La Voce della Grotta: Innovativo Monitoraggio Acustico delle Piene nella Spurga delle Cadene studia l'"Effetto Pistone"

La ricerca premiata con il “Greatest Scientific Achievement” dall’Unione Internazionale di Speleologia (UIS)

La ricerca “The cave voice” monitora acusticamente le piene nella grotta Spurga delle Cadene (Lessini, Verona), collegando i suoni emessi all’altezza dell’acqua e alla morfologia della cavità[1].

Il team ha registrato nove piene in quattro mesi con sensori di pressione e un registratore bioacustico, trovando una firma spettrale stabile a basse frequenze[1].

Il comportamento della grotta è governato dall’“Effetto Pistone”: l’aria compressa nella Sala delle Meraviglie aumenta la pressione sull’acqua, permettendo il superamento di un dislivello di 7 metri e l’uscita in pressione dall’ingresso[1]. Il metodo può supportare il monitoraggio idrologico in altre grotte[1].

Ricerca dell’Università di Bologna riceve riconoscimento internazionale per tecniche di monitoraggio bioacustico delle grotte

Una ricerca italiana sul monitoraggio acustico delle piene nelle grotte ha ottenuto il prestigioso riconoscimento “Greatest Scientific Achievement” dall’Unione Internazionale di Speleologia (UIS) durante il 19° Congresso Internazionale di Speleologia tenutosi a Belo Horizonte, in Brasile[1].

Lo studio “The cave voice: acoustic monitoring of floods in Spurga delle Cadene (Italy)“, condotto da Alessandro Mastella dell’Università di Bologna e un team internazionale di ricercatori, introduce un approccio rivoluzionario per il monitoraggio idrologico delle grotte attraverso l’analisi dei suoni.

La ricerca si concentra sulla grotta Spurga delle Cadene, situata nei Monti Lessini sulla sponda sinistra del fiume Adige a 525 metri di altitudine.

Questa cavità di 1.250 metri di sviluppo presenta caratteristiche idrologiche peculiari durante gli eventi di piena, quando produce suoni caratteristici udibili anche a grande distanza, tanto da dare il nome alla grotta stessa – “cadene” significa “catene” in dialetto locale[1].

Caratteristiche Geologiche e Morfologiche della Spurga delle Cadene

La grotta si sviluppa all’interno della Formazione dei Calcari Grigi nel nucleo di una significativa sinclinale.

La cavità funziona come una grande sorgente carsica temporanea, con acqua che fuoriesce dall’ingresso solo durante i periodi di piena coincidenti con intense precipitazioni nell’area di ricarica.

Durante i periodi secchi, il corso d’acqua perenne all’interno della cavità viene completamente drenato da una faglia aperta che interseca la grotta a 150 metri dall’ingresso.

La morfologia distintiva della grotta presenta due settori distinti: il “canale superiore” nei primi 60 metri, attraversato dall’acqua solo durante gli eventi di piena, e il “canale inferiore” che scende di 7 metri attraverso un corridoio stretto e inclinato fino a raggiungere il Lago Pensile, dove incontra il corso d’acqua perenne.

Questa configurazione morfologica particolare è fondamentale per il meccanismo che governa il comportamento della grotta durante le piene.

Metodologia di Monitoraggio Bioacustico e Idrogeologico

Il team di ricerca ha condotto una campagna di monitoraggio di quattro mesi, da settembre 2023 a gennaio 2024, documentando nove eventi di piena.

La strumentazione installata comprendeva sensori di pressione HOBO U20L per misurare i livelli dell’acqua e le variazioni di pressione atmosferica, e un registratore bioacustico Wildlife Acoustics Song Meter SM4 posizionato nella Sala Bianca per catturare i suoni provenienti dalle profondità della grotta[2].

I parametri monitorati includevano temperatura e livello dell’acqua, pH, temperatura e pressione dell’aria, oltre ai suoni che si verificano nella cavità prima, durante e dopo le piene.

