martedì 3 maggio 2022

Non chiamiamolo semplicemente fango...



Se c'è una cosa che riesce ad accomunare praticamente quasi tutte le grotte e le esperienze di ogni speleologo è quella cosa che chiamiamo fango Morbido, pastoso, liquido, oppure secco, il fango è un deposito tanto ubiquo quando eterogeneo. Un qualcosa solo apparentemente semplice. Sulla composizione, la natura e la genesi di questi depositi si possono fare molteplici ricerche e caratterizzazioni mineralogiche e questo è ben noto. Meno noto è che molti di quei fanghi in cui spesso ci imbattiamo, in certe condizioni, sono dei veri e proprio ecosistemi microbici altamente specializzati. 



Qui per esempio ci troviamo davanti ad un classico pavimento composto da zolle di fanghi parzialmente disseccati: una formazione in gergo definita mud cracks. Un composto che conserva al suo interno ancora un notevole grado di umidità ma che per condizioni strutturali della grotta non è più soggetto a fenomeni di riempimento e sedimentazione. Tanto da essersi in parte contratto creando appunto una sorta di piastrelle compatte che aderiscono al substrato roccioso. Un deposito che sembra quindi poter contare unicamente sull'apporto di umidità legato alle correnti d'aria. Questa in particolare è una zona della grotta che in passato è stata chiaramente soggetta a fluttuazioni del livello di falda e che ha vissuto un regime anche freatico. Volendo sintetizzare il fondo di un vecchio sifone o quasi sifone ormai completamente scollegato da ogni flusso idrico. La roccia madre è un calcare selcifero, ma il sistema ha avuto una chiara origine SAS, ovvero legata a fluidi solfurei, attualmente non più presenti come scorrimento attivo. Questo passato ha però permesso la presenza in grotta di abbondanti depositi di solfati, (gesso) come prodotto della reazione tra carbonati e acido solforico. Solfati che si presume siamo finiti anche nei sedimenti e nei depositi fangosi. 



Se proviamo ad alzare una di queste belle mattonelle di fango, cosa troviamo sotto? Troviamo che le stesse aderiscono alla roccia madre con una sorta di interfaccia costituita da una sottile pellicola di carbonati, calcite apparentemente molto pura, fortemente alterata e polverosa, ma capace di conservare una struttura complessa a nido d'ape: alveolare con bolle e cavità più o meno profondi, di dimensione costante, tutte sviluppatesi in una sottile pellicola di calcite di alcuni millimetri. La pellicola conserva una sorta di stampo e controstampo degli alveoli, di cui la parte positive, le emisfere, appare molto più alterata tanto da sbriciolarsi, mentre la struttura a rete ottenuta dalla coalescenza degli alveoli ha una sua rigidità e appare fortemente coesa alla massa fangosa del sedimento. 




E se guardiamo di lato sul bordo della piastrella cosa vediamo? Beh vediamo chiaramente che la struttura del sedimento non appare omogenea, ma finemente stratificata, con zone più chiare e zone o bande più scure, nere, oltre che zone dove il colore del fango appare alterato sul rossastro. Guardando una cosa del genere la prima cosa che viene in mente è ovviamente la colonna di Vinogradskj. Ovvero la rappresentazione di un ecosistema microbico stratificato, dove convivono in simbiosi batteri aerobici e anaerobici, una vera e propria colonia funzionale. La colonna classica, oggetto di infiniti esperimenti educativi, presuppone anche batteri fotosintetici, ovvero rappresenta un ecosistema il cui input energetico primario è rappresentato dalla luce solare, ma come sappiamo bene anche in assenza di sole come in grotta i batteri chemiosintetici fanno miracoli. E cosa può servire a questi simpatiche bestioline? Beh in condizioni di metabolismo anaerobico si possono facilmente accontentare di solfati da ridurre in solfuri ottenendone energia. Gesso che come abbiamo visto in questa grotta non manca. Poi se nella colonna ci mettiamo anche un poco di carbonati, che anche quelli non mancano, ecco la che la vita della colonia si stratifica e si arricchisce. 



Cosi osservando al microscopio un taglio fresco di questo sedimento, riconosciamo una selva di piccole chiazze. Tra le quali i neri rappresentano quasi certamente colonie di batteri solfo riduttori che inoltre producono come scarto anche idrogeno solforato.



Cosa succeda alla base del sedimento nello spazio di interfaccia con il carbonato non è proprio semplice da immaginare in particolare per spiegare quel tipo di struttura alveolare. Certo è che se l'idrogeno solforato raggiunge nel sedimento umido la base e trova magari nell'interfaccia anche un poco di ossigeno che filtra dalle crepe, ossidandosi ovviamente reagisce con i carbonati creando una liberazione di gas che potrebbe avere a che fare con la forma alveolare che assume questa pellicola di calcite e qui mi fermo perché la faccenda si fa complicata.
Tra le tante cose incerte, una però è chiara: anche sollevando un semplice frammento di fango si può finire in un mondo misterioso e pieno di vita.


martedì 26 aprile 2022

Grotte: un mondo di biodiversità tra i più straordinari e sconosciuti del nostro pianeta













Un breve articolo divulgativo scritto per il Parco Regionale della Vena del Gesso Romagnola per introdurre anche al grande pubblico il meraviglioso mondo della microbiologia delle grotte e allo stesso tempo raccontare anche una recente scoperta avvenuta in alcune grotte nei gessi messiniani della Romagna. 

