Questa sezione descrive sommariamente alcune fenomenologie del clima ipogeo [784] [785] [786] [787] [788] [789] [790] [791] [792] . E` molto superficiale, e rimandiamo il lettore alla appendice App. 10.F per una trattazione piu` approfondita.

Il clima della grotte (come quello esterno del resto) e` dominato da due fluidi: l'aria l'acqua. Il primo in fase gassosa, il secondo in fase sia liquida che gassosa (come vapor acqueo, cioe` umidita`) e a volte presente anche come solido (ghiaccio). L'aria piu` propriamente e` un miscuglio di gas in cui, soprattutto in grotta, rientra il vapore acqueo. Questo ne condiziona enormemente il comportamento. Un altro componente molto importante, dal punto di vista della speleogenesi, e` l'anidride carbonica, che e` solitamente presente in quantita` minime, ma che passando in soluzione nell'acqua ne determina l'aggressivita` verso la roccia.

Ecco i valori tipici di un massiccio carsico (riferiti a 1 Km² di superficie). Sono solo valori indicativi dell'ordine di grandezza delle quantita` coinvolte, ma sono utili per fare valutazioni approssimate.

La roccia e` un pessimo conduttore di calore. Le variazioni di temperatura esterna si trasmettono all'interno della roccia notevolmente attenuate e contemporaneamente subiscono uno sfasamento (risultano ritardate) [793] . La temperatura della roccia in profondita` (gia` dopo una decina di metri) e` essenzialmente stabile e costante, ed e` pari al valor medio annuale delle temperature esterne degli ultimi millenni. Tipicamente la distanza di penetrazione dell'onda termica vale (in metri) L=0.015 t[ore]<sup>1/2</sup>, dove t denota il periodo dell'onda. Questa e` la distanza a cui l'onda termica e` ridotta di circa la meta`. Per variazioni giornaliere la distanza di penetrazione e` intorno a 0.3 m. Per quelle variazioni annuali risulta 3.6 m. Le variazioni risultano ridotte a 1 °C intorno a 12 m.

La roccia dunque influenza i fenomeni termici (a breve scala temporale) della cavita` solo per uno strato "superficiale" (quello in contatto con i fluidi aria e acqua), e la sua funzione e` "ammortizzante": smorzare le brusche variazioni. La temperatura della grotta e` influenzata principalmente dall'acqua e secondariamente dall'aria. La capacita` termica della roccia risulta pari a circa la meta` di quella dell'acqua (a pari volume).

Le precipitazioni nelle zone alpine variano da 500 a 2500 mm/y. Tenendo conto che una parte (circa 30si perde in evapotraspirazione risulta una infiltrazione di 10-50 l/s Km² {Sg05b}. L'acqua meteorica penetra nelle cavita` dall'alto e scende spinta dalla gravita` in basso fino alla falda da cui riemerge alle sorgenti. Sembra una affermazione semplice ma ha molte implicazioni sulla meteorologia ipogea. Per cominciare l'acqua (esculso quella nivale) entra in una cavita` alla temperatura della sua quota di ingresso (trascurando eventuali riscaldamenti all'esterno, che sono dell'ordine di 0.5°C). Poi scendendo di quota l'acqua perde energia potenziale, che si trasforma in calore: cadendo di 1 metro un Kg d'acqua acquista 9.81 Joule di energia, cioe` 2.34 cal. In un km di dislivello sono 2.34 Kcal per cui (se non scambiasse calore) aumenta la temperatura di 2.34 °C/Km.

L'aria e` una miscela di gas, essenzialmente azoto (N<sub>2</sub> 78.1% ), ossigeno (O<sub>2</sub> 20.9% ), argon (Ar 0.9% ), anidride carbonica (CO<sub>2</sub> 0.03% ) ed altri gas in percentuali minori. La densita` dell'aria e` circa 1.29 Kg/m³.

