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Idrosfera e acque marine
L’idrosfera è l’insieme di tutte l’acqua presente allo stato solido, liquido o aeriforme sulla superficie terrestre, nella parte superiore della crosta e nell’atmosfera.
L’acqua allo stato liquido è presente solo sul nostro pianeta, e anche qui le condizioni presenti nelle prime fasi di formazione di esso non consentivano all’acqua di esistere allo stato liquido; solo quando la temperatura è scesa sotto i 374 °C (punto critico dell’acqua), hanno cominciato a formarsi i primi oceani e quindi a evaporare dando così inizio al ciclo dell’acqua. Esso ha fornito le risorse necessarie allo sviluppo degli organismo terrestri.
Si stima che l’idrosfera sia di circa 1400 milioni di km3 di cui:
97% acqua salata
3% acqua dolce, di cui:
80% è nei ghiacciai
Quasi il 20% nel sottosuolo
0,02% fiumi, laghi, suolo e atmosfera (310.700 km3)
IL CICLO DELL’ACQUA:
L’idrosfera scambia continuamente materia ed energia con atmosfera, litosfera e biosfera. Gli scambi tra idrosfera e atmosfera sono a ciclo chiuso e vengono detti ciclo dell’acqua o idrologico, esso viene alimentato dall’energia termica solare.
L’acqua del mare e delle terre emerse evapora, passa nell’atmosfera sotto forma di vapore per poi condensarsi a formare le nubi; da esse poi avranno origine le precipitazioni che riporteranno l’acqua sulla superficie terrestre direttamente, se l’acqua ricade in mare e chiude subito il ciclo, o indirettamente, se essa cade sulla terre emerse e sulla quali può seguire percorsi diversi:
il 30% evapora nuovamente e ritorna nell’atmosfera;
il 20% viene assorbita dal suolo e portata al mare grazie alla circolazione sotterranea collegata ai fiumi;
il 40% viene utilizzate dalle piante e poi restituita all’ambiente tramite la traspirazione;
il 10% scorre in fiumi, laghi e ghiacciai.
Le percentuali possono poi variare da località a località.
Il tempo che impiega l’acqua a completare il ciclo è molto variabile: di norma la sua permanenza nell’atmosfera e nei fiumi è piuttosto breve (un po’ più lunga per ghiacciai e sottosuolo), ma l’acqua può essere coinvolta in ulteriori cicli che possono ritardare il suo ritorno al mare anche di milioni di anni come quello dei minerali o dei sedimenti.
L’acqua è coinvolta in un altro importante ciclo: quello dei processi biologici, per il quale la fotosintesi scinde l’acqua e trattiene l’idrogeno e la respirazione ricombina idrogeno e ossigeno per formare di nuovo acqua.
MARI E OCEANI:
Mari e oceani occupano circa il 71% della superficie terrestre. Tra i due vi sono alcune differenze:
Oceani: sono grandi bacini che separano i continenti, hanno profondità superiore ai 3 km e il fondo è formato da crosta oceanica;
Mari: sono in qualche modo fisicamente separati dagli oceani, hanno profondità inferiore e il fondo è formato da crosta continentale. Secondo il tipo di separazione dagli oceani, i mari di dividono in:
Mari mediterranei o interni: separati da altri mari o da oceani tramite stretti (Mar Mediterraneo, Mar Nero, Mar Baltico);
Mari adiacenti o marginali: comunicano ampiamente con gli oceani da cui sono parzialmente separati da isole o arcipelaghi (Mar Cinese, Mar dei Carabi) oppure sono mari che si insinuano profondamente nelle terre emerse (Mare del Nord).
OCEANOGRAFIA E NAVE OCEANOGRAFICA:
l’oceanografia è la scienza che studia il mare nei sui aspetti biotici e abiotici ed è una scienza multidisciplinare che spesso vede la collaborazione di più scienziati specializzati nei più vari campi.