Geomicrobiologia nuova frontiera dell'esplorazione del mondo ipogeo
( 19 Aprile 2022 )

Le grotte e gli ecosistemi carsici sono ambienti bui, a volte angusti, quasi sempre nascosti. Partendo da questa indiscutibile realtà, molti immaginano, che si tratti quindi di luoghi con poca vita e soprattutto quasi privi di colori. Nulla di più falso. Se è vero che spesso parliamo di ambienti oligotrofici, ovvero con una ridotta quantità di sostanze nutrienti, l'inesauribile fantasia della vita, ha permesso l'instaurarsi di ecosistemi tanto ricchi quanto particolari. Quando pensiamo alla vita sotterranea, pensiamo subito ai chirotteri, mammiferi eccezionali ed importantissimi, ma in realtà la base degli ecosistemi ipogei è da ricercare in organismi ben più piccoli: i microbi, ovvero il vastissimo insieme di organismi procarioti, composti da batteri e archaea e dalla loro infinita capacità di creare colonie simbiotiche. In questa prospettiva, la Terra è realmente il pianeta dei batteri, capaci di colonizzare qualsiasi ambiente, fino a creare una deep biosphere che si estende ad una profondità di oltre cinque chilometri. Con una tale capacità adattativa, questi organismi, non potevano non colonizzare le grotte. Ovviamente non parliamo di batteri patogeni, frutto di inquinamento o contaminazioni, bensì delle sterminate tipologie di batteri ambientali, a noi in buona parte ancora quasi totalmente ignoti, che creano il microbioma specifico di ogni singolo luogo. Batteri buoni! Avendo quasi 4 miliardi anni di vita evolutiva, i batteri non si sono limitati ad abitare i luoghi, bensì hanno contribuito alla loro creazione in senso geo-biologico. In questo senso negli ultimi anni si sta affermando potentemente la geomicrobiologia come studio dei rapporti tra cicli geologici, mineralogici e componenti organiche. E' ormai assodato che nelle grotte i batteri giochini ruoli determinanti nella creazione di molti tipi di concrezioni e mineralizzazioni, nonché in alcuni casi nella creazione stessa di forme e morfologie. Per quanto singolarmente piccoli, le colonie batteriche in grotta, se osservate con la giusta attenzione, sono ben visibili praticamente ovunque. Sedimenti, roccia, corpi d'acqua, concrezioni, ne appaiono all'occhio attento, praticamente ricoperti. Veri e propri tappeti microbici, colonie simbiotiche composte da molteplici specie, che appaino spesso come piccole chiazze di colore. Dai toni del giallo all'arancio, dall'azzurro, fino al rosa o al turchese, una intera tavolozza di colori caratterizza molte parti dell'ambiente ipogeo. Le grotte sono luoghi naturalmente caratterizzati dall'assenza di luce, quindi nel caso del mondo microbico, quelli che noi chiamiamo colori non servono per essere visti. I cromofori, che conferiscono questo effetto, sono infatti, molecole, metaboliti secondari, prodotti dalla colonia per una infinità di diverse funzioni metaboliche: molecole che se sottoposte a determinate lunghezze d'onda elettromagnetiche  conferiscono alle stesse, quello che noi chiamiamo colore. In tutta questa incredibile ricchezza di vita, un ruolo importantissimo lo giocano i batteri capaci di fungere da produttori primari, ovvero di porsi alla base della catena alimentare. In ambienti ipogei caratterizzati da acque sulfuree, alcune classi di batteri autotrofi, sono capaci infatti di ottenere energia e sintetizzare composti organici partendo unicamente dalle reazioni chimiche di composti inorganici, creando a volte anche particolarissime strutture e biofilm. E' questo per esempio il caso delle colonie batteriche che creano le snottiti, sorta di piccole stalattiti organiche, vive, composte esclusivamente da batteri capaci di sfruttare l'acido solfidrico per ottenere l'energia e i composti necessari al proprio metabolismo, Queste piccole strutture viventi si trovano appese alla roccia o ai cristalli ed in particolari condizioni accelerano la produzione di acido solforico, che va creare acidissime gocce poste sulla loro estremità. Le snottiti, scoperte e documentate negli ultimi mesi anche in numerose grotte nei gessi della Romagna, sono parte di ecosistemi rari ed estremamente peculiari. Mondi quasi alieni, composti anche da organismi estremofili, capaci cioè di vivere in condizioni apparentemente estreme, che rimandano per alcuni aspetti alle origini della vita sulla terra, ma anche a come ci aspettiamo che  la stessa vita, possa presentarsi su altri pianeti.  

 

Foto e testi di:

Andrea Benassi PhD
Gruppo Speleologico Sacile, Acheloos Geo Exploring, Società Speleologica Saknussem

martedì 12 aprile 2022

Note di Microbiologia Ipogea #2: Snottiti di Villa Luz

Quando si parla di vita ed ecosistemi, anche grotte di piccole dimensioni possono riservare soprese immense. Questo è sicuramente vero per la grotta di Villa Luz, che rappresenta attualmente un caso praticamente unico a livello planetario per la peculiarità del suo incredibile ecosistema solfidrico. Un ambiente in parte tossico per gli essere umani, ma capace al contrario di sostenere una grande quantità di batteri estremofili. Tra le molte tipologie di biofilm presenti, le più appariscenti sono senza dubbio quelle note come Snottites, in italiano Snottiti o anche Mucoliti. Sorta di lunghe stalattiti organiche appese ai soffitti sopra i grandi laghi di acque sulfidriche e composte in parte da batteri autotrofi. Qui le colonie grazie all'altissimo tenore di idrogeno solforato presente in atmosfera, catalizzano la sua ossidazione in acido solforico, ottenendo in questo modo l'energia chimica necessaria al proprio metabolismo. Un mondo inquietante e bellissimo allo stesso tempo. 




