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Caratteristiche fisiche della neve

20.12.2023

La neve è una forma di acqua ghiacciata. È costituita da tanti piccoli cristalli di ghiaccio che formano fiocchi di neve.  La neve può essere leggera e polverosa o umida e pesante, a seconda delle condizioni in cui si forma. La neve è costituita in gran parte da aria, motivo per cui viene fisicamente descritta come un “medium poroso”. Se vogliamo, è una schiuma di ghiaccio ariosa.

Questo capitolo tratta i seguenti argomenti:

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Che cos’è la neve

La neve è una componente importante del ciclo dell’acqua e ha molti effetti sull’ambiente. Ricopre il suolo e influenza il clima circostante. La neve ha anche un impatto importante sull’habitat di animali e piante, poiché fornisce uno strato isolante e può immagazzinare acqua. Quando si scioglie in primavera, diventa una fonte d’acqua.

La neve è importante anche per le persone, sia come attività di intrattenimento (sci, snowboard e slittino) sia per i trasporti (ad esempio, impianti di risalita, ski-doo). Tuttavia, la neve può essere causa di pericoli come valanghe, problemi di traffico e danni alle infrastrutture, soprattutto quando ne cadono grandi quantità.

Nel complesso, la neve è un fenomeno meteorologico affascinante che svolge un ruolo importante nella natura e nella vita quotidiana.

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Come si forma la neve e cos’è un cristallo di neve?

I processi che portano alla formazione dei cristalli di neve sono complessi e dipendono da molti fattori, come la temperatura, l’umidità, la pressione atmosferica e la quantità di vapore acqueo presente nell’aria.

In generale, la formazione di un cristallo di neve inizia quando il vapore acqueo si condensa su piccole particelle presenti nell’aria. Queste particelle fungono da nuclei o da cosiddetti “centri di nucleazione” per la condensazione del vapore acqueo. Affinché il vapore acqueo dell’aria si agganci alle particelle, la massa d’aria in cui si trova il vapore acqueo deve essere satura. Satura significa che la massa d’aria ha raggiunto un’umidità relativa del 100%. Per evitare che il cristallo di neve si sciolga immediatamente, la temperatura dell’aria deve essere inferiore al punto di congelamento. Se in queste condizioni si accumula una quantità sufficiente di vapore acqueo intorno a questi nuclei, si formano piccoli cristalli di neve formati da ghiaccio.

 

La temperatura e la cosiddetta soprasaturazione, cioè la percentuale assoluta di acqua nell’aria, determinano la forma del cristallo di neve.

I cristalli di neve possono avere forme e strutture diverse, a seconda delle condizioni ambientali, ma una proprietà è sempre la stessa: hanno sei angoli. Se la soprasaturazione è di 0,1 g per metro cubo d’aria e la temperatura è vicina a 0° C, tendono a formarsi piccole piastrine (vedi anche illustrazione e foto). Se c’è più acqua disponibile in termini assoluti, le piastrine iniziano a formare dei bracci. Si formano le classiche stelle di neve o dendriti. Questi cristalli di neve crescono continuamente in una nube. Se diventano troppo pesanti, cadono a causa della gravità. Durante questo processo, spesso vengono sollevati dai venti. Di conseguenza, si aggrovigliano e si aggregano, formando il fiocco di neve. Poiché questo è ancora più pesante dei singoli dendriti, cade a terra.

© snow institute
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Perché un cristallo di neve ha (quasi) sempre sei angoli?

I cristalli di neve hanno una forma esagonale dovuta alla struttura molecolare dell’acqua. La forma esagonale è dovuta al modo in cui le molecole d’acqua sono disposte quando si formano i cristalli di neve.

Poiché la neve è acqua congelata, un cristallo di neve è costituito da molecole d’acqua. Questa è a sua volta composta da un atomo di ossigeno circondato da due atomi di idrogeno. Quando si forma un cristallo di neve, le molecole d’acqua si dispongono in uno schema regolare e formano una struttura esagonale.

