Una simulazione rivela come i ghiacciai trasportarono le rocce attraverso le Alpi 24.000 anni fa

Molti dei massi sparsi per il paesaggio svizzero non si trovavano originariamente nel luogo in cui sorgono oggi.

Furono invece trasportati dai ghiacci circa 24.000 anni fa. Per la prima volta, i ricercatori dell’Università di Losanna (UNIL) hanno ricostruito, tramite simulazione, i percorsi di queste gigantesche rocce attraverso l’intera regione alpina. Il modello permette di visualizzare i tragitti compiuti da milioni di massi che hanno contribuito a plasmare i paesaggi odierni.

Perché la città di Losanna è costruita su una serie di terrazze? Perché il lago di Ginevra si è formato proprio in quel punto? E come mai massi del peso di centinaia di tonnellate si sono ritrovati sparsi per il paesaggio svizzero?

Gran parte del paesaggio odierno è stato plasmato dalle grandi ere glaciali, l’ultima delle quali raggiunse il suo apice circa 24.000 anni fa. In quel periodo, vasti ghiacciai si riversavano dalle cime delle Alpi come giganteschi bulldozer, erodendo il terreno, trasportando enormi quantità di roccia e sedimenti, scavando valli e scolpendo i bacini che in seguito sarebbero diventati i laghi che conosciamo oggi.

I ricercatori dell’Università di Losanna (UNIL) hanno sviluppato la prima simulazione computerizzata in grado di ricostruire e visualizzare, sull’intera regione alpina, i percorsi compiuti da massi erratici e frammenti di roccia trasportati dai ghiacciai dalle cime delle montagne fino alle valli. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Earth Surface Dynamics .

“Finora, approfonditi studi sul campo hanno permesso ai ricercatori di determinare la provenienza di molti dei massi erratici rinvenuti nelle pianure. Tuttavia, i percorsi che hanno seguito erano spesso controintuitivi e difficili da ricostruire”, afferma Tancrède Leger, ricercatrice presso la Facoltà di Geoscienze e Ambiente dell’UNIL e autrice principale dello studio. “La nostra simulazione mostra come i ghiacciai hanno trasportato le rocce attraverso il paesaggio e, ad esempio, rivela i percorsi attraverso i quali alcune di esse hanno attraversato i passi di montagna.”

Parallelamente alle simulazioni, i ricercatori hanno sviluppato un catalogo che descrive in dettaglio l’origine e i percorsi di trasporto dei depositi glaciali nelle diverse regioni delle Alpi. “I geologi che intendono studiare morene o bacini sedimentari possono inviare una richiesta per un’area specifica e noi possiamo fornire informazioni sulla probabile origine, composizione e tipologia dei sedimenti e dei massi che potrebbero incontrare in quella zona.”

Uno strumento unico al mondo

Questa ricerca è stata resa possibile grazie a uno strumento unico sviluppato dal team di Guillaume Jouvet, professore all’Università di Losanna. Denominato IGM, permette di simulare la copertura glaciale e il flusso del ghiaccio in base a una serie di parametri, tra cui la topografia e le condizioni climatiche passate o presenti.

“Nel nostro caso, abbiamo alimentato il modello con milioni di punti che rappresentano massi erratici e sedimenti, e ne abbiamo calcolato le traiettorie”, spiega Leger. “La velocità del flusso di ghiaccio influenza il modo in cui trascina il materiale roccioso, e la presenza di pareti rocciose a monte influisce sulle frane, che vengono poi trasportate sul ghiaccio. Tutti questi fattori sono stati presi in considerazione.”

L’obiettivo più ampio di questo lavoro è contribuire a rispondere a importanti quesiti geologici, tra cui la formazione degli ambienti alpini e dei laghi, e più in generale migliorare la nostra comprensione di come i paesaggi si formano e si evolvono su scale temporali lunghe. “Questo tipo di simulazione ad alta risoluzione permette, per la prima volta, di visualizzare questi processi in modo tangibile.”

Unità di elaborazione grafica al centro del progresso

Fino a poco tempo fa, calcolare le traiettorie di milioni di massi e frammenti di roccia all’interno di un modello numerico era estremamente difficile, poiché avrebbe richiesto una potenza di calcolo proibitiva. Ora ciò è diventato possibile grazie ai recenti progressi delle unità di elaborazione grafica (GPU). Originariamente progettate per il rendering di immagini e per alimentare i videogiochi, le GPU sono diventate uno strumento chiave nel calcolo scientifico. La loro architettura, composta da migliaia di core in grado di eseguire molti calcoli in parallelo, le rende particolarmente adatte all’addestramento di modelli di intelligenza artificiale. L’avvento dell’IA ha quindi accelerato lo sviluppo di questi chip.

“Abbiamo sviluppato all’UNIL il primo modello open-source che sfrutta la potenza delle schede grafiche per simulare l’evoluzione dei ghiacciai, nel passato, nel futuro o in diversi scenari climatici”, afferma Jouvet, professore presso la Facoltà di Geoscienze e Ambiente (FGSE). Grazie alle GPU, il modello è ora fino a cento volte più veloce di prima.

Denominato IGM e sviluppato presso l’UNIL, questo strumento è già utilizzato dai glaciologi di tutto il mondo. Ha già portato a 18 pubblicazioni scientifiche, tra cui lo studio di Leger sui massi erratici, nonché a lavori di modellazione dell’ultima grande glaciazione delle Alpi.

Abstract

Ricostruire la storia del trasporto e la provenienza dei sedimenti glaciali e dei depositi a contatto con il ghiaccio (ad esempio till, morene) nelle regioni un tempo glaciate rimane una sfida importante, soprattutto su scale che vanno dai campi glaciali alle calotte glaciali e su scale temporali multimillenarie. Eppure, tali ricostruzioni sono fondamentali per questioni chiave nella scienza del Quaternario, tra cui la stima dei tassi di erosione glaciale e dei flussi di sedimenti del passato, il ruolo dell’accumulo di sedimenti subglaciali nella riduzione dell’erosione o la ricostruzione delle dinamiche passate del flusso glaciale, degli spartiacque glaciali e delle transflussi. Sebbene la modellazione numerica possa consentire di riprodurre il trasporto di sedimenti glaciali del passato accoppiando modelli glaciali con il tracciamento delle particelle, ciò diventa computazionalmente irrealizzabile su ampi domini spaziali e paleo-scale temporali utilizzando l’informatica tradizionale. Di conseguenza, nessuno studio fino ad oggi ha simulato il trasporto di sedimenti glaciali utilizzando un elevato numero di particelle (decine di milioni) attraverso campi glaciali su scala continentale come quello che occupava le Alpi europee durante l’Ultimo Massimo Glaciale (UMG). Qui, superiamo questa limitazione utilizzando l’Instructed Glacier Model (IGM), che consente l’accoppiamento del tracciamento lagrangiano tridimensionale delle particelle con simulazioni glaciali ad alta risoluzione, entrambe accelerate su unità di elaborazione grafica (GPU). Ciò sblocca la modellazione dell’advezione del ghiaccio di milioni di particelle con un costo computazionale aggiuntivo minimo, consentendo simulazioni del trasporto di sedimenti glaciali attraverso le Alpi europee su scale temporali multimillenarie (40-18 ka) e con una risoluzione spaziale senza precedenti di 300 m. Raggiungiamo Calcolo circa 50 volte più veloce per tracciare 20 milioni di particelle attraverso le Alpi utilizzando una singola GPU invece di 60 thread CPU. In tal modo, produciamo la prima ricostruzione modellistica su scala alpina del trasporto di sedimenti glaciali durante l’Ultimo Massimo Glaciale (LGM), utilizzando schemi di seeding di particelle basati sui processi per rappresentare sia l’origine subglaciale (ad esempio abrasione, distacco) che quella supraglaciale (ad esempio caduta massi, frane). I risultati vengono analizzati attraverso analisi complementari “da bacino a sorgente” (provenienza del deposito) e “da sorgente a bacino” (potenziali percorsi deposizionali), che ci consentono di ricostruire il trasporto glaciale durante l’LGM di numerosi depositi a contatto con il ghiaccio e litologie superficiali attraverso le Alpi. Scopriamo che i sedimenti glaciali di origine supraglaciale vengono tipicamente erosi prima, hanno tempi di residenza glaciale più lunghi e subiscono una maggiore esposizione cumulativa senza ghiaccio rispetto a quelli di origine subglaciale, con implicazioni per l’interpretazione dell’ereditarietà dei nuclidi cosmogenici nei depositi glaciali. Il nostro nuovo modello accoppiato ghiacciaio-particelle apre nuove prospettive per confronti quantitativi tra modello e dati, utilizzando la geomorfologia glaciale, e fornisce un potente strumento per ricostruire le paleodinamiche del ghiaccio, la provenienza dei sedimenti e l’evoluzione del paesaggio glaciale del Quaternario.

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