L'atmosfera del suolo vegetale risulta invece ricca di CO₂ a causa della decomposizione organica. Questa anidride carbonica si forma dunque a spese di O₂; percio` la somma delle percentuali di CO<sub>2</sub> ed O<sub>2</sub> resta pressoche` costante intorno al 21% (variazioni sono dovute ai fenomeni che coinvolgono consumo e produzione di azoto). La decomposizione organica diminuisce con l'altitudine, percio` anche la percentuale di CO₂ nel terreno.

La temperatura dell'aria decresce con la quota, all'esterno come in grotta. Si ha dunque un gradiente altimetrico di temperatura che per l'atmosfera vale -6.5°C/Km (questo e` un valore medio, in effetti varia con la latitudine, col periodo dell'anno, con le condizioni climatiche, etc.). In grotta il gradiente altimetrico e` solo -3.0, -3.5°C/Km, a causa dell'influenza dell'acqua (gradiente -2.34°C/Km) che scorre nel massiccio carsico. Questo e` il motivo per cui in grotta avvertiamo molto meno la variazione di temperatura con la profondita`.

All'esterno l'aria puo` essere piu` o meno umida, cioe` carica di vapor acqueo. La quantita` massima di vapore che puo` stare nell'aria dipende dalla temperatura: e` poca d'inverno (alcuni mg per m³), mentre e` tanta in estate (decine di mg per m<sup>3</sup>). La quantita` effettivamente presente e` una frazione di questa e si esprime quindi l'umidita` come una percentuale (umidita` relativa). In grotta invece la quantita` di vapore acqueo presente e` sempre prossima al massimo (95-100% : si parla di saturazione). Percio` l'aria in grotta in generale puo` essere considerata come aria satura di vapore acqueo.

Questo ha una importante conseguenza. Quando si abbassa la temperatura dell'aria (per esempio per l'aria che sale lungo la grotta), l'aria diviene sovrassatura e una parte di vapore puo` condensare. Quando l'aria entra dall'esterno in una grotta deve portarsi alla saturazione, percio` puo` succedere che deve liberarsi di vapore (condensazione: in estate negli ingressi alti) oppure acquistarne (evaporando acqua presente in grotta, per cui in inverno gli ingressi bassi, risultano asciutti).

La grotta, o meglio il sistema carsico, non e` un ambiente isolato e chiuso, bensi` e` un sistema aperto in contatto con l'ambiente "esterno" con cui scambia flussi di materia (principalmente aria e acqua) ed energia (calore).

I processi che generano correnti d'aria sono [794] (nelle zone tropicali le variazioni annue di temperatura sono molto meno marcate che nelle regioni a clima temperato o continentale, percio` le correnti d'aria sono minori):

• il riequilibrio secondo le variazioni di pressione esterna (correnti barometriche);
• la riorganizzazione dell'aria secondo la densita` (moti convettivi);
• il trascinamento da parte dell'acqua (cascate).

Da notare che parlando di moti convettivi si fa riferimento alle densita` dell'aria, non alle temperature. L'aria, come tutti i gas, riscaldandosi si espande percio` diminuisce in densita`, quindi l'aria piu` calda risulta piu` leggera. Pero` anche l'umidita` ha un ruolo importante nella densita` dell'aria: l'acqua ha un peso molare inferiore all'aria, 18 g contro 28.9 g, percio` l'aria umida (miscela di aria e vapor acqueo) e` piu` "leggera" dell'aria secca.

L'aria all'interno di una cavita` diviene ben presto pressoche` in equilibrio termico con l'acqua e le pareti (o almeno con la "superficie" di esse), percio` possiamo assumere che all'interno della grotta l'aria abbia la temperatura (media) della grotta. All'esterno invece la temperatura dell'aria varia molto, sia su base annuale, con le stagioni, sia su base diurna con l'insolazione.

La temperatura decresce/cresce esponenzialmente entrando nella cavita`, a seconda della stagione [788] . I gradienti interni di temperatura sono dunque piu` percettibili nel primo tratto di grotta. Essi dipendono anche dalla morfologia della grotta: sono deboli e regolari se le dimensioni sono ampie, elevati e irregolari se invece ci sono restringimenti. Anche la variazioni annuale della temperatura decresce esponenzialmente con la distanza dall'ingresso. Questa legge di variazione e` valida fino al primo punto singolare, cioe` alla prima diramazione, camino, arrivo, allargamento o restringimento improvviso. In tali punti la temperatura cambia bruscamente.