Schema del contesto di formazione della Snottiti: Jones & Macalady 2016




Schema dell'ecosistema solfidrico di Frasassi: Montanari 2010



Schema generale di un ecosistema solfidrico: Jones & Northup 2021




Lo studio, la ricerca o anche la semplice documentazione degli ecosistemi ipogei sulfidrici è un campo relativamente recente e solo negli ultimi 20-30 anni si stanno progressivamente riconoscendo e 'scoprendo' i contesti di questo tipo. In questa prospettiva l'Italia presenta una grande ricchezza di questo genere di habitat, rappresentata in primis dai famosi rami sulfurei nel sistema di Frasassi ma non solo. Anno dopo anno, va  rapidamente crescendo la lista di queste grotte cosi peculiari dal punto di viste geomicrobiologico. La ricerca è solo agli inizi. 



Frammenti di un documentario sulla famosa Cueva di Villa Luz (Messico) e sulle ricerche microbiologiche sull'ecosistema sulfidrico portate avanti dal team della Dott.ssa Diana Northup. Da molti anni impegnata in sistematici ed innovativi studi di microbiologia in grotta. La Cueva di Villa Luz, divenuta famosa negli ultimi anni anche a livello divulgativo, è stata inserita anche in diverse serie di documentari naturalistici e recentemente nella serie Alien World sugli studi di esobiologia e sulla ricerca di siti e contesti geologici definiti analoghi planetari.


L. Hose, J. A. Pisarowicz, Cueva di Villa Luz... (1999)


martedì 5 aprile 2022

Note di Microbiologia Ipogea #1: AMD ed estremofili

Laghi acidi sotterranei in una miniera della Alpi Apuane: effetti evidenti dell'AMD, Acid Mine Drainage (Acid Rock Drainage quando avviene in contesti naturali). Ovvero del processo di acidificazione che avviene nelle miniere dove sono presenti depositi di solfuri metallici in questo caso pirite. La perturbazione dell'ambiente sotterraneo attraverso lo scavo delle gallerie, mette i solfuri metallici in contatto con ossigeno e acqua avviando il processo di ossidazione che porta principalmente alla produzione di acido solforico. Acido che a sua volta porta in soluzione ulteriori metalli in un processo che una volta avviato si autoalimenta come un incendio propagandosi attraverso tutto ci che resta della mineralizzazione. Le acque raggiungono ph 2-3 ma anche prossimi allo zero e in alcuni casi molto particolari anche negativi.


Yellow Boy, abbondanti depositi di idrossidi di ferro, costituiscono il fondale di questo lago acido (ph circa 3.5) Posto in una zona bassa della miniera, lo stesso riceve a volte apporti di acque esterne a ph più alto che tamponano la soluzione permettendo la precipitazione dei solfuri ossidati. 



Speleotemi composti da idrossidi di ferro tramano il fondo delle vasche e delle colate. Spesso la componente batterica composta da Acidothiobacillus Ferroxidans e Thioxidans, forniscono le base morfologico su cui gli idrossidi precipitano creando forme e strutture filamentose. 




Un piccolo lago isolato dagli apporti idrici esterni. Nonostante la presenza di rocce carbonatiche, il ph della soluzione non riesce ad essere tamponato e si presenta intorno a 2. Il colore rossastro tradisce l'estrema acidità della soluzione che oltretutto permette agli idrossidi di restare in soluzione. Sulla superfice si distinguono biofilm e filamenti di estremofili.








Mineralizzazioni secondarie sotto forma di incrostazione amorfa, probabilmente melanterite, solfato eptaidrato di ferro, prodottosi per trasformazione dei minerali di pirite. 



In molti punti delle gallerie il processo di ossidazione guidato dalle colonie batteriche, produce strutture e gocce gelatinose estremamente acide (ph 0-1). Queste colonie si presentano morfologicamente simili alle Snottiti presenti in molte grotte ipogeniche sulfuree dove una dominanza di batteri autotrofi chemiosintetici (Acidithiobacillus thioxidans) ricava energia dall'ossidazione dell'idrogeno solforato  ma in questo caso l'abbondanza di solfuri metallici privilegia probabilmente colonie chemiosintetiche di Acidothiobacillus Ferrivorans. 









 Le acque fortemente acide, se tamponate con apporto di acque fresche o per effetto del calcare abbassando il loro ph precipitano gli elementi in soluzione producendo come in questo caso abbondanti depositi di idrossidi di ferro, in gergo chiamato anche 'Yellow Boy', Una volta innescato il processo, può andare avanti per secoli dalla fine dell'attività estrattiva e rappresenta uno dei maggiori problemi relativamente agli ecosistemi delle acque dolci. Se i fanghi carichi di metalli pesanti e fortemente acidi raggiungono la falda oppure le acque libere, sono infatti in grado di azzerare praticamente ogni ecosistema... o almeno ogni ecosistema per come le conosciamo. La cosa buffa dell'AMD è infatti che si tratta di un processo fortemente guidato da una componente biotica, ovvero è esso stesso una sorta di ecosistema popolato da batteri estremofili chemiosintetici, capaci di catalizzare ed accelerare il processo di molti ordini di grandezza. Se infatti l'ossidazione è puramente chimica, una volta che i batteri, principalmente Acidothiobacillus Ferroxidans e Acidothiobacillus Ferrivorans, colonizzano il sito, il processo si autoalimenta ad una velocità migliaia di volte superiore accelerando la produzione di acido solforico e la concentrazione di metalli pesanti. L'originaria perturbazione antropica, crea così una sorta di 'nuovo ecosistema', dove tutta una serie di batteri estremofili autotrofi sfruttando l'energia chimica dei processi redox, fungono da base da produttori primari e quindi base di una peculiare catena trofica dove possono trovare spazio anche altre simbiosi e comunità eterotrofe. Un ecosistema fatto di patine opalescenti, filamenti galleggianti, gocce gelatinose acide e rosso fuoco simili a snottiti. Un ecosistema vivo e bellissimo ma allo stesso tempo, tossico e mortale: un mondo quasi alieno o forse solo l'immagine sfuocata di alcuni dei meccanismi all'origine della vita. Benvenuti nella versione batterica dell'Antropocene.