La forma esagonale è creata dagli angoli di legame tra le molecole d’acqua. Gli angoli tra gli atomi di idrogeno e l’atomo di ossigeno della molecola d’acqua sono di circa 104,5 gradi. Quando l’acqua cristallizza, grazie a questi angoli le molecole d’acqua si posizionano naturalmente in una struttura esagonale.

© snow institute
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Perché la neve è bianca?

La neve ci appare bianca perché riflette tutti i colori della luce visibile. La luce solare è costituita da una miscela di colori diversi, che a volte possiamo vedere come un arcobaleno. La luce solare viene riflessa, rifratta e dispersa più volte all’interfaccia tra i cristalli di ghiaccio e l’ambiente circostante in tutte le lunghezze d’onda visibili, che corrispondono a tutti i colori che noi umani possiamo vedere. Grazie a questa complessa rifrazione e riflessione della luce all’interno della neve, tutti i colori dello spettro vengono riflessi e mescolati in modo uniforme. Di conseguenza, il colore riflesso viene percepito come bianco. Tutti i colori sono sovrapposti e l’occhio umano riconosce solo il colore bianco. La rifrazione della luce aiuta la neve a riflettere gran parte della luce solare e quindi la sua energia. In un certo senso, questo significa che la neve si autoconserva.

La neve, tuttavia, non è sempre bianca. Ad esempio, quando la luce del sole attraversa la neve all’alba o al tramonto, la luce viene rifratta e dispersa dall’atmosfera, per cui la neve può avere un bagliore rossastro o arancione. La neve può anche essere colorata dall’inquinamento o dalle impurità presenti nell’aria, che la fanno apparire grigia o marrone… E come ogni bambino sa: non bisogna mai mangiare la neve gialla!

© snow institute
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Perché la neve è fredda?

Per noi esseri umani la neve è fredda perché la sua temperatura è inferiore alla nostra temperatura corporea. Quando la neve cade sulla nostra pelle, sottrae calore al nostro corpo e ci fa avvertire il freddo. Il vento intensifica questa percezione di freddezza della neve, poiché il vento trasporta il calore dalla nostra pelle più rapidamente.

Anche se a noi umani la neve sa di freddo, in realtà per la neve stessa è piuttosto caldo qui sulla terra. Per capirlo, dobbiamo conoscere il concetto di temperatura omologa. Essa descrive la temperatura alla quale un materiale, in questo caso la neve o il ghiaccio, si scioglie. La temperatura omologa della neve è 0° C. Poiché alle nostre latitudini la neve raramente raggiunge temperature inferiori a -30° C, la sua temperatura è sempre molto vicina alla sua temperatura omologa, cioè sempre molto vicina al suo punto di fusione, che è molto caldo per il materiale neve stesso. Se si prende come riferimento la temperatura omologa, la neve può addirittura essere considerata un materiale caldo.

La neve ha quindi un’elevata attività termica. Ciò che sembra strano a prima vista diventa logico quando questo fenomeno viene confrontato con altri materiali che noi umani percepiamo comunque come caldi. Confrontiamo la neve con un metallo: il punto di fusione dell’alluminio, ad esempio, è di circa 660°C. Normalmente, quindi, l’alluminio è molto lontano dal suo punto di fusione rispetto alla neve. La neve, invece, è sempre molto vicina alla fusione e questo fa sì che le molecole d’acqua si scindano costantemente dai grani di ghiaccio ed entrino nella fase gassosa, sublimando in vapore acqueo.

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Stati d’aggregazione dell‘acqua

La neve è costituita da acqua. L’acqua è una sostanza unica con diversi stati di aggregazione e una caratteristica speciale nota come anomalia dell’acqua.