Una nave oceanografica è in genere dotata di:
1. alloggi e viveri per gli scienziati;
2. un laboratorio attrezzato per varie analisi;
3. un verricello per gli strumenti di misura e di raccolta;
4. computer per l’elaborazione dei dati;
5. ecoscandaglio o sonar per rilevare la batimetria del fondo;
6. strumenti per la misura di proprietà fisiche in profondità:
a. correntometri;
b. termometri;
c. misuratori di salinità e pressione;
d. un pinger che, emettendo suoni, permette di sapere la profondità a cui sono gli strumenti di misurazione.
7. strumenti per la raccolta di campioni:
a. particolari retini per il plancton;
b. particolari bottiglie per l’acqua a diverse profondità;
c. carotieri a pistone, benne o draghe per campionare i sedimenti del fondo.
8. videocamere e macchine fotografiche con un sistema di illuminazione;
9. strumenti per la raccolti di dati sismici (idrofoni).
Quando i rilevamenti si devono estendere per lunghi periodi si usano delle boe ancorate al fondo, mentre boe libere o appositamente appesantite possono servire per seguire le correnti superficiali o in profondità. L’oceanografia moderna usa anche dei piccoli sommergibili automatici o manovrati dall’uomo.
MARI AD ESTENSIONE VARIABILE:
Mari ed oceani non hanno sempre avuto la forma e l’estensione di oggi: i movimenti delle placche o l’aumento dell’effetto serra sono alcune delle cause. In particolare le variazioni del livello del mare dipendono essenzialmente da:
a. cambiamenti di volume del bacino oceanico: sono legati alla tettonica delle placche, essa però produce cambiamenti molto lenti e quindi trascurabili se si tratta un breve periodo di tempo. Altri fattori sono: l’erosione delle costa a causa del moto ondoso, l’avanzamento in mare delle foci fluviali e il costipamento diagenetico dei sedimenti che causa un abbassamento dei fondali.
b. cambiamenti nella quantità di acqua negli oceani (eustatismo):
le cause di esso sono climatiche, vi sono infatti delle variazioni secolari nei moti terresti che causano variazioni periodiche della temperatura media globale. Quando la temperatura media si abbassa di 4-5 °C le masse glaciali si espandono sottraendo acqua ai mari e viceversa quando la temperatura si alza.
c. variazione della forza di gravità:
essendo la superficie degli oceani una superficie equipotenziale di gravità, qualunque fattore che influisce sulla gravità, altera il livello del mare. Possono esservi cause astronomiche (maree, migrazione dei poli, variazione della velocità angolare di rotazione terrestre), atmosferiche o isostatiche (quando la crosta non è in equilibrio gravitazionale con il mantello).
d. variazioni di densità dell’acqua marina:
la densità dipende dalla temperatura e dalla salinità e quindi anch’essa dal clima e dall’esistenza di calotte di ghiaccio. Queste variazioni del livello del mare sono in genere lievi, ma possono aumentare se il cambiamento di temperatura o salinità avviene velocemente. In questo periodo stiamo assistendo a un innalzamento del livello del mare di 0,56-3 mm/anno.
L’ACQUA DEL MARE:
Salinità:
la salinità è la quantità, in grammi, di Sali disciolti in 1000 g di acqua di mare: essa è in media del 35‰, ma varia con il luogo e nel tempo. Bisogna distinguere tra:
salinità in superficie: dipende da molti fattori; è più alta dove vi è molta evaporazione e scarse precipitazioni e apporti di acqua dolce (Atlantico centrale, Mediterraneo, Mar Rosso), è più basse dove vi è poca evaporazione e grandi apporti di acqua dolce (aree polari d’estate, Mar Baltico). Anche le correnti superficiali influiscono sulla salinità.
salinità in profondità: è meno variabile e ha una distribuzione simile a quella delle temperature. È in media di 34.8‰ nell’Atlantico e 34.6‰ nel Pacifico.
