Universality in snowflake aggregation

Aggregation of ice crystals is a key process governing precipitation. Individual ice crystals exhibit considerable diversity of shape, and a wide range of physical processes could influence their aggregation; despite this we show that a simple computer model captures key features of aggregate shape and size distribution reported recently from cirrus clouds. The results prompt a new way to plot the experimental size distributions leading to remarkably good dynamical scaling. That scaling independently confirms that there is a single dominant aggregation mechanism at play, albeit our model (based on undeflected trajectories to contact) does not capture its form exactly

Environmental Objects for Authoring Procedural Scenes

International audienceWe propose a novel approach for authoring large scenes with automatic enhancement of objects to create geometric decoration details such as snow cover, icicles, fallen leaves, grass tufts or even trash. We introduce environmental objects that extend an input object geometry with a set of procedural effects that defines how the object reacts to the environment, and by a set of scalar fields that defines the influence of the object over of the environment. The user controls the scene by modifying environmental variables, such as temperature or humidity fields. The scene definition is hierarchical: objects can be grouped and their behaviours can be set at each level of the hierarchy. Our per object definition allows us to optimize and accelerate the effects computation, which also enables us to generate large scenes with many geometric details at a very high level of detail. In our implementation, a complex urban scene of 10 000 m², represented with details of less than 1 cm, can be locally modified and entirely regenerated in a few seconds

Airborne and Terrestrial Laser Scanning Data for the Assessment of Standing and Lying Deadwood: Current Situation and New Perspectives

LiDAR technology is finding uses in the forest sector, not only for surveys in producing forests but also as a tool to gain a deeper understanding of the importance of the three-dimensional component of forest environments. Developments of platforms and sensors in the last decades have highlighted the capacity of this technology to catch relevant details, even at finer scales. This drives its usage towards more ecological topics and applications for forest management. In recent years, nature protection policies have been focusing on deadwood as a key element for the health of forest ecosystems and wide-scale assessments are necessary for the planning process on a landscape scale. Initial studies showed promising results in the identification of bigger deadwood components (e.g., snags, logs, stumps), employing data not specifically collected for the purpose. Nevertheless, many efforts should still be made to transfer the available methodologies to an operational level. Newly available platforms (e.g., Mobile Laser Scanner) and sensors (e.g., Multispectral Laser Scanner) might provide new opportunities for this field of study in the near future

The physics of snow crystals

We examine the physical mechanisms governing the formation of snow crystals, treating this problem as a case study of the dynamics of crystal growth from the vapour phase. Particular attention is given to the basic theoretical underpinnings of the subject, especially the interplay of particle diffusion, heat diffusion and surface attachment kinetics during crystal growth, as well as growth instabilities that have important effects on snow crystal development. The first part of this review focuses on understanding the dramatic variations seen in snow crystal morphology as a function of temperature, a mystery that has remained largely unsolved since its discovery 75 years ago. To this end we examine the growth of simple hexagonal ice prisms in considerable detail, comparing crystal growth theory with laboratory measurements of growth rates under a broad range of conditions. This turns out to be a surprisingly rich problem, which ultimately originates from the unusual molecular structure of the ice surface and its sensitive dependence on temperature. With new clues from precision measurements of attachment kinetics, we are now just beginning to understand these structural changes at the ice surface and how they affect the crystal growth process. We also touch upon the mostly unexplored topic of how dilute chemical impurities can greatly alter the growth of snow crystals. The second part of this review examines pattern formation in snow crystals, with special emphasis on the growth of snow crystal dendrites. Again we treat this as a case study of the more general problem of dendritic growth during diffusion-limited solidification. Since snow crystals grow from the vapour, we can apply dendrite theory in the simplified slow-growth limit where attachment kinetics dominates over capillarity in selecting the tip velocity. Although faceting is quite pronounced in these structures, many aspects of the formation of snow crystal dendrites are fairly well described using a theoretical treatment that does not explicitly incorporate faceting. We also describe electrically modified ice dendrite growth, which produces some novel needle-like structures

Mineralogic and petrologic studies of lunar samples and meteorites

Experimental and thermodynamic research on the pressure temperature limits of the stability of the mineral assemblages found in pristine, spinel bearing lunar highland lithologies demonstrated the likelihood that the minerals originated in the lower stratigraphic levels of the primordial crust. The phase equilibrium in silicate solid/liquid systems of planetary importance were thermochemically interpreted in order to model the early formation of the crusts and maneles of Earth and Moon sized planets. The petrography and chemical composition of coarse grained gabbro, the chemical analysis and age dating of clasts from Apollo 16 breccia, the analysis of glass particles from Apollo 16 soil samples, the study of Allende and Mokoia meteorites as a source of information about events in the solar nebula, and the hydrothermal alteration of amorphous materials were also investigated. The capabilities of a model for addressing the problem of the origin of the Earth's moon by the disruptive capture mechanism are examined as well as models of the thermal evolution of hypothetical meteorite bodies. Progress in determining the composition of stony meteorite specimens collected at the Allan Hills site during the Antarctic field exploration is reported