Gli stati di aggregazione dell’acqua sono:

  • Solido: a basse temperature, l’acqua si solidifica in ghiaccio. Il ghiaccio ha una struttura cristallina regolare, con le molecole d’acqua disposte in un reticolo solido.
  • Liquido: a temperature comprese tra il punto di congelamento e il punto di ebollizione, l’acqua si trova allo stato liquido. In questo stato, le molecole d’acqua hanno abbastanza energia per muoversi liberamente, ma sono ancora abbastanza vicine tra loro da avere una certa densità.
  • Gassoso: a temperature superiori al punto di ebollizione, l’acqua passa allo stato gassoso e diventa vapore acqueo. In questo stato, le molecole d’acqua hanno abbastanza energia per separarsi completamente l’una dall’altra e muoversi liberamente nell’ambiente.
© snow institute
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L’anomalia dell’acqua si riferisce ad alcune proprietà insolite che l’acqua presenta rispetto ad altre sostanze. Ecco alcuni esempi:

  • Anomalia della densità: l’acqua non raggiunge la sua massima densità al punto di congelamento, ma a circa 4 gradi Celsius. Pertanto, il ghiaccio ha una densità inferiore rispetto all’acqua liquida, il che significa che il ghiaccio galleggia sull’acqua.
  • Calore di fusione: durante il passaggio dal ghiaccio all’acqua liquida, l’acqua assorbe una notevole quantità di energia termica senza aumentare la propria temperatura. Ciò rende l’acqua efficace come refrigerante in natura e nelle applicazioni tecniche.
  • Tensione superficiale: rispetto alla maggior parte degli altri liquidi, l’acqua ha una tensione superficiale più elevata. Ciò comporta la formazione di goccioline e permette agli insetti, ad esempio, di camminare sulla superficie dell’acqua.

Queste anomalie dell’acqua sono strettamente legate alla sua struttura unica e alle interazioni tra le molecole d’acqua. I legami idrogeni tra le molecole d’acqua svolgono un ruolo cruciale nelle proprietà osservate dell’acqua. Il ghiaccio ha una densità inferiore a quella dell’acqua perché, quando congela, le molecole d’acqua si dispongono in una struttura reticolare che richiede più spazio e quindi occupa un volume maggiore per la stessa quantità di acqua. L’effetto è che la densità diminuisce (vedi anche il capitolo successivo). Chiunque abbia dimenticato una bevanda nel congelatore conosce questo effetto. Se si aspetta troppo a lungo, ci si ritrova con solo vetri rotti e liquido congelato nel freezer. L’anomalia di densità dell’acqua è in gran parte responsabile del fatto che piante e animali possono sopravvivere in uno specchio d’acqua in inverno. In un lago, ad esempio, il ghiaccio che si forma galleggia sulla superficie e impedisce al lago di raffreddarsi troppo. Inoltre, l’acqua rimanente nel lago rimane liquida e può continuare a fornire l’habitat necessario agli organismi viventi.

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Quanto pesa la neve? Il principio di densità/porosità

Il peso della neve può variare notevolmente. Per questo motivo, la neve non viene specificata o misurata in un’unità di massa (ad esempio il chilogrammo), ma viene sempre descritta in relazione a un volume di riferimento (ad esempio il metro cubo). Quindi, non si parla più di peso della neve, ma di densità. La densità di un materiale è definita come la massa per unità di volume. Di solito è espressa in chilogrammi per metro cubo (kg/m³). In genere, la neve ha una densità inferiore a quella dell’acqua, il che significa che un determinato volume di neve ha una massa inferiore allo stesso volume di acqua. Questo principio può essere utilizzato anche per descrivere la densità della neve asciutta (cioè, la neve composta solo da ghiaccio) e della neve bagnata. “Asciutta” in questo contesto significa che la neve è costituita solo da cristalli di ghiaccio, mentre la neve “bagnata” è costituita da una miscela di cristalli di ghiaccio e acqua. A causa della sua struttura e del fatto che sia secca o bagnata, la neve può avere valori di densità molto variabili (vedi tabella). Il valore massimo di densità della neve si ha quando si presenta come ghiaccio puro, che pesa 917 kg/m³.

La porosità è strettamente legata al principio della densità. La neve può essere un materiale altamente poroso. La porosità si riferisce alla proporzione di pori o cavità in un materiale rispetto al volume totale. È una misura della quantità di spazio occupato da un materiale non solido in un altro materiale. Un materiale altamente poroso ha un numero maggiore di pori rispetto al suo volume (= bassa densità) e quindi una porosità più elevata. Un materiale denso, invece, ha meno pori e quindi una porosità inferiore. La famosa “polvere di champagne” dello Utah ha solitamente densità di 30-50 kg/m³ ed è probabilmente lo stato più poroso della neve. Se si converte la densità in porosità, si scopre che il volume di 1 metro cubo di polvere di champagne è costituito solo dal 3-6% di ghiaccio – il resto è aria.