Chimismo:
Nelle acque sono presenti quelli che vengono chiamati:
a. Oligoelementi: nelle acque oceaniche sono presenti, in forma ionica o molecolare, praticamente tutti gli elementi chimici naturali, detti oligoelementi, 7 dei quali sono i più comuni e sono detti costituenti fondamentali (presenti sotto forma di ioni); tra essi domina il cloruro di sodio.
b. Nutrienti: sono ioni contenenti azoto, fosforo e la silice. Questi sono presenti in piccole quantità, ma sono indispensabili alla vita: l’azoto e il fosforo per la costruzione delle molecole organiche, la silice per la costruzione dei gusci.
Una buona parte di questi sali viene portata dai fiumi e deriva dall’alterazione chimica delle rocce, ma elementi come cloro, bromo, boro e zolfo non possono avere queste origini, essendo rari nelle rocce. Essi derivano, infatti, dalle eruzioni vulcaniche che emettono grandi quantità di questi elementi. Visto che l’apporto di sali al mare è continuo, ma la salinità rimane stabile, bisogna ipotizzare che si sia instaurato un equilibrio tra sali apportati e sali sottratti al mare.
c. Gas: ossigeno, azoto e biossido di carbonio sono essenziali per la vita nei mari, ma non sono presenti negli stessi rapporti che hanno nell’atmosfera: l’azoto è più abbondante da 1 a 4 volte e il biossido di carbonio da 15 a 30, l’ossigeno è più abbondante nelle acque superficiali e fredde. Ossigeno e biossido di carbonio sono coinvolti nella fotosintesi clorofilliana e nella respirazione cellulare.
pH:
il pH del mare è leggermente basico con valore medio di 7.8. Diventa più basico in ambienti ricchi di fitoplancton che, assorbendo la CO2 con la fotosintesi, sottrae acido carbonico all’acqua, mentre al di sotto del livello raggiunto dalla luce solare il pH diventa più acido a causa della CO2 prodotta dagli animali. Inoltre la pressione che aumenta con la profondità scioglie l’acido carbonico, facendo ridurre il pH di circa 0.02 per 1000 m di profondità.
Densità:
La densità dell’acqua dei mari varia in base a molti fattori; se essa fosse distillata la sua densità a 0 °C sarebbe di 1 g/cm3, ma i sali disciolti in essa aumentano questo valore fino 1.028 g/cm3 ( un litro pesa 1028 g). oltre che dalla salinità, essa dipende anche dalla densità. La densità, infatti, aumenta con la pressione e varia in base alla temperatura e risulta che le acque più dense sono quelle più fredde , più salate e più profonde. In superficie, infatti, la massima densità viene raggiunta a temperature superiori a quelle di congelamento se la salinità è minore del 24.695‰, se invece la salinità è superiore la massima densità si raggiunge sempre alla temperatura di congelamento. Le variazioni di densità delle acque sono la causa delle correnti marine.
Trasparenza:
la trasparenza si misura con la capacità di penetrazione della luce cioè delle onde elettromagnetiche che, nella loro componente violetta, arriva a superare i 100 m di profondità permettendo la fotosintesi anche a profondità relativamente elevate. Nelle acque torbide, però, attraversa solo i primi metri e poi viene bloccata da particelle e microrganismi.
Il colore del mare dipende da: riflessone di parte delle radiazioni solari, specchiarsi in essi del cielo e delle nuvole, contenuto di plancton, presenza di sostanze inquinanti e presenza di fanghi in sospensione.
Temperatura:
la temperatura del mare dipende dalla latitudine, dalla stagione e dalle correnti.
La capacità termica dell’acqua rispetto a quella dell’aria fa si che le acque marine svolgano un’azione mitigatrice sul clima.
Le temperature medie superficiali sono: 27°C all’equatore, 23°C ai tropici, 13°C alle nostre latitudini e 0°C ai poli. Le temperature poi diminuiscono con l’aumentare della profondità fino ad arrivare a valori tra 0°C e -2°C, senza però gelare grazie alla salinità.
