Cenni su moti stratificati e processi di mescolamento nei laghi (bozza)

1. Marco Toffolon Facoltà di Ingegneria - Università di Trento Cenni su moti stratificati e processi di mescolamento nei laghi(bozza) Idraulica ambientale a.a. 2010/11

2. Riferimenti bibliografici Socolofsky & Jirka, Special Topics in Mixing and Transport Processes in the Environment, 2005 (cap. 8, 9 e 10) J.S. Turner, Buoyancy effects in fluids, Cambridge University Press, 1973 V. Tonolli, Introduzione allo studio della limnologia (Ecologia e biologia delle acque dolci), Istituto Italiano di Idrobiologia, Verbania Pallanza, 1964 (versione elettronica CNR, 2001). J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamics and transport for water quality modeling, CRC Press, 1999 part III: Lakes and Reservoirs A. Lerman, D.M. Imboden, J.R. Gat (eds.), Physics and Chemistry of Lakes, Springer-Verlag, 1995. cap. 4: D.M. Imboden, A. Wuest, Mixing Mechanisms in Lakes Alfred Wüest and Andreas Lorke, Small-Scale Hydrodynamics in Lakes, Annu. Rev. Fluid Mech., 35, pp. 373–412, 2003

3. Stratificazione Cause: • temperatura, • fasi disciolte, • solidi sospesi Importanza gravità (es. Apollo13) Densità ~103 kg/m3 (acqua) ~1.2 kg/m3 (aria)

4. Variazioni di densità Acqua di mare: anomalia s = r - 1000 kg/m3 equazione di stato UNESCO (STP)

5. Stabilità equilibrio stabile equilibrio indifferente equilibrio instabile

6. Stabilità frequenza di galleggiamento N [s-1] (interpretazione fisica: “molla”) (frequenza di Brunt-Väisälä) equilibrio stabile risultato: moto oscillante attorno alla posizione di equilibrio periodo di oscillazione

7. Numeri adimensionali • Richardson: • di gradiente • “bulk” • di flusso (turbolenza) rapporto tra il tasso di rimozione dell’energia per le forze di galleggiamento e la produzione dovuta alle tensioni Froude densimetrico Reynolds Prandtl

8. Esempi profili di densità in laghi, estuari … Lago di Levico, stratificazione estiva

9. Stratificazione e diffusione turbolenta Effetto della stratificazione (numero di Richardson) (definizione mediata) Coefficienti

10. Esercizi Mescolamento verticale: mezzo stratificato (cuneo salino) scarico caldo Temperatura come tracciante passivo (mix trasversale): scarico caldo Rif. bibl.: M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi e appendici per il corso di idraulica ambientale, Dispense del corso (IV. Esercizi; V. Appendici), Università di Trento, a.a. 2005/06.

11. I laghi origine stratificazione mixing onde interne

12. stratificazione: prevalentemente termica (acqua dolce) acqua ferma  moto laminare  diffusione molecolare mixing quasi nullo sulla verticale gradienti di velocità  moto turbolento  diffusione turbolenta grande incremento mixing verticale stratificazione termica  riduzione degli scambi turbolenti verticali lunghi tempi di residenza (se i tempi sono brevi non c’è tempo per lo sviluppo della stratificazione morfologia (topografia): depressioni profonde che limitano lo scambio tra acque superficiali e profonde

13. Origine tettonica vulcanica glaciale fluviale costiera sbarramento

14. Bilancio energetico energia potenziale energia cinetica energia termica energia meccanica

15. Flusso di energia termica Hn flusso netto di energia termica Hsw flusso di radiazione solare diretta (onda corta) HH flusso di radiazione diffusa (onda lunga) HB flusso di radiazione riflessa HL flusso perso per evaporazione Hs flusso di calore sensibile (conduzione, convezione)  misure (radiometro)  legge di Stefan-Boltzmann (nuvole, atmosfera)