La porosità è un’unità base della scienza dei materiali e può influenzare le proprietà meccaniche dei materiali, come la loro resistenza, elasticità o conduttività termica. È importante notare che la porosità non riguarda solo il numero di pori, ma anche la loro distribuzione, forma e dimensione. Questi fattori possono influenzare le proprietà e le funzioni specifiche di un materiale poroso.

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La conduttività termica di aria, ghiaccio e acqua

La conduttività termica indica la capacità di un materiale di condurre il calore. Di seguito sono elencate le conduttività termiche di aria, ghiaccio e acqua, in quanto la neve è composta da questi elementi:

  • Aria: la conduttività termica dell’aria in condizioni normali (a circa 25°C e pressione normale) è di circa 0,024 watt per metro per Kelvin (W/(m-K)). Ciò significa che l’aria è uno scarso conduttore termico e che il calore viene trasferito solo molto lentamente per convezione e conduzione.
  • Ghiaccio: la conduttività termica del ghiaccio varia a seconda della temperatura e della pressione. A temperature prossime al punto di fusione (0° C), la conduttività termica del ghiaccio è compresa tra circa 2,2 e 3,0 W/(m-K). A temperature molto basse, la conduttività termica può essere notevolmente inferiore a causa della struttura cristallina del ghiaccio.
  • Acqua: la conduttività termica dell’acqua a temperatura ambiente è di circa 0,6 W/(m-K). Rispetto all’aria, l’acqua è un conduttore di calore di gran lunga migliore. Ciò è dovuto al fatto che le molecole d’acqua sono più vicine tra loro e hanno una massa molecolare più elevata, il che comporta un trasferimento più efficiente dell’energia termica.

Tutti i materiali che possono essere presenti in un manto nevoso sono quindi conduttori di calore relativamente scarsi. Ne consegue che la neve molto porosa, cioè quella con una grande percentuale di aria e una piccola percentuale di ghiaccio, ha un effetto isolante molto forte.

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Il metamorfismo della neve

Il manto nevoso è molto soggetto alle trasformazioni, perché si trasforma dal momento in cui si deposita al suolo. La rapidità e l’entità di questa trasformazione dipendono dalla temperatura, dalla densità della neve (= porosità) e dal peso degli strati di neve sovrastanti. Se, ad esempio, ci sono grandi differenze di temperatura vicino alla superficie della neve, i cristalli di neve possono passare da forme piuttosto tondeggianti a forme sfaccettate nel giro di poche ore.

La descrizione della trasformazione della neve, nota anche come metamorfismo, è un misto di descrizione morfologica, che si riferisce alla forma dei cristalli di neve (vedi tabella con le forme dei grani), e di descrizione del processo. Si cerca quindi di descrivere e caratterizzare la forma e la formazione del cristallo di neve trasformato. Si possono distinguere tre tipi di trasformazione:

  • Metamorfismo distruttivo (o per isotermia)
  • Metamorfismo costruttivo (o da gradiente)
  • Metamorfismo da fusione

Metamorfismo distruttivo

Il metamorfismo distruttivo descrive come i cristalli esagonali di neve fresca formano prima la cosiddetta neve feltrata, poi piccoli cristalli rotondi.

I cristalli di neve fresca, originariamente finemente ramificati e relativamente grandi, si trasformano in piccoli grani rotondi. Il motivo è la distribuzione non uniforme delle molecole d’acqua nei dendriti: sulle punte, ogni molecola d’acqua ha solo poche molecole vicine che possono trattenerla nella struttura del ghiaccio. Nelle depressioni e nelle rientranze, invece, ci sono molte molecole vicine che possono trattenere la molecola d’acqua. Dal punto di vista fisico, la pressione del vapore acqueo sulle forme convesse (dossi, punte) è maggiore di quella sulle forme concave (rientranze, depressioni). Nel tempo, questa differenza di pressione fa sì che il ghiaccio sublimi in corrispondenza delle punte, migri come vapore acqueo verso le aree concave del cristallo di neve e vi si depositi nuovamente come ghiaccio.

