millimetri o metri di acqua equivalente. Il risultato del bilancio di massa annuale rappresenta il vero indicatore dello “stato di salute” di un ghiacciaio. Gli apporti di massa comprendono, oltre alle precipitazioni nevose dirette, gli apporti valanghivi, il trasporto eolico, ed i fenomeni di condensazione, mentre i fattori di segno negativo riguardano la fusione nivo-glaciale (sia superficiale, dovuta all’irraggiamento solare, sia al contatto ghiaccio-roccia lungo il letto glaciale, dovuta al flusso di calore geotermico), il calving, fenomeni di erosione (eolica o da valanga) e la sublimazione.

I principali fattori, in termini quantitativi sono solitamente le precipitazioni invernali e la fusione estiva; gli apporti valanghivi possono, in ghiacciai di piccole dimensioni, rappresentare il fattore principale che ne governa la dinamica. Sommando algebricamente i termini sopra descritti si ottiene il bilancio di massa netto annuo del ghiacciaio.

I bilanci di massa SGL

Calcolare il bilancio di massa di un ghiacciaio richiede un notevole impegno sia per il numero di rilievi sul campo che per la strumentazione da installare sul ghiacciaio oltre alla complessa fase di analisi dei dati raccolti.

Per questo viene svolto continuativamente solo su pochi ghiacciai che presentano caratteristiche morfologiche che ne facilitano le operazioni e che possono essere considerati come rappresentativi dell’andamento del settore che li ospita. Il SGL effettua il bilancio di massa completo, ovvero invernale, estivo e netto, esteso all’intera superficie dei ghiacciai Suretta Sud (settore Spluga-Lej), Lupo (settore Orobie) e Campo Nord (settore Livigno). Inoltre, il bilancio di massa netto puntuale, ovvero valutato su singoli punti rappresentativi (paline ablatometriche), e quindi non esteso sull’intera superficie del ghiacciaio, viene effettuato in oltre 60 punti distribuiti su 15 ghiacciai che coinvolgono tutti i settori montuosi delle alpi lombarde.

In entrambi i metodi, le variazioni negative di spessore, corrispondenti a perdite di massa, vengono convertite in millimetri di acqua equivalente utilizzando un opportuno valore di densità del ghiaccio come fattore di conversione; dove invece la variazione è positiva, dato che si tratta di neve residua e non ancora trasformata in ghiaccio, è necessario effettuare ulteriori misure di densità della neve o del firn accumulati, poiché in questo caso il range variabilità è ampio.

Localizzazione dei ghiacciai oggetto di bilancio di massa distribuito sull’intera superficie del ghiacciaio in Lombardia da parte di SGL

Le serie di bilancio di massa puntuale (ovvero valutato su una singola palina, o coppia di paline limitrofe). Per ogni sito viene indicata la quota del ghiacciaio nel punto indagato all’inizio ed alla fine della serie. Per tutti e 4 i ghiacciai oggetto di studio viene monitorato il bilancio invernale, estivo e netto.

Le serie di bilancio di massa esteso all’intera superficie del ghiacciaio comprensivo di indice AAR e curva di bilancio cumulato per i 3 ghiacciai oggetto di rilievo dettagliato. Fino al 2010 venivano prevalentemente condotti bilanci geodetici con GPS differenziale mentre successivamente i dati sono derivati da bilancio glaciologico classico. Al ghiacciaio di Campo Nord-Paradisin viene misurato il solo bilancio netto alla fine della stagione di ablazione.

• Bilancio di massa geodetico

La superficie del ghiacciaio viene rilevata, sempre al termine dell’annata glaciologica (fine settembre-metà ottobre) mediante rilievi topografici diretti o aerofotogrammetrici; il confronto tra modelli di superficie (DEM, Digital Elevation Model) relativi a due rilievi consecutivi consente di ottenere il bilancio di massa netto con una risoluzione molto elevata. Questo metodo, rispetto a quello glaciologico consente di acquisire le variazioni morfologiche della superficie glaciale, che permettono a loro volta di individuare i trasferimenti di massa dalla zona di alimentazione alla zona di ablazione.