A parte le zone di ingresso gli scostamenti della temperatura e le variazioni di composizione dell'aria all'interno della grotta sono limitate. L'aria e` quasi satura di vapore d'acqua, e cio` ha l'effetto di smorzare le variazioni di temperature [788] .

Possiamo evidenziare tre zone termiche di una cavita`:

• una zona di transizione, dove predominano i disequilibri (estesa fino ad alcune dozzine di metri);
• una zona neutra in cui le influenze esterne sono ormai controbilanciate da fattori interni (roccia ed acqua); in questa zona le variazioni stagionali sono abbastanza deboli (1-2 °C);
• una zona confinata in cui i fattori esterni hanno effetti trascurabili. Questa comprende gran parte della cavita` e il reticolo delle fratture. In questa zona le variazioni stagionali sono trascurabili.

L'estensione di queste zone varia con la stagione.

Anche cavita` ad un solo ingresso possono avere scambi d'aria con l'esterno. Per esempio in una cavita` suborizzontale l'aria entra in basso (al suolo) ed esce in alto (alla volta) in inverno e viceversa in estate. Questi moti sono di origine convettiva, dovuti a differenze di densita` fra l'aria all'interno della cavita` e quella esterna. Nelle figure gli asterischi (*) denotano le zone di condensazione.

Sacche d'aria. Altre cavita` ad un ingresso sono le sacche d'aria (dette anche sacche termiche, o trappole termiche) di cui le piu` comuni sono quelle d'aria fredda. Queste sono cavita` ad andamento subverticale (discendente). Esse alternano periodi di circolazione aperta a periodi di circolazione chiusa. Durante l'inverno l'aria esterna e` piu` fredda e pesante di quella all'interno, pertanto penetra nella cavita` e scende fino al fondo rimpiazzando l'aria calda presente. A questo punto l'aria non e` in equilibrio termico con le pareti della cavita` percio` assorbe calore e si riscalda, continuando il ciclo. Durante l'estate l'aria esterna e` piu` calda e leggera dell'aria all'interno, e non riesce a penetrare in profondita`, percio` l'aria rimane insaccata nella cavita`. Le sacche d'aria calda sono invece cavita` ascendenti in cui l'aria resta intrappolata in inverno.

Cellule convettive. Le cellule convettive consistono di aria calda ascendente e aria fredda discendente. Le correnti di convezione interne sono molto frequenti, causate da scambi termici con le pareti e variazione di composizione dell'aria (legate ad evaporazione, condensazione), e scambi locali con il reticolo di fratture.

La stratificazione delle correnti d'aria e` possibile quando la velocita` e` sufficientemente bassa da non avere turbolenza che mescoli l'aria [795] . Per avere stratificazione, lo spessore della zona di transizione deve essere inferiore alle dimensioni della galleria. Questo spessore s e` legato alla velocita` v, differenza di temperatura DT, e temperatura T, dove R<sub>i</sub> = 0.25 e` il numero di Richardson per l'aria.

Tubi a vento. Sistemi sviluppati hanno in genere piu` vie di scambio (comunicazione) con l'esterno. Il modello piu` semplice e` quello del tubo a vento, cioe` di una cavita` con due ingressi uno alto ed uno basso. In tal caso la differenza di pressione fra le quote dei due ingressi all'esterno e all'interno rappresenta la forza che sostiene il flusso dell'aria. Questa differenza di pressione e` dovuta alla diversa densita` dell'aria tra l'interno e l'esterno.

Nei tubi a vento la temperatura dell'aria e` la media fra le temperature medie dei due ingressi. Altri fattori morfologici esterni ed interni che influenzano la temperatura sono l'esposizione (versante Nord, Sud), la copertura vegetale, il regime idrico, la profondita` e sviluppo della cavita`. Se una delle due entrate di un tubo a vento e` bloccata per un certo periodo dell'anno (per esempio d'inverno, dalla neve), la temperatura dipende dalle correnti circolanti durante il resto dell'anno.