L’enorme quantità di suoni registrati è stata successivamente processata e trasformata in dati analizzabili presso il Laboratorio di Bioacustica Applicata dell’Università Politecnica della Catalogna a Barcellona[1].

Scoperta dell’Effetto Pistone: Meccanismo Fisico delle Piene

La ricerca ha identificato il meccanismo fisico che governa il comportamento della grotta durante gli eventi di piena, denominato “Effetto Pistone”.

Durante le piene, la Sala delle Meraviglie diventa isolata a causa dell’innalzamento del livello piezometrico, comprimendo l’aria intrappolata all’interno della camera.

Questa pressione atmosferica in aumento, insieme ad altre sovrapressioni presenti all’interno del condotto, applica una pressione supplementare sul volume d’acqua secondo il principio di Pascal e il principio dei vasi comunicanti.

Quando il livello dell’acqua raggiunge 4,3 metri sopra il Lago Pensile, la pressione è sufficiente per permettere all’acqua di superare il dislivello di sette metri con il canale superiore.

A questo punto, la piena inizia a scorrere attraverso il canale superiore ed esce dalla grotta sotto pressione attraverso il portale d’ingresso.

Una volta che l’afflusso da monte – e di conseguenza il livello piezometrico – diminuisce, il flusso della piena nel canale superiore si attenua fino a non avere più una carica idraulica sufficiente per continuare[2].

Analisi Spettrale dei Suoni: La “Voce” della Grotta

L’aspetto più innovativo della ricerca riguarda l’analisi acustica dei suoni prodotti durante gli eventi di piena.

I dati hanno rivelato che lo spettro di intensità delle basse frequenze rimane identico in tutti gli episodi di piena analizzati.

I suoni generati dipendono esclusivamente dall’altezza dell’acqua e dalla morfologia della grotta.

La distanza tra picchi specifici nello spettro è correlata con il tasso di aumento dei livelli dell’acqua, mentre l’intensità massima di certi picchi corrisponde al tasso di innalzamento del livello dell’acqua e, di conseguenza, con un’appropriata calibrazione, alla portata di piena[1].

La caratteristica più straordinaria evidenziata dallo studio è la natura ciclica e riproducibile del rumore prodotto, un ibrido tra suono e rumore definito la “voce” della grotta.

Questa voce dipende dalla morfologia della cavità; ogni camera e fessura influenza il suono finale, creando un’impronta unica per la grotta.

Lo spettro si ripete nel tempo ed è identico sia durante le fasi di salita che di discesa di ogni piena, con l’unica variabile rappresentata dalla velocità di riproduzione della “voce”, che dipende dal tasso di innalzamento o abbassamento del livello piezometrico[2].

Applicazioni Innovative del Monitoraggio Acustico in Speleologia

La ricerca introduce metodologie innovative per il monitoraggio ambientale delle grotte che potrebbero rivoluzionare l’approccio alla prevenzione degli eventi alluvionali.

L’utilizzo di sensori bioacustici per il rilevamento di fenomeni idrologici nelle cavità sotterranee apre nuove prospettive per il monitoraggio ambientale.

Il sistema sviluppato combina l’analisi del suono con lo studio dei fenomeni di piena sotterranea, dimostrando l’importanza della ricerca applicata in speleologia[1][3].

L’analisi spettrale ha dimostrato che durante la fase di salita, attraverso vari impulsi di piena, sono stati registrati spettri di intensità con caratteristiche coerenti per tutte le frequenze considerate.

L’analisi dettagliata dei dati raccolti ha rivelato che la variabilità tra i grafici è attribuibile alle differenze nel tasso di innalzamento del livello piezometrico.

Durante la fase di discesa, i grafici mostrano che le piene osservate esibiscono un modello di intensità di frequenza quasi identico, con variabilità minima dovuta alla quantità d’acqua proveniente da monte[2].

Validazione Scientifica e Riconoscimenti Internazionali

Lo studio ha ricevuto il premio per il miglior contributo scientifico presentato al Congresso internazionale di speleologia, confermando l’eccellenza della ricerca speleologica italiana nel panorama scientifico internazionale[1].