Si possono distinguere 3 zone in base alla temperatura e alla salinità:
1. strato superficiale: (spessore tra 50 e 200 m)con temperature e salinità vicino a quelle di superficie; risente delle variazione stagionali;
2. strato intermedio o termoclino: (profondità massima di 1000 m ell’equatore) con una rapida diminuzione di T e salinità;
3. strato profondo: le variazioni di T e salinità sono molto piccole, am la T non scende mai sotto i 4°C.
Ad alte latitudini mancano i primi 2 strati a causa della ridotta insolazione.
I GHIACCI MARINI:
Nei mari con salinità media del 35‰ la superficie comincia a ghiacciare a -1,9°C dando origine a una poltiglia di cristalli di ghiaccio sulla superficie che, con il moto ondoso e il vento, si aggregano e originano una sottile lastra, la quale però si rompe subito in placche formando i pancake ice. Le precipitazioni e le variazioni di T saldano insieme queste lastre dando origine, a partire dalla costa dove la perdita di calore è più rapida, ad uno strato di ghiaccio e neve di spessore massimo di 4-6 m e di vastissima estensione che prende il nome di banchisa o pack. Poi con l’aumento della T essa si rompe in grossi blocchi, iceberg, che vengono trasportati alla deriva fino al completo scioglimento. Gli iceberg artici hanno forma regolare e vengono spinti fini 43° N di latitudine, quelli antartici sono , invece, più tabulari e possono arrivare a 35° S di latitudine. Gli iceberg sono in genere molto pericolosi per le navi in quanto solo 1/8 del loro volume totale è emerso.
I MOVIMENTI DELL’ACQUA:
il moto ondoso:
generalmente le onde sono causate dal vento che agisce in due modi diversi:
con l’attrito: trascinando le particelle d’acqua verso cui spira;
tramite l’azione di compressione e risucchio: determinate dall’impatto dell’aria con la superficie irregolare dell’acqua.
Se la velocità del vento è minore di 4 Km/h la tensione superficiale dell’acqua resiste al vento e si formano solo piccole increspature. Se la velocità del vento aumenta si creano delle turbolenze che sollevano le creste, se la velocità è tale da far perdere l’equilibrio alla cresta dell’onda, si forma schiuma bianca e si hanno i frangenti a largo. Le onde possono essere:
-- forzate: si formano sotto l’influenza del vento ed hanno creste aguzze;
-- libere: sono onde che si propagano fuori dalla zona in cui soffia in vento per inerzia, da quelle forzate e hanno un profilo sinusoidale.
Un’onda marina è caratterizzata da:
_ altezza h: distanza tra cavo e cresta ;
_ lunghezza λ: distanza tre due creste o tra due cavi;
_ periodo: tempo tra il passaggio di 2 onde nelle stesso punto.
Il rapporto lunghezza/altezza è quasi costante di 30.
Le onde possono subire riflessioni e rifrazioni:
a. le riflessioni avvengono su coste rocciose; se il fondale è basso e la costa irregolare si ha una notevole perdita di energia, se la costa è regolare e il fondale alto l’onda diretta si somma a quella riflessa dando origine a onde stazionarie.
b. Le rifrazioni avvengono quando le onde giungono con un determinato angolo rispetto alla costa o quando vi sono delle isole vicino ad essa (in questo caso si formano anche delle zone d’ombra): una parte dei fronti d’onda raggiunge per prima il fondale basso e quindi rallenta, mentre l’altra parte continua con la sua normale velocità. Una zona d’ombra si forma anche quando c’è un promontorio molto proteso verso il mare.
Le onde superficiali possono essere causate anche da terremoti, eruzione e frane sottomarini, nonché dal passaggio di grosse navi.