Andrea Benassi Ph.D





Concrezioni poliminerali, prodotte dalla liberazione e ossidazioni di diversi solfuri metallici dalla roccia attraverso l'erosione acida. 






venerdì 25 giugno 2021

Termografia Ipogea


 Le grotte sono macchine termiche estremamente complesse. Grazie alla circolazione di fluidi (aria e acqua), l'energia fluisce costantemente tra l'interno e l'esterno dei sistemi ipogei e altrettanto costantemente si sposta all'interno degli stessi. Energia che va ad agire costantemente sulle sostanze che compongono il fenomeno che chiamiamo 'grotta'. Aria acqua e in parte la roccia, subiscono questo continuo scambio termico, capace di andare a modificarne la temperatura ma anche capace di indurre  fenomeni complessi quali l'evaporazione e la condensazione. Tutto questo ormai lo sappiamo bene almeno dal punto di vista teorico, anche se ancora non siamo assolutamente in grado di seguirlo altrettanto bene. I processi termodinamici non sono assolutamente banali, se poi applicati a sistemi 'reali' e per nulla astratti quali le grotte... diventano veramente mostruosi da prevedere. Le misure di temperatura che prendiamo in grotta, a costo di estrema attenzione per non perturbare strumenti e contesto, sono inoltre misure puntuali. Ottime per definire alcuni fenomeni, ma assolutamente insufficienti per farsi un idea della grotta come spazio termodinamico tridimensionale. Il secondo principio della termodinamica ci dice che i sistemi isolati tendono all'equilibrio termico, già... ma è quel "tendono" e "isolati" che ci creano problemi nel mondo reale delle grotte e ci regalano un ambiente pieno zeppo di differenze e anomalie. Già perché se l'acqua è evidente che passi e scambi energia in un punto piuttosto che in un altro complicandoci la vita, per l'aria è anche peggio, non solo non siamo capaci di vederla, ma viaggia anche sulle tre dimensioni come sappiamo bene, snobbando gli attriti, scegliendo i livelli a cui muoversi in base al delta di temperatura tra lei e le pareti, muovendosi in modo turbolendo o lamellare, schizzando come una corrente a getto da un punto all'altro alla ricerca del tragitto più lineare....tutto questo in condizioni di geometrie quasi frattali ed in compagnia almeno per alcune zone termotropiche delle grotte in funzione del tempo. Insomma come sappiamo bene tutti, un vero rompicapo senza soluzioni facili. Un piccolo aiuto 'sperimentale' però forse ci può arrivare dai buoni vecchi infrarossi. Ma facciamo un passo indietro. Sul fatto che la realtà fisica che viviamo debba molto ai fenomeni ondulatori, non c'è dubbio alcuno ma non è il caso di aprire questo mostruoso vaso di Pandora. Basti ricordare che la quasi totalità dei fenomeni che ci riguardano dal punto di vista sensoriale è direttamente legato al vasto è misterioso mondo delle onde elettromagnetiche. Uno spettro veramente vasto. Lunghezza e frequenza di ogni 'categoria' di onde che prendiamo in esame, intrattiene rapporti e relazioni differenti con i differenti 'materiali' con cui viene a contatto. Ovviamente quando in questo mondo parliamo di 'relazioni' parliamo di scambi energetici. Lo spettro della luce visibile e dei colori che disegnano il nostro mondo, come sappiamo sono solo una frazione infinitesima di questa realtà, per la precisione compresa tra i 400 e i 700 nm (nanometri di lunghezza d'onda ovvero 10 elevato alla -9 metri). A sinistra troviamo il magico mondo degli UV, gli ultravioletti (e seguendo quella direzione tante altre onde sempre più energetiche e ionizzanti.... poco belle da frequentare per la vita, ma non iniziamo neanche che il discorso sarebbe veramente lungo) a destra gli infrarossi, ovvero ciò che esiste 'oltre' il rosso. Ma quanti sono gli infrarossi? Tanti, maledettamente tanti, dal punto di vista dell'ampiezza dello spettro, e pure difficili da definire e studiare in alcuni casi. Lasciamo pure stare cosa c'è oltre gli infrarossi.. perché cominceremmo a trovare le microonde (quelle del forno.... e poi tutto ciò che viaggia nell'etere...). Restando agli infrarossi per esempio possiamo subito distinguerli tra 'vicini' e 'medio' infrarosso. Il primo è quello che comincia appunto appena oltre i 700 nm e che produce anche belle foto appunto all'infrarosso. Una volta con le vecchie pellicole sensibili agli infrarossi, oggi giusto con qualche piccola modifica a qualsiasi macchina fotografica digitale. Il mondo che vediamo osservando lo spettro elettromagnetico compreso tra 700 e 1300 nanometri è un mondo strano...ovviamente in bianco e nero...perché i colori non esistono più ... anzi a dirla tutta non sono mai esistiti come cosa 'reale'. Un mondo dove questa 'nuova' luce che osserviamo si comporta in modo diverso con le sostanze e i materiali che ci circondano: cieli neri e foglie bianche o per esempio in alcuni casi non attraversa il vetro, trasparente alla luce 'normale' e invece passa comodamente attraverso materiali che crediamo opachi. (Già i famosi occhiali per vedere sotto i vestiti che promettevano alcuni giornaletti il secolo scorso, in parte esistono davvero e non c'è bisogno di arrivare ai raggi x!). Ma chi ce li da tutti questi raggi infrarossi? Beh ovviamente se siamo fuori di giorno, la nostra solita stessa preferita che ci inonda di ogni tipo di radiazione elettromagnetica possibile... tra cui ovviamente anche l'infrarosso. Siamo noi umani a non vederlo. Ma lasciamo perdere per ora perdere questo infrarosso vicino che altrimenti rischiamo di fare notte e spostiamoci ancora un pò...verso l'infrarosso medio ovvero verso radiazioni con una lunghezza d'onda compresa tra 8 e 14 micrometri....ovvero tra 8000 e 14000 nanometri un pelo più in la. Ecco qui le cose cambiano ancora, qui siamo nel mondo dell'infrarosso termico. Già il calore, ma di che calore stiamo parlando? Nulla di particolare... semplicemente tutto il calore dell'universo, ovvero quel tipo di radiazione che emette qualsiasi corpo che si trovi in una condizione termica appena superiore allo zero assoluto kelvin ovvero a quel famoso -273° C. Direi che tutto quello che per ora conosciamo ci rientra e quindi anche le grotte. Già ogni corpo a qualsiasi temperatura emette radiazione infrarossa a quella frequenza. Beh se lui la emette con il giusto sensore io lo posso vedere. Questo è il principio semplice ed efficace delle 'termocamere'  ovvero non sto illuminando un oggetto con una luce che non vedo come nel caso degli illuminatori a infrarossi per andare a caccia... al contrario sto vedendo qualcosa che l'oggetto stesso emette, infatti si parla di infrarosso termico o passivo. Forse pochi sanno, che una buona parte dei sensori di movimento, che accendono e spengono le luci per esempio è semplicemente un sensore ad infrarosso termico... un singolo pixel, ma che si accorge che noi come animale caldo rispetto allo sfondo, passiamo davanti e come tale facciamo scattere il meccanismo. Ma stiamo divagando. La termografia ad infrarosso termico ha una storia non proprio recentissima, in realtà come applicazione nasce già durante la seconda guerra mondiale, ma sono i problemi tecnici a limitarne l'uso. Se poi passiamo al nostro piccolo mondo ipogeo, il tentativo di 'vedere' il calore e i suoi movimenti, è un sogno proibiti che alcuni hanno cominciato a coltivare già negli anni '90. Alcuni tentativi inglesi, americani, da noi Troncon alla Preta e poco altro. Tentativi spesso estemporanei, perché legati alla possibilità di avere in 'prestito' per poco tempo uno di questi magici apparati che permetteva di vedere l'invisibile. Fino agli anni '90 parliamo di cose grosse, ingombranti, maledettamente costose e altrettanto maledettamente incapaci di avere una sufficiente risoluzione. Insomma un disastro che ha pesantemente limitato ogni tentativo sperimentale, sopratutto in ambito non 'professionale'.  