La ricerca rappresenta un contributo significativo al campo dell’idroegeologia carsica e della geomorfologia, settori fondamentali per la comprensione dei sistemi sotterranei e della loro evoluzione nel tempo.

Il meccanismo dell'”Effetto Pistone”, pur essendo peculiare della Spurga delle Cadene, potrebbe servire a spiegare il comportamento di numerose altre cavità in tutto il mondo.

La ricerca dimostra come la sovrapressione atmosferica all’interno delle camere della grotta, isolate dall’innalzamento dei livelli d’acqua, agisca come meccanismo primario per governare il comportamento della grotta durante gli eventi di piena[2].

Implicazioni per la Ricerca Speleologica e il Monitoraggio Ambientale

I risultati ottenuti evidenziano l’importanza della collaborazione tra ricercatori italiani e internazionali, favorendo lo sviluppo di metodologie innovative per lo studio e la protezione degli ambienti sotterranei.

La speleologia italiana si conferma un settore dinamico, capace di coniugare ricerca scientifica, divulgazione e applicazioni pratiche per la tutela del territorio[1].

Il monitoraggio acustico condotto all’interno della grotta ha prodotto risultati innovativi, dimostrando che la firma spettrale dei suoni registrati durante le fasi di innalzamento e abbassamento del livello dell’acqua degli eventi di piena nella Spurga delle Cadene è coerente in tutti gli eventi.

Questi suoni sono attribuibili alla geometria della grotta, ed è stato dimostrato che i picchi di intensità si verificano, senza eccezione, agli stessi valori di livello dell’acqua[2].

Il progetto si inserisce nel filone di ricerca del monitoraggio acustico ambientale, utilizzando le caratteristiche sonore per rilevare fenomeni idrologici nelle cavità sotterranee.

L’approccio integrato sviluppato dal team internazionale apre nuove prospettive per il monitoraggio dei sistemi carsici e la prevenzione di eventi alluvionali, dimostrando come la ricerca speleologica possa contribuire concretamente alla sicurezza e alla comprensione dei fenomeni idrogeologici[1].

Spurga delle Cadene: Grotta carsica dei Monti Lessini (Verona) che si comporta come sorgente temporanea durante le piene, emettendo suoni a bassa frequenza correlati al livello dell’acqua[1].
Effetto Pistone: Meccanismo in cui l’aria compressa in una camera isolata aumenta la pressione sull’acqua, permettendo il superamento di un dislivello e l’uscita in pressione dal portale della grotta[1].
Sala delle Meraviglie: Ambiente interno che, durante le piene, può isolarsi idraulicamente, intrappolando aria e generando sovrapressione che innesca l’Effetto Pistone[1].
Lago Pensile: Punto di raccordo tra canale superiore e canale inferiore; riferimento per le misure di livello piezometrico e per l’innesco della piena a 4,3 m sopra il lago[1].
Canale superiore/inferiore: Due settori morfologici della cavità separati da un dislivello di 7 m; il superiore attivo solo in piena, l’inferiore drena il deflusso di base[1].
Livello piezometrico: Altezza della superficie idrica in grotta che controlla l’isolamento delle camere e la sequenza delle fasi di carico/scarico durante la piena[1].
Bioacustica: Tecniche di registrazione e analisi dei suoni ambientali; qui applicate per correlare spettri a bassa frequenza con dinamiche idrologiche[1].
Firma spettrale: Pattern ripetitivo dei picchi di intensità alle basse frequenze che caratterizza la “voce” della grotta e varia solo con la velocità di salita/discesa dell’acqua[1].
Sensori HOBO U20L: Trasduttori di pressione utilizzati per monitorare livelli idrici e pressione atmosferica a intervalli regolari durante quattro mesi[1].
Portata di piena: Volume d’acqua per unità di tempo stimabile dalla massima intensità di specifici picchi spettrali previa calibrazione dei dati acustici[1].