Teoria di Gerstner:
le onde non trasportano materia ma solo energia cinetica e si propagano con un movimento circolare delle particelle superficiali in un piano verticale. Si muovono solo le particelle superficiali perché più in profondità l’attrito le frena, così la profondità a cui arriva questo moto dipende dalla lunghezza d’onda dell’onda. quando l’onda si avvicina alla costa la parte più profonde tocca il fondo e la rallenta in profondità, la parte in superficie continua con la sua velocità, ma così facendo perde stabilità formando i frangenti di spiaggia.
Le maree:
le maree sono delle oscillazioni periodiche del livello del mare. Ad intervalli di tempo regolari il livello del mare cresce (flusso) fino al livello di alta mare per poi diminuire (riflusso) fino al livello di bassa marea. Il dislivello tra bassa e alta marea è detto ampiezza o escursione di marea che può essere di alcuni dm in mare aperto o di alcuni m vicino alla coste. Esistono 3 tipi di maree:
Maree semidiurne: hanno 2 cicli di flusso e riflusso quasi uguali durante la giornata;
Maree diurne: hanno un solo ciclo durante la giornata;
Marre miste: hanno alternativamente cicli diurni e semidiurni.
La causa della maree si può attribuire a 2 forze:
1. Forza di marea: è la forza con cui un corpo celeste attrae verso di se un punto della superficie terrestre e si ricava dalla formula F=2KMr/d3 dove K=costante di gravitazione universale, M=massa del corpo celeste attraente, r=raggio terrestre, d=distenza tra i centri dei 2 corpi celesti.
Da ciò si vede che solo un corpo relativamente vicino alla terra può esercitare questo tipo doi forza;
2. Forza centrifuga: essa è tanto maggiore tanto ci si allontana dall’asse di rotazione del sistema terra-corpo celeste (3/4 del raggio della terra nel caso del sistema Terra-Luna);
Secondo queste due forze quindi, in teoria, le acque terresti dovrebbero fluire tutte nel punto più lontano e in quello più vicino all’asse di rotazione in quanto in questi due punti la risultante è massima e diretta verso l’esterno della terra. In realtà vi sono molti elementi di disturbo a questo movimento, primo tra essi la presenza dei continenti.
Il meccanismo è analogo per quanto riguarda le maree solari, anche se esse sono molto meno influenti sul movimento delle masse d’acqua.
In base alla posizione di Sole-Terra-Luna vi sono 2 tipi di maree:
a. Maree sizigiali o vive: nel periodo (sizigiale) in cui Sole, Terra e Luna sono allineati le forze di attrazione di Luna e Sole si sommano e le maree raggiungono al massima ampiezza;
b. Maree delle quadrature o morte: nel periodo (di quadratura) in cui gli assi Terra-Sole e Terra-Luna sono perpendicolari, l’attrazione solare annulla quella lunare e le maree raggiungono la minima ampiezza.
Vi sono molti altri fattori che influiscono sulle maree:
Variazioni nella posizione e distanza degli astri dalla Terra;
Presenza di terre emerse che deviano le maree;
L’inerzia cioè la resistenza che l’acqua oppone al suo movimento a causa dell’attrito;
Regime dei venti;
Forza di Coriolis che devia il flusso della correnti di marea verso destra nell’emisfero boreale e verso sinistra nell’emisfero australe.
Le conseguenze di questi fattori sono:
Il sollevamento dell’acqua avviene in ritardo rispetto al passaggio della Luna sul meridiano locale, il ritardo e detto ora di porto(sulla carta le linee cotidali collegano tutti i punti con la stessa ora di porto);
Il vento verso la costa può aumentare il livella della marea;
Se l’onda di marea è frenata dai bassi fondali o si incanala in una baia che si restringe ci può essere un fenomeno di amplificazione, se una onda di marea si incanala in estuario di in fiume si forma un muro d’acqua che risale il fiume e viene detto mascaretto;
Tra due bacini con diversa ora di porto vi sono dislivelli che originano correnti di marea.
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