Già la risoluzione è uno degli elementi fondamentali in ogni immagine e nella termografia problemi tecnici non banali ci obbligano anche oggi a foto 'essenziali' ovvero ad una risoluzione che ci potrebbe sembrare ridicola, rispetto alla quantità di megapixel a cui ogni cellulare ci ha abituato: 20x30 pixel, 60x80. 160x120, 220x160, 320x220 o 640x320 ... sono praticamente il massimo che possiamo aspettarci dai sensori applicati anche su apparecchiature militari. (Qualcosa in più si sta facendo, ma lasciamolo stare che tanto non ce lo possiamo permettere).  Se però ci pensiamo un attimo, quella matrice attiva di punti termici equivale in un colpo d'occhi a migliaia o centinaia di migliaia di misure termiche simultanee. Praticamente impossibile farsi un idea tridimensionale di quello che succede nel singolo istante in una stanza o in una tazza di caffè caldo con un termometro. Con una termocamera al conrario è un gioco da ragazzi, basta guardare. Si, lo sento già che qualcuno sta parlando di precisione ed errore della misura. Certamente misurare la temperatura con una termocamera non mi può dare una misura precisa come altre misure termiche e questo per il principio stesso che sfrutta, ovvero trasformare quell'onda infrarossa in una temperatura convenzionale attraverso un parametro definito 'emissivita'. Brutto parametro, perché ogni materiale possiede un coefficiente (compreso tra 0 e 1) di emissività differente, che un pò come dire come sta riflettendo e diffondendo nello spazio circostante il suo patrimonio termico. sappiamo tutti che alcuni oggetti si raffreddano prima e altri dopo. Beh ecco perchè. Ovviamente se io taro il mio strumento su un materiale e ne misuro un altro... ecco apparire temperature magiche e improbabili. Per esempio il calcare non ha la stessa emissività del marmo o del gesso o della terra asciutta o bagnata o della pelle umana e via cosi Il problema a questo punto spontaneo è come si fa quando guardo cose mischiate? Semplice è un casino pieno di errori. Però non dobbiamo essere troppo critici verso gli errori, tutto dipende da cosa vogliamo vedere. Grazie ai recentissimi progressi tecnologici degli ultimi 20 anni la termografia ormai è diventata una branca investigativa del reale applicata praticamente ad una infinità di ambiti quotidiani: isolamento termico degli edifici, strutture industriali, verifica dei pannelli fotovoltaici restauro e beni culturali.... ovunque si possono applicare indagini termografiche con risultati non distruttivi altamente efficaci. Proprio sfruttando la differente emissività dei materiali, guardare 'dentro' una parete di una casa, vedendo sotto l'intonato la tramatura dei mattoni o delle pietre e ogni eventuale nicchia finestra tamponata con materiali differenti è per esempio un gioco da ragazzi. Senza toccare quella parete neanche con un dito. Ecco forse qualcuno sta pensando capperi allora forse anche in grotta qualcosa ci si può davvero fare? Si perché purtroppo, a quelle prime esperienze pionieristiche, propri costi e difficolta, fecero seguire un certo scoramento e sfiducia, pensando che alla fine forse non si sarebbe realmente potuto vedere nulla di utile e che il gioco non valeva il costo. Purtroppo sono stati molti gli equivoci. Per esempio un classico sogno proibito era quello di andare a zonzo per prati e montagna in cerca delle famose bocche calde o fredde ovvero delle colonne d'aria calda o fredde. Come sarebbe stato bello andare a cercarle con un attrezzo che te le facesse vedere da lontano con un semplice sguardo. Sarebbe? Ma è bello, anzi è bellissimo e funziona alla grande, solo che bisogna fare alcuni distinguo. Con una termocamera non vedrò mai l'aria che esce da quei buchi. L'aria ha una capacità termica troppo bassa perché riesca ad immortalarla a meno che non si tratti di grandi anzi mostruosi flussi di vapore (acqua) che come un soffione si slancia verso il cielo. Ma quello forse lo vedo anche senza termocamera. Quello che vedrò e che quindi devo andare a cercare sono gli effetti dell'aria sulla roccia o gli altri materiali circostanti con una maggiore capacità e stabilità termica. Quelli li vedo eccome se li vedo. Ma anche qui prima di cercare, devo immaginare che razza di condizioni posso trovare attorno. I buchi nelle neve li vado a cercare quando c'è la neve, le anomalie termiche all'infrarosso le devo cercare quando attorno a queste anomali mi posso aspettare un certo grado di 'uniformità' termica nello sfondo. Non tutte le condizioni vanno bene per cercare con una termocamera. Tanto per cominciare devo creare le condizioni in cui tra quello che vado a cercare e quello che c'è attorno ci sia una certa differenza di temperatura: un delta t sufficiente per non farmi impazzire con falsi positivi. Una termocamere ha una risoluzione di 0.1° (risoluzione non errore) ma per vari motivi è il caso che io ci metta qualche bel grado tra le temperature che voglio cercare, in particolare se vado in giro o cercare buchi in un bosco. Quanti? 