Gli ingressi meteoalti si chiamano anche bocche calde e gli ingressi meteobassi si chiamano bocche fredde. In inverno i primi metri di un ingresso basso hanno aria secca, pareti asciutte (con eventuale presenza di ghiaccio); all'uscita (ingresso alto) l'aria e` piu` calda di quella esterna e si ha condensazione di vapore, che appare sotto forma di nebbia. L'aria calda scioglie la neve e l'acqua puo` formare ghiaccio di rigelo. In estate all'ingresso alto entra aria piu` calda di quella all'interno e si ha condensazione sulle pareti che risultano umide.

La circolazione convettiva e` generata dalle differenze di densita` dell'aria, fra l'interno della grotta e l'esterno. Se chiudessimo un ingresso della grotta queste indurrebbero una differenza di pressione (pressione motrice) fra i due lati della porta. Questa pressione spinge l'aria a scorrere nella cavita`.

Mentre il valore della pressione "interna" resta pressoche` costante, quella esterna varia nell'arco dell'anno, con variazioni stagionali, e nell'arco della giornata (variazioni diurne). In estate la pressione "interna" risulta superiore a quella "esterna" percio` l'aria esce dall'ingresso basso ed entra dall'ingresso alto. In inverno la circolazione avviene nel verso opposto e l'aria calda esca dall'ingresso alto. Per questo si osserva scioglimento di neve in corrispondenza degli ingressi alti. Nei periodi di inversione termica la direzione delle correnti convettive non e` ben definita e risulta variabile nell'arco della giornata.

La differenza fra le pressioni esterna ed interna e` la pressione motrice che induce e mantiene il moto convettivo dell'aria. In realta` la pressione misurata all'interno e quella misurata all'esterno devono dare la stessa differenza fra due ingressi di una cavita`. La differenza e` nel peso delle colonne d'aria all'interno ed all'esterno. Questa differenza genera la forza che mette in moto l'aria e va ad equilibrare l'attrito che essa deve vincere per scorrere nella cavita` (si parla di perdite di carico).

Le perdite di carico variano con il quadrato della velocita` dell'aria. D'altra parte la velocita` cresce nelle strettoie (se l'aria e` forzata a mantenere il flusso costante). Quindi le strettoie sono i punti piu` rilevanti per le perdite di carico, cioe` la resistenza e` praticamente concentrata nei punti stretti.

Un sistema complesso e` caratterizzato da piu` flussi d'aria, provenienti dai diversi ingressi. La temperatura dell'aria in grotta cresce con la profondita` in modo abbastanza regolare (0.3-0.4 C/100m) se non ci sono giunzioni. Misurando l'andamento della temperatura dell'aria nella cavita` si puo` (con fortuna) trovare le zone di anomalia dove due flussi si collegano (a meno che i due flussi hanno stessa temperatura). E` sufficiente usare un termometro con una precisione di 0.1 C. In generale irregolarita` nelle varaizioni della temperatura dell'aria sono indicativi di anomalie, e quindi di zone di interesse esplorativo.

La temperatura dell'aria e` utile anche per identificare gli ingressi piu` interessanti [758] . Questi sono piu` direttamente collegati al sistema profondo e percio`, in estate, dovrebbere avere una aria a temperatura sensibilmente (1 C) inferiore ai buchi che restano superficiali. Nel caso piu` fortunato si rileva un cono termico con al centro l'ingresso piu` promettente. Queste informazioni sono utili per indirizzare gli sforzi di disostruzione verso gli ingressi piu` promettenti.

Il periodo di rinnovamento e` il tempo che impiega la grotta a sostituire tutta l'aria in essa contenuta. Esso e` pari al rapporto fra il volume della grotta e il flusso d'aria. Nelle cavita` ventilate varia da poco meno di un'ora ad una ventina di ore. Il tempo di rinnovamento varia con la stagione; e` piu` breve in estate che in inverno, quindi il flusso d'aria e` maggiore in estate che in inverno.