Alla base di questo processo c’è lo sforzo universale della natura di ridurre al minimo l’energia di superfice. La forma geometrica con la minore energia superficiale è la sfera. Come risultato della trasformazione distruttiva, il complesso cristallo di neve diventa sempre più sferico. Il conseguente rafforzamento dei legami può essere riassunto con il termine sinterizzazione. La sinterizzazione è quindi una conseguenza della metamorfosi distruttiva.

Questo processo inizia subito dopo la deposizione di un cristallo di neve fresca. Poiché lo spazio dei pori si riduce e i grani di ghiaccio diventano anch’essi più piccoli, il volume diminuisce e il manto nevoso si assesta – un processo che possiamo osservare a occhio nudo dopo una nevicata. La durata di questo processo dipende dalla temperatura. Temperature più elevate nel manto nevoso (da -5° C a 0° C circa) portano a un processo di metamorfismo distruttivo relativamente rapido; a temperature più basse, il processo è più lento. Una pressione elevata (ad esempio, il sovraccarico dovuto alla presenza di molta neve fresca) accelera ulteriormente il metamorfismo distruttivo. Come accennato all’inizio, il processo di sinterizzazione si svolge generalmente attraverso tre forme di grani (si veda la tabella delle forme dei grani): la neve fresca si trasforma in neve feltrata, che si riduce in piccoli grani rotondi man mano che il processo di metamorfismo distruttivo prosegue.

La sinterizzazione, cioè, il metamorfismo distruttivo ha effetti diversi sulla formazione di valanghe (vedi contributo nozioni sulle valanghe). Durante il passaggio da un cristallo di neve fresca a un cristallo di neve feltrata, ad esempio, si verifica una perdita di resistenza a breve termine, poiché il metamorfismo per isotermia distrugge l’incastro delle ramificazioni del cristallo, ma non si sono ancora formati nuovi ponti che potrebbero compensare la perdita di resistenza. In pratica, ciò si manifesta con le valanghe di neve a debole coesione che spesso si verificano subito dopo una nevicata. In seguito al metamorfismo distruttivo, la neve fresca si compatta e diventa dura (un lastrone) e, in combinazione con uno strato debole, può portare a una valanga a lastroni. In linea di principio, tuttavia, il metamorfismo distruttivo è favorevole alla stabilità di strati molto porosi (ad esempio, strati deboli), poiché i legami nella struttura cristallina vengono rafforzati e stabilizzati.

© snow institute
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Metamorfismo costruttivo

Durante il metamorfismo costruttivo, il cristallo di neve cresce. La forza scatenante della trasformazione della neve è il gradiente di temperatura nel manto nevoso, il cui componente principale è il vapore acqueo. Il gradiente di temperatura descrive la differenza di temperatura tra la superficie della neve e il suolo in relazione all’altezza di neve al suolo. Maggiore è il gradiente, più rapido e forte è il metamorfismo costruttivo. Poiché il manto nevoso isola molto bene, nel corso dell’inverno negli strati vicini al suolo si stabilisce una temperatura costante di quasi 0 °C. Sulla superficie della neve, la temperatura varia notevolmente a causa dello scambio di energia con l’atmosfera e può raggiungere temperature molto basse. Il gradiente è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di temperatura nel manto nevoso e quanto minore è l’altezza della neve.

L’aria più calda nei pori al suolo contiene più vapore acqueo rispetto agli strati più freddi sovrastanti, il che fa sì che il vapore acqueo salga verso gli strati più freddi e ricristallizzi come ghiaccio sul lato inferiore dei cristalli più freddi (deposizione). Si formano sfaccettature e bordi, il cristallo cresce e diventa lentamente un cristallo sfaccettato e infine un cristallo a calice (brina di profondità). Questo fenomeno si forma principalmente al suolo, ma può verificarsi anche negli strati intermedi più alti. Il fattore decisivo è sempre una grande differenza di temperatura su una breve distanza. Se questa differenza esiste negli strati vicini alla superficie, anche lì si possono formare cristalli sfaccettati, soprattutto sui pendii in ombra durante lunghi periodi di freddo.