16. Profilo termico penetrazione della radiazione ad onda corta (legge di Beer) coefficiente di estinzione T T superficie superficie effetto della radiazione solare radiazione solare + azione del vento fondo fondo

17. Un esempio: il lago di Levico Pergine Levico

18. Stratificazione e diffusione turbolenta

19. Stratificazione estiva stratificato non stratificato

20. Ciclo stagionale di stratificazione

21. Onde di sessa (seiche) sessa uninodale sessa binodale periodo delle onde di sessa?

22. Onde di sessa (seiche) vento  eccita un’onda stazionaria con n=1 wind set-up: sollevamento equilibrio mentre soffia il vento spinte idrostatiche set-up superficie equilibrio tra le pressioni al fondo set-up interfaccia

23. Periodo delle onde di sessa numero dei nodi (modo) periodo breve, piccola ampiezza, decadono rapidamente onde superficiali periodo lungo, grande ampiezza, persistono a lungo onde interne gravità efficace <<g

24. Circolazioni barotropiche (trascurando le variazioni di densità): circolazioni complessive barocliniche (considerando variazioni di densità): onde interne (tempi grandi)

25. Onde interne onde di superfici isopicne (densità costante) stratificazione continua: “onde interne” stratificazione a gradino (strati): “onde di interfaccia”, “onde di superficie” Rif. bibl.: dispense di Socolofsky & Jirka, Special Topics in Mixing and Transport Processes in the Environment, 2005 (cap. 10)

26. Onde di interfaccia • ipotesi: • fluidi immiscibili • contorni superiori e inferiori rigidi • moto piano • moto inviscido (viscosità nulla, Re grande) • moto irrotazionale in ogni strato • onde di piccola ampiezza contorno rigido superiore interfaccia contorno rigido inferiore

27. Instabilità di Kelvin-Helmholtz

28. Processi nei laghi processi superficiali processi interni processi al fondo (Benthic Boundary Layer, BBL)

29. Processi superficiali WASL: Wave Affected Surface Layer SBL: Surface Boundary Layer

30. Azione del vento tensione originata dal vento CD~0.0013 coefficiente di drag Destratificazione

31. Processi al fondo

32. Processi interni (stratificazione)

33. Meccanismi di trasporto e mixing vento, boundary mixing (contorni), afflussi e deflussi, radiazione, reazioni chimiche (possono modificare la densità)

34. Turbolenza decomposizione di Reynolds Turbulent Kinetic Energy [J kg-1] fluttuazioni turbolente moto medio dissipazione energetica e [W kg-1]

35. Bilancio dell’energia turbolenta tasso di dissipazione dovuto all’attrito interno (viscoso) produzione dovuta alle tensioni di Reynolds flusso di galleggiamento contributo negativo perché nel caso di stratificazione stabile la turbolenza trasporta particelle più pesanti verso l’alto e più leggere verso il basso e quindi “consuma” TKE Numeri adimensionali numero di Richardson di flusso efficienza di mescolamento

36. Lunghezze scala

37. La lunghezza scala di Thorpe prof. reale prof. riordinato

38. Diffusione turbolenta (verticale) diapycnal mixing: attraverso superfici di uguale densità (stratificazione) coefficiente di diffusione turbolenta stratificazione

39. Strumenti

40. Piattaforme galleggianti Piattaforma galleggiante posizionata sul Lago di Caldonazzo. Al fine di ottenere una migliore caratterizzazione del lago in esame, risulta vincente utilizzare una piattaforma galleggiante anche di piccole dimensioni da cui vengono avviate diverse analisi. Sulla piattaforma, normalmente posizionata nella zona centrale del lago, viene installata anche la stazione meteo che in questo modo può rilevare in condizioni ideali, in assenza di ostacoli esterni, la situazione meteorologica sullo specchio d'acqua.

41. Stazione meteorologica Due stazioni meteorologiche modello Vantage Pro della BITLINE. Le stazioni sono alimentate da batterie al piombo da 12V alimentate da pannelli solari ed i dati possono essere scaricati via GSM. Le stazioni consentono la misurazione in continuo dei seguenti parametri: Temperatura dell'aria [°C]; Velocità del vento [m/s]; Direzione del vento [°]; Umidità relativa percentuale [%]; Pioggia [mm e mm/h]; Pressione Atmosferica [mbar]; Radiazione globale [W/m2];

42. Anemometro DNA022 LASTEM Radiometro netto per il calcolo della radiazione riflessa dalla superficie sottostante. Lo strumento è accoppiato ad un datalogger alimentato da una batteria al piombo da 12V, ha un'autonomia pari a 15-30gg a seconda dell'intervallo di acquisizione consentendo perciò di monitorare in continuo la radiazione netta ovvero la differenza tra la radiazione diretta e quella riflessa dal suolo sottostante. Radiometro Netto

43. Sonde di temperatura modello: HANDYLOG DK500 Le sonde termiche sono dotate di un datalogger interno con memoria fino a 64000 acquisizioni. La batteria interna a 3.6 Volt fornisce l’alimentazione al sistema e i dati vengono scaricati tramite un’interfaccia ad infrarossi. La precisione sulla misura di temperatura, dopo un’accurata calibrazione, può essere inferiore al decimo di grado centigrado.

44. ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) ADV Ocean-5 MHz 2 microADV-16 MHz (2D e 3D) L’alta frequenza di 16 MHz dei micro ADV li rende degli ottimi strumenti per la misura di velocità ad alta precisione in laboratorio. La frequenza di campionamento massima è di 50Hz e il volume di misura è minore 0.1 cm^3. L’ADV Ocean ha un volume di misura fisso posto a 18 cm dal trasmettitore che permette di misurare con alta precisione correnti 3D indisturbate. Lo strumento è dotato di bussola, sensore di pressione e temperatura.

45. ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) Profilatore di velocità ad ultrasuoni 600 kHz modello Rio Grande

46. Lo strumento serve per le misure di velocità delle correnti e può essere usato sia da postazione fissa che da natante in movimento. Le acquisizioni possono essere fatte in tempo reale oppure possono essere memorizzate internamente allo strumento. Le applicazioni principali sono: - misura delle portate sui corsi d’acqua - misura delle correnti nei laghi - misura di velocità su una colonna d’acqua - batimetrie di laghi - sezioni trasversali di corsi d’acqua

47. Esempi di acquisizione con il Profilatore di velocità ad ultrasuoni 600 kHz modello Rio Grande. In basso una circolazione indotta dal vento nel Lago di Caldonazzo. Misura della portata sul Fiume Po.

48. Sonda di Qualità Idronaut Un maggior dettaglio nella caratterizzazione della colonna d’acqua si ottiene dall’uso di un sistema automatico di monitoraggio in situ, capace di acquisire dati con un’elevata frequenza e fornirli in tempo reale. Il sistema di monitoraggio è costituito da una boa dotata di verricello automatico (BUOY 601 PROFILER) a cui è collegata una sonda multiparametrica (OCEAN SEVEN 316 CTD-IDRONAUT). Il sistema, adeguatamente programmato, consente di ottenere i profili giornalieri dei principali parametri utilizzati per stabilire la qualità delle acque. La sonda in dotazione è equipaggiata con: - sensore di temperatura; - sensore di conducibilità elettrica; - sensore di ossigeno; - sensore di pH; - elettrodo per il potenziale di ossido-riduzione. La sonda fornisce, inoltre, i profili della concentrazione di clorofilla e di torbidità per l’aggiunta al sistema di: - fluorimetro (SEAPOINT CHLOROPHYLL FLUOROMETER); - torbidimetro (SEAPOINT TURBIDITY METER). Boa con il verricello Sonda multiparametrica

49. Altri prelievi e misure Prelievo di un campione d’acqua ad una profondità assegnata. Prova di misura con ossimetro Prelievi con retino per la cattura di fitoplancton

50. SCAMP (Self Contained Autonomous Micro Profiler)