5,7 ... anche 10 se proprio voglio essere comodo. Quindi Se vado a cercare ingressi alti in inverno che immagino soffino a 8° beh è il caso che mi svegli presto e faccia almeno 0°. (Ovviamente è scontato dire che posso cercare solo ingressi che soffiano qualcosa, non certo ingressi che aspirino qualcosa...in quel caso posso fare altro). Ecco adesso già vedo gente che si prepara a girare nelle belle giornate fredde d'inverno a caccia di buchi...No, sbagliato. Quelle belle giornate di alta pressione invernale, serene e rigide andiamo a sciare o altro, per cercare buchi all'infrarosso ci servono quelle brutte giornate uggiose e bagnate d'inverno quelle durante le quali si pensa chi me lo fa fare di andare in giro a coltivare reumatismi. Si con gli infrarossi termici una cosa va proprio evitate: il sole. Abbiamo già detto che a nostra stella ci regala tanti infrarossi? Beh anche quando fa freddo queste belle onda vanno a scaldare in modo differente i vari materiali che compongono il mio paesaggio, e tra zone in ombre e zone a sole, quello che vado a vedere è un mosaico assolutamente non interpretabile di zone 'calde' o 'fredde'. La differente emissività, unita all'effetto diretto del sole, rende del tutto inutile ogni osservazione termica anche in presenza di forti differenze di temperatura. Quindi niente sole. Qui le scuole di pensiero divergono: c'è chi predilige l'osservazione notturna (tanto come ci ha insegnato Predator, con gli infrarossi non c'è buio che tenga) o magari prima dell'alba quando la dispersione termica è stata massima da terra e chi predilige il cielo coperto. Io sono tra i secondi. Dalla mia esperienza, un bel cielo ben coperto, non necessariamente notturno riesce a spianare le temperature a terra abbastanza per avere un fondo uniforme su cui le anomali soffianti possano risaltare. Ovviamente se poi questo cielo uggioso si protrae da più giorni, ancora meglio. Anche se gli infrarossi rimbalzano infatti (effetto serra) tra suolo e nuvole, poco importa perché in assenza di luce diretta tutti questi giochi di rimbalzo in un tempo 't' abbastanza lungo creano un brodo termico uniforme. Tranne dove appunto si trovano gli oggetti del nostro desiderio! Altra cosa che aiuta non poco a 'spianare' le temperature a terra tra alberi, erba e sassi e ovviamente l'acqua. Dopo un bel temporale, l'acqua con la sua bella capacità termica, spande e annulla quasi tutte le differenze termiche. Quindi proprio giornate uggiose e anche un poco freddine. Quelle in cui ti svegli a 2° a mezzogiorno è 2° e alla sera ancora 2°. Ok, ma cosa e quanto posso vedere in questo modo? Beh dipende chiaramente da che strumento ho a disposizione, ma si potrebbe essere molto stupiti dalla distanza fino a cui si è in grado di rilevare anomalie termiche. Non decine, ma centinaia di metri. C'è ovviamente un problema di ottica. Esssedo una matrice di punti, bisogna calcolarsi con un pizzico di trigonometria base, quale sia la dimensione minima di pixel termico ad una distanza x in funzione dell'ampiezza di campo del mio strumento. Il FOV field of vision, l'equivalente in gradi di un nomale campi fotografico. Se ho un grandangolo oppure un tele, cambia parecchio la dimensione del pixel in grandezza assoluta ad una distanza x da me. Ecco questo è un altro limite fondamentale da tenere a mente. A 200 metri vedo bene una anomalia, ma dovrà avere una dimensione e quindi una capacità termica magari di 10 metri... una casa per esempio o una massa di acqua. Se per esempio voglio vedere buchi di 10-20 cm, nessun problema ma dovrò in base al fov e alla risoluzione del mio strumento limitarmi a 10 o 20 metri che proprio pochi non sono alla fine. E cosa posso aspettarmi di vedere a 20 metri da me nella giusta giornata? La rappresentazione delle anomalie termiche, nei vari strumenti, sfruttano una rappresentazione convenzionale in falsi colori, a proprio piacimento, bianco e nero, ferro caldo ecc. ecc. è pura convenzione che il bianco rappresenti il più caldo o lo rappresenti il nero. Quello che conta è la gamma dinamica di questo range termico. Ovvero lo spettro tra la massima e la minima temperatura presente nell'inquadratura. Lo strumento, qualsiasi, ha uno spettro molto ampio, normalmente superiore a 100 o 200° di massimo i ben sotto lo zero di minimo. Nessuna rappresentazione cromatica potrebbe rendere conto di una tale gamma di temperature. Quindi la gamma dinamica rappresentata cambia in continuazione in funzione del minimo e massimo presente in quel momento. Ecco un altro motivo per cercare condizioni di uniformità termica. In questo brodo magari bluastro, anche da 10 o 20 metri potre vedere dei puntini rossastri o bianche che si stagliano magari tra gli alberi Leggo la tempertura in gradi e magari su un fondo di 3° mi leggo una anomalia di 6°. Ho trovato un buco a 6°.... no, ho trovato una anomalia. Allora mi avvicino. entro nel campo dell'anomalia e rilegggo la temperatura, questa volta quella quasi vera, che magari mi da10.5°. Ho trovato qualcosa. Si le termocamere sbagliano parecchio in funzione della distanza, da lontano loro vedono bene le anomalie, ma faticano a dargli una lettura accurata di temperatura. Da vicino le cose cambiano e inquadrando una soluzione di acqua e ghiaccio in fusione sareste colpiti dalla precisione anche in rapporto ad un termometro a sonda. Con in più la possiilità di vedere perfettamente i vortici termici presenti nella soluzione. Dipende quindi molto se non completamente da come si usa lo strumento. Ci vuole parecchia pratica e chi crede che sia una bacchetta magica per trovare buchi senza saper cercare, si sbaglia di grosso. Chi invece i buchi già li trova senza e sa come e dove cercarli.... beh con una termocamera si troverà praticamente sommerso di buchi nuovi. Buchi nuovi, non ho detto grotte nuove. Già perché trovare uscite d'aria anche di pochi centimetri, magari attorno ad ingressi noti o in posti totalmente nuovi, non si traduce automaticamente in pozzi e grotte. E qui entra in campo la necessità di utlizzare lo strumento in un ottica di studio climatico areale. Ovvero creare delle vere e proprie mappe della circolazione atmosferica della montagna interno-esterno. Questo insieme a tutto il resto, che non sto a ricordare, mi da una marcia in più incredibile per provare a capire come funziona quel pezzo di montagna. Una appendice contemporanea del sogno proibito è quella di applicare una termocamera (o termografo) ad un drone e comodamente seduti cercare buchi buoni. Praticamente un desiderio da genio della lampada. Su questo punto abbiamo più esperimenti raffazzonati che risultati. Unica eccezione gli ottimi lavori recentissimi di Shopov per provare a creare modelli tridimensionali del terreno che incorporino anche le anomalie termiche. L'idea è ovviamente affascinante, ma nella sua realizzazione pratica si scontra con diversi limiti. Il primo è il tempo di volo di un drone, come sappiamo limitatissimo. Il secondo è il tipo di volo di un drone almeno per i modelli commerciali attuali, ovvero evitare di fare ginkane a bassa quota per evitare collisioni. Come abbiamo detto la risoluzione termica dei sensori attuali è limitata e limita la distanza, quindi pensare di vedere buchi di 50 cm volando a 100 metri da terra... è fantascienza. Certo un buco di 2 metri lo vedo sicuramente se ha anomalie, ma in quel caso forse l'ho visto anche da terra. Diciamo che anche in questo caso dipende cosa e dove cerco e soprattutto quanto voglio rischiare tutta l'apparecchiatura. Sicuramente mandare un drone con termocamera lungo una parete a vedere davanti ad un buco se presenta anomalie, beh questo funziona sicuramente e anche bene. Per la cronaca esistono già a livello 'commerciale' droni quasi autonomi equipaggiati con termografi ad ottima risoluzione. Potete immaginare che magia sia per controllare impianti industriali, hanno però un grosso difetto: costano come berline di media cilindrata. 