La pressione atmosferica non e` costante ma cambia legegrmente, a seconda delle condizioni climatiche (perturbazioni, insolazione, ...) Le variazioni di pressione atmosferica valgono tipicamente dP/P=10^-5 su tempi dell'ordine del minuto, e arrivano a massimi di 10^-3 su tempi dell'ordine di un'ora. Le variazioni della pressione esterna si riflettono all'interno, con un ritardo (caratteristico dell'impedenza del sistema carsico) ed attenuate.

Queste oscillazioni di pressione inducono leggere correnti d'aria, dette appunto correnti barometriche. La pressione interna arriva comunque ad egualiare quella esterna in un tempo finito, che rappresenta il tempo tipico con cui la cavita` risponde a variazioni di pressione esterna. Questo tempo risulta essenzialmente determinato dalle dimensioni fisiche della cavita`, ed e` dell'ordine di pochi secondi per saloni di una decina di metri.

Una altra situazione osservabile in grotta e` quella di oscillazioni del flusso (correnti oscillanti) non sostente da alcuna pressione esterna. Possono essere iniziate da repentini cambiamenti della pressione esterna. Percio` sono osservabili sono in condizioni di assenza di altre correnti cioe` nella zona a quota intermedia e in ambienti ampi e facilmente accessibili all'aria.

Il vento induce pressioni (o depressioni) che possono causare correnti d'aria. Il vento frontale tende a generare una pressione superiore (effetto pistone), percio` favorisce gli ingressi aspiranti ed contrasta la circolazione d'aria negli ingressi soffianti. Invece il vento rasente provoca una depressione (effetto fischietto): accelera la circolazione per una bocca soffiante mentre la contrasta per una bocca aspirante.

Trascinamento dall'acqua. La circolazione dell'acqua e soprattutto le cascate provocano correnti d'aria dovute al trascinamento di questa da parte dell'acqua.

Anche in occasione di una piena improvvisa si possono avere correnti generate dall'acqua che invade gallerie occupate dall'aria sospingendo questa (verso l'esterno).

Abbiamo visto che ci sono due tipi principali di correnti: convettive e barometriche. Per le prime il flusso e` proporzionale alla pressione motrice F= P/R. Per le seconde esso e` proporzionale alla differenza di pressione e al volume, F = - DP V/P_o. Se la temperatura esterna differisce da quella interna per piu` di allora predominano certamente le correnti convettive. Se questo non e` il caso allora le origini delle correnti d'aria possono essere diverse

• gradienti locali;
• effetto vento;
• umidita` locali.

Le circolazioni barometriche sono piu` evidenti durante i cambiamenti di tempo: quando peggiora la pressione esterna si abbassa e la grotta butta; quando migliora la grotta aspira.

La corrente d'aria ad un ingresso dipende dalla resistenza della galleria che collega quell'ingresso al sistema, dalla potenza del sistema e da dove essa si innesta nel sistema, e dalla quota dell'ingresso. Un ingresso a quota intermedia (neutra) ha correnti meno forti di un ingresso alto o uno basso.

Un ingresso con aria "sbagliata" puo` ciononostante portare al sistema carsico, immettendo in una galleria con aria nel verso "giusto". Pero` questa galleria deve avere qualche strettoia che spinge la circolazione dell'aria nell'ingresso nel verso "sbagliato".

Dato che l'aria scorre cercando di minimizzare la resistenza, se troviamo una strettoia con molta aria vuol dire che l'aria non ha alternative (e nemmeno noi se vogliamo esplorare quello ce ci puo` essere dietro). Le frane sono un caso a parte: sulle frane l'aria puo` disperdersi su un ampio fronte in tanti piccoli pertugi (per noi intransitabili). Percio` non e` detto che l'aria sia la guida migliore per trovare il passaggio in mezzo alla frana.

Una strettoia che non soffia o non ha niente dietro, oppure e` aggirabile (dall'aria), oppure ha dietro un tappo di riempimento. Quindi non disperiamo se una strettoia non soffia. Certamente non e` un buon segno, anzi e` un segno che ci aspettano altri guai, ma puo` portare a dei risultati comunque.