Congiungere la modellazione dei movimenti di massa alla realtà

I flussi di massa sono pericoli naturali di tipo gravitativo tipici delle zone montane che causano ogni anno perdite economiche e vittime. I modelli numerici sono strumenti per prevedere la propagazione di potenziali eventi di flussi di massa su una determinata topografia, ma questi richiedono diversi input. Gli input e i processi che sostanzialmente influenzano i risultati dei modelli sono rappresentati dalla dal volume, dalle condizioni di innesco e dalle interazioni topografia – flusso di massa. Pertanto, l'obiettivo principale della tesi è quello di migliorare la quantificazione del volume coinvolto in un evento di flusso di massa e di aumentare la rappresentazione dell’interazione tra il flusso e la topografia. Quindi, sono stati studiati due tipi di flussi di massa: debris flow e valanghe di neve. Per quanto riguarda i debris flow, la tesi vuole migliorare l'affidabilità dei modelli analizzando l'aumento del volume del flusso attraverso l'erosione del letto del canale e il collasso di strutture di mitigazione. Per le valanghe di neve, lo studio ha come obbiettivo quello di migliorare l'identificazione delle possibili aree di distacco. La tesi è strutturata come una raccolta di articoli dei quali tre sono stati pubblicati e uno è in fase di revisione. Il primo articolo ha migliorato la rappresentazione dei fenomeni erosivi nei modelli numerici grazie ai dati di un evento di debris flow avvenuto nel bacino del rio Gere (Veneto, IT). Una funzione basata sui valori di pendenza è stata definita per calcolare il coefficiente di erosione, successivamente utilizzato per riprodurre l’erosione osservata nel canale. I risultati sono utili per migliorare l'accuratezza di futuri scenari da debris flow per i quali l'erosione è un importante processo nella dinamica del flusso. Il secondo studio ha definito una procedura per simulare l'effetto del collasso delle briglie di consolidamento in un evento di debris flow. La metodologia è stata sviluppata nel rio Rotian (Trentino, IT), dove un evento di pioggia estrema ha innescato un debris flow che ha provocato il collasso di una serie di 15 briglie. La metodologia sviluppata può essere direttamente applicata per mappare il rischio residuo dei canali da debris flow in cui siano presenti opere o dove la mancanza di manutenzione delle misure di mitigazione può diminuire la loro stabilità. Il terzo progetto riguarda lo studio della rugosità del terreno. Sette algoritmi di calcolo della rugosità sono stati testati in due aree studio al fine di identificare quale algoritmo possa rappresentare nel modo più appropriato le tipologie del terreno che interagiscono con i fenomeni di massa. I risultati hanno mostrato che il miglior algoritmo è risultato il vector ruggedness e che l’utilizzo di una risoluzione maggiore non ha migliorato le performance. Il quarto progetto ha analizzato la capacità di protezione delle foreste colpite da tempeste di vento. Due nuovi algoritmi per valutare le caratteristiche degli alberi abbattuti sono stati sviluppati. I risultati hanno evidenziato che il momento di protezione minimo delle foreste contro le valanghe di neve è dopo 10 anni l'evento di tempesta. Inoltre, gli algoritmi possono essere applicati direttamente su scala regionale per la gestione e il monitoraggio delle aree forestali colpite da tempeste. I diversi studi hanno analizzato i processi di erosione, l'effetto del collasso di briglie e l'identificazione di potenziali aree di innesco. I risultati dei quattro progetti hanno risposto ai corrispondenti obbiettivi, migliorando la comprensione dei flussi di massa e quindi la previsione di eventi futuri. Inoltre, i progetti forniscono importanti risultati metodologici e nuovi metodi sono stati sviluppati e testati al fine di migliorare la stima del volume dei flussi di massa. Tali metodi sono inoltre applicabili al di fuori delle aree di studio prese in esame, dando supporto a diversi stakeholder nella gestione dei rischi naturali.Mass flows are gravitational natural hazards typical of mountain areas causing economic losses and fatalities every year. Numerical models are a way to predict the propagation of potential mass flow events over a certain topography. To appropriately reproduce future events, models required different inputs. Inputs and processes consistently affecting the outcomes of mass flow models regard the released volume, the triggering conditions and the interaction with the topography and the features on the ground once the flow is in motion. Therefore, the main objective of the thesis is to improve the quantification of the input volume and to improve the implementation of processes of interaction with the basal topography. In this context, the focus has been placed on two types of mass flows: debris flows and snow avalanches. Regarding debris flows, the study aims to improve the reliability of models to capture the increase in flow volume through channel bed erosion and mitigation structure collapse. For snow avalanches, the study wants to improve the identification of possible avalanche release areas taking into account the role of different types of vegetation structures. The thesis was structured as a collection of articles of which three have been published and one is currently under review. The first paper investigated the improvement of debris flow erosion in computational models thanks to data of a severe event occurred in the Gere catchment (Veneto, IT). A function based on a smoothed terrain slope map was calibrated to derive the erosion coefficient, successively used to reproduce the observed erosion process occurred in the channel. Results can improve the reliability of future scenarios related to debris flows for which bed erosion plays an important role in volume increase. The second study defined a procedure to simulate the effect of check dam collapse in a debris flow event. The methodology was developed in the rio Rotian (Trentino, IT) where an extreme rainfall event triggered a debris flow that collapsed a series of 15 check dams. The adopted methodology can be straight applied to map the residual risk of mountain channels or where the lack of maintenance may decrease torrent countermeasure stability. The third project involves the study of terrain roughness. We tested seven algorithms computing terrain roughness in two study areas with the aim to identify which roughness algorithm can represent in the most appropriate way the features on the ground interacting with natural hazards. Outcomes showed that the best algorithm resulted the vector ruggedness and that the increase in data resolution did not improve the classification performance. Results can improve the reliability of mass flow propagation models over natural areas. The fourth project analysed the protection capacity of forests affected by windstorms. We developed and tested two algorithms to assess the characteristics of abated trees. Results assessed that the time of minimum level of forest protection against snow avalanches in 10 years after the storm event. The developed algorithms can be straight applied at regional scale to monitor and improve the management of windthrow areas. The projects investigated entrainment processes, effect of mitigation structure failures and the identification of potential triggering areas. Outcomes of the four projects filled the respective gaps of knowledge, improving the understanding of mass flows and then the prediction of future events. Furthermore, the projects have strong methodological outcomes and new methods to improve the volume estimation of mass flows have been developed and tested. Such methods are further applicable outside of the study areas, supporting different stakeholders in the management of natural hazards of mountain areas

Congiungere la modellazione dei movimenti di massa alla realtà

I flussi di massa sono pericoli naturali di tipo gravitativo tipici delle zone montane che causano ogni anno perdite economiche e vittime. I modelli numerici sono strumenti per prevedere la propagazione di potenziali eventi di flussi di massa su una determinata topografia, ma questi richiedono diversi input. Gli input e i processi che sostanzialmente influenzano i risultati dei modelli sono rappresentati dalla dal volume, dalle condizioni di innesco e dalle interazioni topografia – flusso di massa. Pertanto, l'obiettivo principale della tesi è quello di migliorare la quantificazione del volume coinvolto in un evento di flusso di massa e di aumentare la rappresentazione dell’interazione tra il flusso e la topografia. Quindi, sono stati studiati due tipi di flussi di massa: debris flow e valanghe di neve. Per quanto riguarda i debris flow, la tesi vuole migliorare l'affidabilità dei modelli analizzando l'aumento del volume del flusso attraverso l'erosione del letto del canale e il collasso di strutture di mitigazione. Per le valanghe di neve, lo studio ha come obbiettivo quello di migliorare l'identificazione delle possibili aree di distacco. La tesi è strutturata come una raccolta di articoli dei quali tre sono stati pubblicati e uno è in fase di revisione. Il primo articolo ha migliorato la rappresentazione dei fenomeni erosivi nei modelli numerici grazie ai dati di un evento di debris flow avvenuto nel bacino del rio Gere (Veneto, IT). Una funzione basata sui valori di pendenza è stata definita per calcolare il coefficiente di erosione, successivamente utilizzato per riprodurre l’erosione osservata nel canale. I risultati sono utili per migliorare l'accuratezza di futuri scenari da debris flow per i quali l'erosione è un importante processo nella dinamica del flusso. Il secondo studio ha definito una procedura per simulare l'effetto del collasso delle briglie di consolidamento in un evento di debris flow. La metodologia è stata sviluppata nel rio Rotian (Trentino, IT), dove un evento di pioggia estrema ha innescato un debris flow che ha provocato il collasso di una serie di 15 briglie. La metodologia sviluppata può essere direttamente applicata per mappare il rischio residuo dei canali da debris flow in cui siano presenti opere o dove la mancanza di manutenzione delle misure di mitigazione può diminuire la loro stabilità. Il terzo progetto riguarda lo studio della rugosità del terreno. Sette algoritmi di calcolo della rugosità sono stati testati in due aree studio al fine di identificare quale algoritmo possa rappresentare nel modo più appropriato le tipologie del terreno che interagiscono con i fenomeni di massa. I risultati hanno mostrato che il miglior algoritmo è risultato il vector ruggedness e che l’utilizzo di una risoluzione maggiore non ha migliorato le performance. Il quarto progetto ha analizzato la capacità di protezione delle foreste colpite da tempeste di vento. Due nuovi algoritmi per valutare le caratteristiche degli alberi abbattuti sono stati sviluppati. I risultati hanno evidenziato che il momento di protezione minimo delle foreste contro le valanghe di neve è dopo 10 anni l'evento di tempesta. Inoltre, gli algoritmi possono essere applicati direttamente su scala regionale per la gestione e il monitoraggio delle aree forestali colpite da tempeste. I diversi studi hanno analizzato i processi di erosione, l'effetto del collasso di briglie e l'identificazione di potenziali aree di innesco. I risultati dei quattro progetti hanno risposto ai corrispondenti obbiettivi, migliorando la comprensione dei flussi di massa e quindi la previsione di eventi futuri. Inoltre, i progetti forniscono importanti risultati metodologici e nuovi metodi sono stati sviluppati e testati al fine di migliorare la stima del volume dei flussi di massa. Tali metodi sono inoltre applicabili al di fuori delle aree di studio prese in esame, dando supporto a diversi stakeholder nella gestione dei rischi naturali.Mass flows are gravitational natural hazards typical of mountain areas causing economic losses and fatalities every year. Numerical models are a way to predict the propagation of potential mass flow events over a certain topography. To appropriately reproduce future events, models required different inputs. Inputs and processes consistently affecting the outcomes of mass flow models regard the released volume, the triggering conditions and the interaction with the topography and the features on the ground once the flow is in motion. Therefore, the main objective of the thesis is to improve the quantification of the input volume and to improve the implementation of processes of interaction with the basal topography. In this context, the focus has been placed on two types of mass flows: debris flows and snow avalanches. Regarding debris flows, the study aims to improve the reliability of models to capture the increase in flow volume through channel bed erosion and mitigation structure collapse. For snow avalanches, the study wants to improve the identification of possible avalanche release areas taking into account the role of different types of vegetation structures. The thesis was structured as a collection of articles of which three have been published and one is currently under review. The first paper investigated the improvement of debris flow erosion in computational models thanks to data of a severe event occurred in the Gere catchment (Veneto, IT). A function based on a smoothed terrain slope map was calibrated to derive the erosion coefficient, successively used to reproduce the observed erosion process occurred in the channel. Results can improve the reliability of future scenarios related to debris flows for which bed erosion plays an important role in volume increase. The second study defined a procedure to simulate the effect of check dam collapse in a debris flow event. The methodology was developed in the rio Rotian (Trentino, IT) where an extreme rainfall event triggered a debris flow that collapsed a series of 15 check dams. The adopted methodology can be straight applied to map the residual risk of mountain channels or where the lack of maintenance may decrease torrent countermeasure stability. The third project involves the study of terrain roughness. We tested seven algorithms computing terrain roughness in two study areas with the aim to identify which roughness algorithm can represent in the most appropriate way the features on the ground interacting with natural hazards. Outcomes showed that the best algorithm resulted the vector ruggedness and that the increase in data resolution did not improve the classification performance. Results can improve the reliability of mass flow propagation models over natural areas. The fourth project analysed the protection capacity of forests affected by windstorms. We developed and tested two algorithms to assess the characteristics of abated trees. Results assessed that the time of minimum level of forest protection against snow avalanches in 10 years after the storm event. The developed algorithms can be straight applied at regional scale to monitor and improve the management of windthrow areas. The projects investigated entrainment processes, effect of mitigation structure failures and the identification of potential triggering areas. Outcomes of the four projects filled the respective gaps of knowledge, improving the understanding of mass flows and then the prediction of future events. Furthermore, the projects have strong methodological outcomes and new methods to improve the volume estimation of mass flows have been developed and tested. Such methods are further applicable outside of the study areas, supporting different stakeholders in the management of natural hazards of mountain areas