E in grotta? E' vero che posso trovarci le prosecuzioni? Ni. Vero e falso nello stesso tempo. Anche qui vale quanto detto: se non conosco i principi della climatologia ipogea e di come si muove quell'energia termica...con una termocamera al massimo ci faccio delle foto curiose dei compari che dormono. Se invece ho almeno le basi di questi processi di scambio, allora il rischio è di entrare in grotta e  scordarsi di uscire tante e tali sono le osservazioni che posso realizzare. In particolare nella zona termotropica della grotta, la zona caotica interessata da ampi e complessi scambi termici in funzione temporale, si dimostra uno strumento incredibile. Mi permette di vedere fisicamente come agisce l'insolazione su un ingresso, quali parti si scaldano e quali no e per esempio come un semplice ingresso a meandro possa generare correnti entranti e uscenti allo stesso tempo con la presenza di arie stratificate a temperatura differenti: in alto entro e in basso esce. O per esempio mi permette di vedere quali punti esatti di roccia sono colpiti da un flusso d'aria ancora non in equilibrio termico che quindi mi genere condizioni differenti in punti ben specifici. Ecc. Ecc. Tutto questo porta a potermi fare un idea chiarissma del perché magari si creino fenomeni di condensazione in un punto piuttosto che in un altro, oppure perché alcuni speleotemi si trovini li e non altrove. Tutto questo diventa evidente ad uno sguardo. E le prosecuzioni? Beh, anche quelle dipende dal saper dare un verso a quello che vedo. Sicuramente potrei vedere delle anomali dovute a flussi di aria vicina a temperature differenti, potrei confluenza di acque a temperature differenti che convergono. Ovviamente nella parte 'stabile' della grotta, mi troverà immerso in un brodo termico praticamente uniforme e questo c'è poco da fare è la natura della grotta e non dello strumento, però fatto salto l'errore e la risoluzione, un occhiata magari a quella parete oltre pozzo la posso dare, senza fatica, se poi dall'altra parte esiste un fiume d'aria portatore di anomalia termica significativa, beh in quel caso lo vedo di sicuro. Insomma si tratta di uno strumento potente, molto potente sopratutto per cominciare a famigliarizzare con le geometrie e le forme degli scambi termici. Uno strumento non da usare da solo, ma in associazione con anemometri, incensi, termometri e psicometri tradizionali per provare a farsi una mappa mentale di cosa succede in questa sfera dell'invisibile. 