Visto nel suo complesso, il sistema carsico non ha una unica circolazione, ma presenta molti sistemi di circolazione piu` o meno disaccoppiati, cioe` con poco scambio fra loro perche` la vie che li congiungono sono strette (e quindi anche se percorse da violenti correnti d'aria, comunque risultano insufficienti per equilibrare fro loro i due sottosistemi).

Variazioni della circolazione indotte chiudendo o allargando una strettoia dipendono dalla rilevanza della strettoia per la circolazione globale. Se la strettoia e` essenziale (domina la circolazione), riducendone l'area il flusso e la portata diminuiscono. Se la strettoia non e` essenziale (cioe non e` quella che determina la resistenza della cavita` alla circolazione dell'aria) riducendone l'area la velocita` aumenta.

Altre osservazioni si possono fare chiudendo un ingresso e misurando come varia nel tempo la pressione all'interno in seguito. La sovrappressione dipende dalla differenza di quota con l'"altro ingresso". La curva di salita della sovrappressione quando si chiude un ingresso dipende dal volume della cavita`.

Il raggiungimento dell'equilibrio termico dell'aria che circola nella cavita` e` dovuto agli scambi di calore con le pareti e soprattutto con l'acqua mediati da evapo-condensazione. L'evaporazione in genere sottrae calore (raffredda la grotta) mentre la condensazione libera calore (scalda la grotta).

La conducibilita` termica della roccia e` quattro volte quella dell'acqua che forma il velo sulle pareti. Le acque nelle pozze e negli scorrimenti possono condurre calore anche per moti convettivi, e la loro conducibilita` termica effettiva risulta superiore a quella della roccia. In particolare le acque in movimento hanno maggior conducibilita` di quelle ferme. Pero` la superficie di queste acque e` molto inferiore a quella della roccia (possiamo stimarne il rapporto fra 0.01 e 0.10, per grotte bagnate, e meno ancora per grotte asciutte).

In grotta l'aria ha una umidita` relativa abbastanza alta, 95-100a causa delle estese sorgenti di evaporazione: bacini acquiferi, pareti e depositi. Le pareti permeabili e il suolo permettendo lo spostamento dell'acqua che contengono favoriscono l'evaporazione/condensazione. Non mancano eccezioni con grotte particolarmente secche. Nella prime decine di metri di grotta si ha una zona di transizione in cui l'umidita` relativa passa dai valori esterni a quelli interni (con un andamento esponenziale tipico dei fenomeni di diffusione).

Il clima esterno e` in genere secco d'estate e umido in autunno inverno. Il clima ipogeo presenta un andamento opposto [796] . Anche se l'umidita` relativa esterna e` inferiore in estate, quella assoluta e` superiore. L'aria estiva che entra calda risulta, alla temperatura della grotta, piu` carica di vapor acqueo di quella invernale fredda. L'umidita` assoluta presenta in grotta variazioni annuali come quella esterna, ma di intensita` ridotta e con un ritardo (cioe' sfasate: circa 3 mesi d'estate, circa 1 mese d'inverno). L'evaporazione/condensazione presenta delle variazioni annuali opposte rispetto alla umidita` relativa. Quando l'umidita` relativa e` bassa (inverno) l'evaporazione e` alta. Viceversa quando l'umidita` relativa e` alta (estate) si ha massima condensazione.

In estate l'aria calda entrando all'ingresso alto di una cavita' si raffredda; la sua umidita` assoluta resta invariata, ma quella relativa cresce e quando arriva al 100inizia la condensazione: parte del vapor acqueo si deposita sotto forma di goccioline d'acqua. Percio` si forma condensa sulle pareti dell'ingresso. Similmente, in inverno l'aria che esce dall'ingresso superiore arriva piu` calda dell'ambiente esterno e viene raffreddata, quindi si ha ancora condensazione all'ingresso alto. All'ingresso basso si ha evaporazione e tendenza ad avere pareti secche.

Escludendo la zona molto vicina all'esterno e quindi affetta dal clima esterno, nella sacche d'aria fredda l'aria che entra non ha mai una temperatura superiore a quella delle pareti, percio` si trova sempre in condizioni di sottosaturazione, ed provoca evaporazione dalle pareti. All'opposto, nelle cavita` ascendenti si ha facilmente condensazione (che induce corrosione). Le grotte suborizzontali presentano condensazione nelle zone superiori.