Bilancio geodetico con GPS differenziale: si utilizza una coppia di ricevitori GPS geodetici operanti in modalità differenziale, rispettivamente posti su un punto di riferimento ubicato nel raggio di alcuni chilometri di distanza dall’area da rilevare e sulle spalle di un operatore che percorre la superficie del ghiacciaio. Così facendo, è possibile determinare le coordinate dei punti costituenti la traiettoria seguita dall’operatore, secondo una cadenza temporale o spaziale predefinita. La serie di punti rilevata rappresenta la base per la ricostruzione della superficie del ghiacciaio grazie a tecniche di interpolazione. Questa tecnica, applicata fin dal 2002 da Andrea Tamburini sul ghiacciaio di Suretta Sud, viene tutt’ora utilizzata dal SGL sugli stessi ghiacciai dove viene effettuato il bilancio glaciologico con cadenza biennale o triennale come riferimento utile per mettere in luce eventuali errori nel calcolo del bilancio glaciologico.

Rilievo della superficie del ghiacciaio del Lupo con GPS differenziale 5 ottobre 2008 (foto V. Sciaresa)

Ghiacciaio del Lupo: risultato del confronto tra le superfici glaciali del 2008 e del 2009 al fine del calcolo di bilancio di massa annuale con metodo geodetico. I valori riportati in legenda rappresentano le variazioni di quota della superficie. Le variazioni negative sono interpretate come spessore di ghiaccio perso, mentre le variazioni positivie sono da attribuire ad accumuli valanghivi, neve e firn, pertanto prima del calcolo del bilancio di massa, tutti i valori vanno trasmorati in mm W.eq., per permetterne il confronto. Nell’elaborazione presentata in figura non è stata analizzata tutta la superficie glacializzata, a causa dell’impossibilità di effettuare le misure gps in alcune aree del ghiacciaio. Il rilievo aereofotgrammetrico con drone permette di superare queste limitazioni. 

Bilancio geodetico aerofotogrammetrico: lo sviluppo di droni fotografici ha permesso lo sviluppo dei bilanci geodetici su base aereofotogrammetrica che rappresentano oggigiorno una valida soluzione per ottenere modelli digitali del terreno estremamente dettagliati ed accurati capaci di restituire bilanci di massa particolarmente rappresentativi. Similmente al bilancio geodetico con GPS differenziale, sul campo si misurano le coordinate x, y, z di target specifici che vengono posati sul ghiacciaio e nelle aree circostanti per la sola durata del rilievo. Contestualmente il drone effettua una traiettoria di volo predefinita automatizzata durante la quale scatta numerose immagini del ghiacciaio che, grazie a tecniche fotogrammetriche, permettono la creazione di una nuvola di punti estremamente densa che permette la creazione per interpolazione di un modello digitale della superficie del ghiacciaio. Le coordinate dei target, misurate con accuratezza centimetrica grazie al GPS, consentono la georeferenziazione del modello 3D che diventerà quindi confrontabile con i modelli degli anni precedenti e successivi. Il SGL, grazie alle competenze dronistiche di Paolo Gallo, ha iniziato nel 2018 ad utilizzare questa tecnica sui ghiacciai di Suretta Sud, Campo Nord e Vitelli.

L’operatore drone Paolo Gallo sulla  Vedretta Piana (Passo dello Stelvio) in occasione di un rilievo aereofotgrammetrico, 17 settembre 2019 (foto G. Prandi)

Modello tridimensionale della fronte del ghiacciaio dell’Adamello-Mandrone derivato da rilievo aereofotogrammetrico con drone (dati P. Gallo).

• Bilancio di massa glaciologico

Il bilancio di massa invernale (accumulo), viene valutato grazie ad una serie di sondaggi che misurano l’altezza del manto nevoso alla fine della primavera. Utilizzando tecniche di interpolazione è possibile calcolare l’altezza neve distribuita in ogni punto della superficie del ghiacciaio. Conoscendo la densità media della neve, misurata grazie al rilievo nivologico, è possibile calcolare il bilancio invernale (accumulo) del ghiacciaio.

Per valutare il bilancio di massa estivo e quindi il bilancio netto vengono installate delle paline ablatometriche (di legno o metallo) infisse verticalmente nel ghiacciaio dalla sua superficie, in modo tale che queste siano solidali con esso e che in corrispondenza delle quali possano essere effettuate periodiche misure di variazione di spessore della massa glaciale; a fine estate può esserci accumulo nevoso residuo, che ha incrementato lo spessore del ghiacciaio, oppure questo può essersi ridotto perché la fusione ha esaurito la neve stagionale e ha intaccato il ghiaccio sottostante; la palina infissa verrà quindi gradualmente coperta o esposta, rispettivamente.

I dati puntuali vengono rilevati presso le singole paline del medesimo ghiacciaio il più simultaneamente possibile alla fine della stagione estiva. I dati delle singole paline possono formare delle interessanti serie di bilancio specifico o “puntuale” mentre considerando ogni palina rappresentativa di una porzione di area del ghiacciaio, si può calcolare il bilancio di massa netto esteso all’intera superficie del ghiacciaio che equivale alla somma fra bilancio invernale (accumulo) e bilancio estivo (ablazione) misurato in millimetri o metri di acqua equivalente (mm w.eq o m w.eq).

La differenza fra bilancio di massa glaciologico e geodetico

I bilanci di massa con metodo glaciologico e geodetico, sebbene forniscano come risultato un dato analogo, ossia i millimetri (o metri) di acqua equivalente di variazione media complessiva dell’apparato glaciale, in realtà misurano due grandezze leggermente differenti. Mentre le paline utilizzate per il calcolo del bilancio glaciologico sono solidali al ghiacciaio e si muovono insieme ad esso, permettendo pertanto di misurare lo spessore di ghiaccio perso o guadagnato nel corso dell’anno sulla superficie del ghiacciaio, le misure topografiche eseguite per il calcolo del bilancio geodetico forniscono informazioni sulla quota di alcuni punti misurando quindi la posizione della superficie glaciale. Ciò significa che nella misura glaciologica il trasferimento di massa da monte verso la parte frontale, dovuto alla dinamica glaciale, non viene misurato, mentre nelle misure geodetiche sì. Questo fa sì che il bilancio di massa misurato in uno stesso punto con i due metodi differisca di una quantità corrispondente alla massa trasferita dal moto glaciale da o verso quel punto. In realtà tale valore su ghiacciai piccoli e dal flusso limitato è di solito talmente ridotto da ricadere all’interno dei margini di errore strumentale ed essere pertanto difficilmente quantificabile.

Installazione di paline ablatometriche con sonda a vapore con caldaia a gas. Le paline in legno da 10 metri sono composte 5 spezzoni da 2 m asportabili. Fasce di colore ogni 20 cm (nell’ordine dall’alto al basso giallo, rosso, blu, verde, nero). (foto D. Colombarolli)

Palina ablatometrica sul ghiacciaio di Suretta Sud (foto R.Scotti)