Si tutto molto bello, dirà qualcuno, ma quanto costa questo giocattolo? Fino a pochissimi anni fa, tanto, decisamente troppo. Ora le cose stanno cambiando e anche molto rapidamente. Come dicevo sono moltissimi gli ambiti d'uso della termografia e la Speleologia, spesso molto sperimentale, in questo caso è rimasta parecchio indietro. Ormai ci sono sensori termici per quasi tutte le tasche, ovviamente con prestazioni anche molto differenti. La risoluzione è fondamentale e molti sensori a basso costo in alcuni casi venduti per essere applicati al cellulare, non sono in grado di fornire immagini termiche realmente utili. 60x80 pixel o meno creano un immagine, certo e va anche bene per vedere effetti termici magari di circuiti elettrici o altri oggetti di piccole dimensioni, molto meno bene se ci guardo una sala o una parete di alcuni metri, per niente bene se ci osservo il fianco di una collina. A nulla serva l'opzione di sovrapposzione dell'immagine ottica che fonde le due immagini e tramite elaborazione crea l'impressione di una immagine termica ad alta risoluzione. E' solo un trucco, buono per fare belle foto ma inutile per avere misure che non ci sono. L'unico parametro reale è la risoluzione termica del sensore in pixel ed è un numero sempre molto piccolo. Molto altro ancora potrebbe essere debbo, anche sull'elaborazione di un immagine termica ecc. ecc. e avremo occasione di riparlarne per ora accontentiamoci di aver aperto un grande vaso di Pandora pieno di possibilità ancora in buona parte tutte da esplorare.




 
Esempio di visione sbagliata in giornata serena. La struttura, una grande bolla di scollamento nel gesso, si scalda mostruosamente mostrando l'esterno molto caldo, l'interno al contrario in ombra mostra oltre un grado di differenza. Il bosco a sua volta mostra temperature a metà strada. Il tutto è inutile per cercare.




Doppio ingresso con forte anomalia in una giornata giusta (circa 10° tra fondo e aria) Dimensioni di 20x30 cm, immagini in parziale sovrapposizione con immagine ottica. 





Immagini di ingressi soffianti in un bosco a distanze comprese tra 20 e 30 metri. Gli ingressi hanno dimensioni di pochi decimetri, mentre le temperature registrate a questa distanza sono 'false'. la temperatura reale è di 12.1° e lo strumento la regista avvicinandosi, mentre il fondo  di circa 5°. Nonostante l'errore di misura, le temperature spianate dell'area, permettono alla gamma dinamica espressa nell'immagine di evidenziare in modo lampante questi punti. Non tutti gli errori vengono per nuocere. 



Esempio della confluenza di due piccoli corsi d'acqua all'interno di una grotta. Uno dei due mostra una differente temperatura verificato anche con sonda, dovuta ad una provenienza più superficiale. 

Esempio di come si presentano anomalie a grandissima distanza. A oltre 200 metri di distanza, sono ben evidenti una serie di edifici, chiaramente più caldi, ma anche un corpo d'acqua blu, leggermente più freddo, e anche alcuni campi arati e quindi più caldi. Ovviamente le dimensioni degli oggetti coinvolti sono dell'ordine di 10 o più metri. 







Effetti termici di un importante arrivo di aria dalla sommità di una galleria alta 6-8 metri e suoi effetti anche sul pavimento









Serie di ingressi e buchi soffianti, molti trovati nuovi, anche di minuscole dimensioni, come quello qui sopra posto accanto ad un ciuffo di erba. Due-tre centimetri di ampiezza. 






La turbolenza termica di acque a differenti temperature mentre scivolano via nello scarico di un lavandino



 

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