Piu` importante e` il contributo al sistema carsico dovuto alla condensazione nell'epicarso [797] . Questo agisce da zona di raffreddamento dell'aria sia in entrata (estate) che in uscita (inverno). Quindi si ha sempre condensazione di vapor acqueo diffusa nell'epicarso. I valori medi annuali sono di 0.7 - 2.6 l/s Km² per medie quote, e 3.8 - 4.7 l/s Km² in alta montagna. La condensazione e` massima nella stagione calda in cui raggiunge valori di 1.4 - 6.1 (quota media) e 7.9 - 9.7 l/s Km² (alta quota) [798] .

Le acque di condensazione sono aggressive perche` non contengono sali disciolti. Si stima che il 3.7% della denudazione carsica possa essere imputabile alla condensazione. Tre le morfologie di corrosione dovute alla condensazione troviamo cupole, tasche, scanalature verticali, denti, e depositi (speleotemi). La corrosione da condensazione puo` essere particolarmente importante in certi carsismi idrotermali.

La quantita` di condensazione/evaporazione, in un dato intervallo di tempo t, legata ai movimenti dell'aria e` proporzionale al volume V del massiccio carsico, alla differenza fra le quantita` di vapore all'esterno e all'interno, e al tempo di rinnovamento, T<sub>R</sub> (formula di Dublyansky), dove e rappresenta il grado di fessurazione (un coefficiente compreso fra 0 e 1). Questa formula e` di utilita` approssimativa, poiche` e` difficile stimare il grado di fessurazione e il tempo di rinnovamento. Tuttavia risulta in discreto accordo (+/-10coi dati misurati [798] .

Altri fenomeni condensativi sono legati alla miscelazione di arie, e al passaggio di strettoie. La miscelazione di due arie umide sature e a diversa temperatura produce una aria umida sovrassatura ed induce quindi una condensazione (sovrassaturazione per miscelazione). Percio` a valle dei bivi in cui si uniscono due diramazioni con aria a differente temperature si ha condensazione sulle pareti, che ne favorisce l'erosione.

Le strettoie favoriscono la condensazione poiche` il passaggio nelle strettoie causa una caduta di pressione (secondo la legge di Bernoulli) e quindi una diminuzione della temperatura. Percio` l'aria diventa sovrassatura. All'uscita dalle strettoie si ha l'effetto opposto: la compressione dell'aria induce un innalzamento della temperatura ed una sottosaturazione.

L'argilla paradossalmente ha una funzione disidratante o meglio assorbente: ad una data temperatura lo stato di equilibrio per una umidita` notevole dell'argilla corrisponde ad una tensione di vapore molto inferiore alla saturazione. Questo e` dovuto alle proprieta` dei microcristalli di silicati d'alluminio di fissare molte molecole d'acqua.

Le acque di condensazione sono aggressive. L'erosione dovuta alla condensazione e` stimabile in 3.7% dell'erosione carsica di un sistema. Morfologie di erosione da condensazione sono cupole, tasche, scanalature verticali e indentazioni. Molti depositi e speleotemi sono associati a fenomeni di condensazione: per esempio croste e coperture, coralloidi, bordi, latte di monte (mondmilch), vermiculazioni d'argilla.

Il gradiente termico esterno varia da -6.0 °C/Km (giornate grigie e umide), e meno ancore, a -10.0 °C/Km (giornale soleggiate). Per la temperatura dell'acqua meteorica che entra nella grotta possiamo usare il primo valore. Un'acqua che entra nel sistema ad alta quota risulta piu` fredda di una altra acqua che entra ad una quota inferiore. Circa 2.5 °C/Km in meno di differenza.

La temperatura esterna media annua varia con la latitudine e la quota. Essa diminuisce in modo regolare di circa 1 °C ogni 180 m. Per l'Europa centrale si puo` usare la formula empirica di Choppy per la temperatura media, Deviazioni da questa formula sono possibili a causa dei contributi calorici dovuti ai flussi d'acqua (acque molto fredde) e aria, e al flusso geotermico. Analoghe formule empiriche esistono per altre regioni.

La temperatura nel sottosuolo cresce linearmente (gradiente geotermico) a causa del flusso di calore proveniente dal centro della terra. L'interno della terra emette un debole flusso di calore, Q_g = 59 KW/Km² = 14 Kcal/Km² s, dovuto alla compressione gravitazionale che ha portato alla formazione del pianeta. La temperatura cresce con la profondita` con un gradiente di circa 30°C/Km. Questo e` il motivo per cui le miniere in genere sono calde.

In un massiccio carsico, l'acqua penetra in profondita` e va ad intercettare il flusso geotermico prima che questo arrivi alla superficie. Con una piovosita` media annua di 1000 mm, si ha che questa acqua si riscalda di 0.45°C. Percio` la roccia carsica e` molto meno affetta dal flusso geotermico e la temperatura delle grotte e` invece influenzata dai flussi (d'acqua e d'aria) che le attraversano.

Le rocce calcaree risultano molto fessurate, tanto che si parla di "reticolo delle fratture", e l'acqua tende a riempire questo reticolo. Questo costituisce il principale deposito di acqua degli acquiferi carsici. Le condizioni termiche di questa zona sono dominate dalla presenza dell'acqua.

Le pareti della grotta e l'acqua hanno una grande capacita` termica e stabilizzano termicamente l'aria. Gli scambi di calore dell'aria con le pareti e l'acqua sono abbastanza complessi: si ha conduzione di calore nello strato limite dell'aria a contatto con le pareti, e moti convettivi nell'aria. Inoltre l'evaporazione/condensazione sulle pareti e sui bacini d'acqua contribuisce notevolmente allo scambio di calore.

Solitamente il flusso termico globale tra esterno e grotta associato all'aria e` superiore a quello associato all'acqua, poiche` l'aria risulta avere maggiore mobilita` anche se ha una capacita` termica inferiore (circa 4000 volte) a parita` di volume.

Abbiamo visto che l'acqua ha un gradiente termico di -2.34°C/Km da energia potenziale. L'aria satura ha un gradiente di -5.5°C/Km. Se consideriamo la capacita` termiche coinvolte (l'acqua ha una capacita` termica 3400 volte quella dell'aria, ma un flusso 250 volte inferiore, mentre la roccia ha una capacita` termica meta` di quella dell'acqua, ma un volume interessato pari a circa 1/10), la media porta ad un gradiete termico ipogeo di -3.5°C/Km.

La concentrazione della CO₂ nell'acqua diminuisce al crescere della temperatura. In inverno l'acqua che entra nel sistema carsico e` fredda e si carica di CO<sub>2</sub> nel passaggio attraverso il suolo. Quando arriva nel sistema dove si trova una atmosfera puo` liberare la CO₂.

Al contrario raffreddandosi l'acqua puo` assorbire CO₂ e diventare aggressiva.

La concavita` (verso l'alto) della solubilita` della anidride carbonica rende possibile il meccanismo della corrosione per miscelazione di acque in profondita` (v. App. 10.B ).

Nelle cavita` ventilate l'atmosfera nelle gallerie ha una composizione in CO<sub>2</sub> simile a quella esterna. L'atmosfera delle fessure puo` essere ricca in CO₂ (0.1 percento in piu` rispetto alle gallerie: nell'aria la pressione parziale P_CO2 vale circa 0.003 atm, nelle fessure vale 0.01 - 0.05 atm (v. Sez. 10.3 ).

La CO₂ nelle gallerie cresce al diminuire della pressione esterna. Quando la pressione esterna diminuisce c'e` un travaso di aria ricca di CO₂ dalle fessure alle gallerie.

Nelle sacche d'aria fredda il tenore di CO₂ cade bruscamente all'inizio dell'inverno quando si instaura circolazione ed inizia il rinnovamento dell'aria. Resta poi stabile fino alla primavera. In estate quando la circolazione della cavita` e` chiusa il tenore di CO₂ cresce fino a raggiungere il massimo in autunno.

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