Bilancio di massa glaciologico al ghiacciaio di Suretta Sud

ll ghiacciaio di Suretta Sud è un ghiacciamo di circo con esposizione meridionale. Situato a Nord del Lago di Montespluga è il più settentrionale dei ghiacciai del Gruppo Spluga-Lej (Alpi lombarde). Attualmente il ghiacciaio occupa una superficie di 0.125 km2 (2019), una quota che varia tra 2690 e 2908 m s.l.m.. Nel 2014 è stato effettuato un rilievo radar sull’intera superficie del ghiacciaio che ha messo in luce uno spessore medio di 11.2 m fino ad un massimo di 38.8 m (Hagg et al., 2017). Dal 1998 viene investigata l’altezza neve grazie ad una trincea stratigrafica al centro del ghiacciaio. Dal 2001 il ghiacciaio è stato oggetto di misure di bilancio di massa geodetico per mezzo di rilievo GPS differenziale (Tamburini et al., 2003; Tamburini et al., 2009) al quale dal 2010 è stato affiancato il bilancio glaciologico classico comprensivo di bilancio invernale (Hagg et al., 2017). Dal 2010 sul ghiacciaio vengono effettuati 25-30 sondaggi ed una trincea stratigrafica per la valutazione del bilancio invernale. Le paline ablatometriche sono passate da 2 (dal 2004 al 2009) a 4, dal 2010 in poi. Dal 2002 i bilanci sono stati costantemente negativi con solo due anni positivi (2010 e 2014). Il coordinamento dei rilievi sul campo e la raccolta dati è a cura di Paolo Gallo e Fabio Villa mentre Riccardo Scotti si occupa dell’elaborazione dei dati.

La rete dei punti di sondaggio della neve e localizzazione del punto in cui viene effettuata la trincea stratigrafica a inizio estate aggiornati al 2020. I cerchi mostrano la localizzazione delle paline ablatometriche per il calcolo del bilancio di massa

Ghiacciaio Suretta Sud dalla stazione fotografica 006, 18 settembre 2020 (foto F. Villa)

Mappe che mostrano la distribuzione spaziale delle perdite e degli incrementi di massa sulla superficie del ghiacciaio di Suretta Sud dal 2010. Viene riportato il bilancio netto al termine della stagione di ablazione misurato in metri di equivalente in acqua.

Bibliografia:

Tamburini A., Lojacono M. & Bellotti M., 2003. Variazioni volumetriche di un ghiacciaio determinate mediante rilievo GPS differenziale (Ghiacciaio di Suretta Sud, Valle dello Spluga, Italia). Terra glaciālis, 6

Tamburini A., Villa F., 2009. Ghiacciaio di Suretta Sud (Spluga Lei – SO). Valutazione bilancio di massa con metodo geodetico. Terra glaciālis, 12

Hagg W., Scotti R., Villa F., Mayer E., Heilig A., Mayer C., Tamm W & Hock T., 2017. Evolution of two cirque glaciers in Lombardy and their relation to climatic factors (1962-2016). Geogr Ann A. 99(4):371–386.

Bilancio di massa glaciologico al ghiacciaio del Lupo

Il ghiacciaio del Lupo si trova sul versante settentrionale delle Alpi Orobie. È un ghiacciaio di circo con esposizione settentrionale che attualmente occupa una superficie di 0.181 km2 (2019). La fronte si trova a 2430 m mentre la porzione più elevata si spinge fino a 2760 m di quota. Nel 2014 è stato effettuato un rilievo radar sull’intera superficie del ghiacciaio che ha messo in luce uno spessore medio di 14.9 m fino ad un massimo di 44.2 m (Hagg et al., 2017). Dal 1996 viene misurata l’altezza neve ad inizio estate in tre punti originariamente ad accumulo esclusivamente diretto e viene effettuata una trincea nivologica. Nel 2007 sono state installate le prime due paline ablatometriche (P1-2) per il calcolo del bilancio puntuale ed è iniziata la serie di bilanci invernali con i sondaggi estesi all’intera superficie del ghiacciaio. Nel 2008 è stato effettuato il primo bilancio di massa geodetico per mezzo di rilievo GPS differenziale mentre dal 2010, grazie all’installazione di 3 ulteriori paline ablatometriche (P3-P4-P5), inizia la serie di bilancio glaciologico classico esteso all’intera superficie del ghiacciaio. La rete di paline viene ulteriormente estesa nel 2016 con l’aggiunta delle paline P6 e P7. Considerando solo i dati estesi all’intera superficie, il ghiacciaio ha visto un’alternanza di annate positive e negative dal 2009 al 2014 con un bilancio cumulato quasi in equilibrio. Dal 2015 tutti i bilanci sono stati invece negativi. La raccolta dati viene tipicamente svolta da un nutrito gruppo di operatori coordinati da Riccardo Scotti, Roberto Porta, Michele Ruffoni e Matteo Oreggioni mentre l’analisi dei dati è a cura di Riccardo Scotti.  

La rete dei punti di sondaggio della neve e localizzazione del punto in cui viene effettuata la trincea stratigrafica a inizio estate aggiornati al 2020. I cerchi mostrano la localizzazione delle paline ablatometriche per il calcolo del bilancio di massa. Gli “addensamenti” dei punti di sondaggio nei pressi delle paline P4, P1-2 e P3 coincidono con i tre punti storici di indagine nivologica attivi dal 1996

Ghiacciaio del Lupo da drone 17 settembre 2020 (foto A. Sanna)

Mappe che mostrano la distribuzione spaziale dell’accumulo di neve stagionale misurato ad inizio estate.  La distribuzione è frutto dell’interpolazione spaziale dei dati misurati con sondaggi e riportata in m di equivalente in acqua grazie al valore di densità media misurato nel punto di indagine stratigrafica ed applicato all’intero ghiacciaio.  Nel grafico vengono riportati i valori di altezza neve media nei 3 punti di misura dal 1996.

Mappe che mostrano la distribuzione spaziale delle perdite e degli incrementi di massa sulla superficie del ghiacciaio del Lupo dal 2010. Viene riportato il bilancio netto al termine della stagione di ablazione misurato in metri di equivalente in acqua.

Bibliografia:

Hagg W., Scotti R., Villa F., Mayer E., Heilig A., Mayer C., Tamm W & Hock T., 2017. Evolution of two cirque glaciers in Lombardy and their relation to climatic factors (1962-2016). Geogr Ann A. 99(4):371–386.

Bilancio di massa glaciologico al ghiacciaio di Campo Nord – Paradisin

Il ghiacciaio di Campo Nord – Paradisin si trova alla testata della Valle di Livigno (Bacino Spol-Inn) sul versante settentrionale del crinale alpino. È un ghiacciaio di circo con esposizione nord occidentale che attualmente occupa una superficie di 0.233 km2 (2019). La fronte si trova a 2855 m mentre la porzione più elevata si spinge fino a 3150 m di quota. Dal 2000 viene misurata l’altezza neve tramite trincea stratigrafica sul plateau centrale del ghiacciaio (zona paline P3-P3bis). Nel periodo 2005-2009 vengono effettuati bilanci geodetici con GPS differenziale mentre nel 2007 sono state installate le prime paline ablatometriche per il calcolo del bilancio puntuale mentre dal 2010 grazie alla maggior estensione delle paline (5 in totale) inizia la serie di bilancio glaciologico classico esteso all’intera superficie del ghiacciaio. La rete di paline è stata in seguito costantemente incrementata fino ad arrivare a 8 paline nel 2020 per assecondare le variazioni morfologiche del ghiacciaio che ha perso la sua parte frontale ed ha visto negli anni un sensibile incremento della copertura detritica sui margini laterali. Considerando solo i dati estesi all’intera superficie, il ghiacciaio ha visto dal 2006 una sola stagione con un bilancio debolmente positivo (2014) mentre tutte le altre annate hanno visto bilanci negativi. La raccolta dati, dopo i primi bilanci geodetici di Andrea Tamburini, viene tipicamente svolta da Davide Colombarolli, Simone Colombarolli, Andreina Bera e Ivan Peri mentre l’analisi dei dati è a cura di Riccardo Scotti.  

La rete di paline ablatometriche del 2020 per il calcolo del bilancio di massa e la localizzazione del punto dove viene effettuata la trincea nivologica a inizio estate.

Ghiacciaio di Campo Nord – Paradisin dalla stazione fotografica 439, 25 agosto 2020 (foto D. Colombarolli)

Mappe che mostrano la distribuzione spaziale delle perdite e degli incrementi di massa sulla superficie del ghiacciaio di Campo Nord-Paradisin dal 2012. Viene riportato il bilancio netto al termine della stagione di ablazione misurato in metri di equivalente in acqua.