Un’ulteriore forma cristallina del metamorfismo costruttivo è la brina di superficie. Il processo di formazione della brina di superficie è lo stesso della brina di profondità (deposizione). Tuttavia, il vapore acqueo nella formazione della brina di superficie proviene dall’aria circostante che passa sopra il manto nevoso.

Il metamorfismo costruttivo è così importante perché produce strati deboli. I cristalli a calice sono un materiale fragile per via delle loro grandi dimensioni. A causa delle forme grandi, sfaccettate da gradiente dei cristalli, possono formarsi tra loro solo pochi punti di contatto. La struttura del ghiaccio perde resistenza. Inoltre, le strutture di grandi dimensioni hanno ora un effetto leva ancora più forte su ogni legame aggiuntivo, che in ultima analisi porta a una migliore propagazione della frattura. In altre parole, se un singolo elemento in uno strato di brina di profondità si rompe, la struttura del ghiaccio si indebolisce in modo sproporzionato.

Tuttavia, il metamorfismo costruttivo non sempre riduce la stabilità di un manto nevoso. Se, ad esempio, l’intero manto nevoso subisce una massiccia trasformazione costruttiva a causa di un lungo periodo di freddo, non c’è più neve coesiva che possa distaccarsi come valanga a lastroni. Il manto nevoso è ora costituito solo da cristalli di neve a debole coesione con pochi legami. In questo caso, la propagazione delle fratture è notevolmente ridotta e non è raro sperimentare la neve polverosa più fine in condizioni molto sicure. La situazione diventa di nuovo critica solo quando arriva la nevicata successiva o se arriva neve ventata e gli strati a debole coesione diventano uno strato debole coperto di neve.

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Metamorfismo da fusione

Non appena la temperatura della neve sale a 0 °C, i cristalli iniziano a sciogliersi agli angoli e ai bordi. Assumono una forma arrotondata e si avvicinano l’uno all’altro. Spesso, sotto una lente d’ingrandimento, si possono osservare conglomerati (cluster) di diversi grani (vedi tabella delle forme dei grani). I singoli cristalli tondeggianti di neve crescono fortemente e possono raggiungere in breve tempo dimensioni di diversi millimetri. L’acqua che ne deriva occupa inizialmente solo le rientranze e i contatti tra i cristalli dei cluster. Questo annidamento di piccole quantità d’acqua negli angoli dei pori aumenta le forze capillari tra i cristalli e ne incrementa la resistenza. Finché il contenuto di umidità della neve e i diametri dei grani sono bassi, si verifica un compattamento. La neve si attacca ed è perfetta per lunghe battaglie a palle di neve o per costruire un bel pupazzo di neve.

Con il progredire della fusione, i pori si riempiono sempre più di acqua di fusione. L’acqua non può più essere trattenuta negli angoli dei pori e scorre via sotto la forza di gravità. I cristalli di neve sono ora quasi completamente ricoperti da una pelle d’acqua e separati gli uni dagli altri. La scomparsa dei legami tra i grani comporta una forte perdita di resistenza (neve marcia). Piccole differenze nella quantità d’acqua determinano la stabilità o meno della neve bagnata. Queste variazioni della quantità d’acqua possono avvenire molto rapidamente. In genere, la neve rimane stabile fino a circa il 3% di acqua liquida in volume. Se questo valore soglia viene superato, il manto nevoso perde rapidamente la sua stabilità.

Se uno strato di neve umida o bagnata congela, forma una crosta stabile da fusione e rigelo. La neve diventa molto resistente. L’alternanza ripetuta di fusione e ricongelamento dà origine alla neve granulosa, il nevato, che gli sciatori al di fuori della Svizzera chiamano in modo un po’ disinvolto “firn”.

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Titelbild: © snow institute | LWD Tirol

Materiale didattico sul tema: