Il mare sotto di noi: oceanografia

Bari 19 – 21 maggio 2009
GLI OCEANI
Prof. Gianmaria Zito
Dott. Marco Di Bari
L'oceanografia è la scienza che studia i processi biologici,
geologici, chimici e fisici che hanno luogo nei mari e negli oceani
della Terra. Il suo campo di indagine è così vasto che il suo studio
è suddiviso in diverse branche tematiche.
• Geologia e geofisica marina: entrambe si occupano della tettonica a zolle
(generazione di nuova crosta e consunzione di quella vecchia) e di tutti gli
studi che riguardano le coste e i fondali oceanici (protezione costiera, risorse
minerarie marine, topografia del fondo del mare … )
• Oceanografia chimica: studia la chimica dell'oceano, con particolare
attenzione ai cicli degli elementi chimici e dei loro composti (ossigeno, azoto,
anidride carbonica, fosforo, ecc.);
• Oceanografia biologica: studia la flora e la fauna degli oceani;
• Oceanografia meteorologica: studia gli interscambi di massa (vapor
d’acqua, anidride carbonica,…) ed energia (assorbimento della radiazione
solare e radiazione termica atmosferica, evaporazione, scambi di calore
sensibile, ….) fra atmosfera e oceano
• Oceanografia fisica: studia le proprietà fisiche e dinamiche degli oceani
(correnti, maree, moto ondoso …..)
Il 71% della superficie terrestre è coperta dai mari.
Il volume totale dell’acqua dei mari è pari a 1,3 miliardi di km3
e rappresenta il 97% di tutta l’acqua presente sulla Terra
La terraferma si affaccia sull’oceano con circa 180000 km di
La luce e i colori del mare
L'ambiente marino viene tradizionalmente suddiviso in
dominio bentonico e dominio pelagico.
Per dominio bentonico si intende l'ambiente dove vivono tutti gli organismi
Il dominio bentonico è a suddiviso in due sistemi, Fitale ed Afitale.
A loro volta questi sistemi sono composti da piani, cinque per il sistema Fitale
(Adlitorale, Sopralitorale, Mesolitorale, Infralitorale, Circalitorale)
e tre per il sistema Afitale (Batiale, Abissale, Adiale).
Il dominio pelagico costituisce una parte del dominio bentonico che
comprende le acque libere, che si estendono dalla superficie fino agli abissi
delle fosse oceaniche e nelle quali vivono tutti gli organismi che conducono
una vita non vincolata in maniera esclusiva al fondale.
Il mare è una soluzione: l’acqua costituisce il solvente e i sali disciolti il soluto.
In un litro di acqua vi sono in media 35 gr (35 ‰) di sali e metalli
La salinità oscilla fra il 9 ‰ (Mar Baltico) e il 43‰ (Mar Rosso).
Il Mediterraneo è molto salato (38‰) a causa dell’alta evaporazione.
In un km3 di acqua di mare si ritrovano i seguenti elementi (in ton)
• Cloro 21800000 • Sodio 12000000 • Magnesio 1560000 • Zolfo 1020000
• Calcio 460000 • Potassio 440000 • Bromo 74600 • Carbonio 32000 • Stronzio 9300
• Boro 5600 • Silicio 3400 • Fluoro 1490 • Argo 780 • Azoto 590 • Litio 195 • Rubidio
139 • Fosforo 81 • Iodio 68 • Bario 34 • Indio 20 • Zinco 12 • Ferro 12 • Alluminio 12
• Molibdeno 12 • Selenio 4,6 • Stagno 3,4 • Rame 3,4 • Arsenico 3,4 • Uranio 3,4
• Nichel 2,2 • Vanadio 2,2 • Manganese 2,2 • Titanio 1,4 • Antimonio 0.5 • Cobalto
0,5 • Cesio 0,5 • Cerio 0,5 • Ittrio 0,2 • Argento 0,2 • Lantanio 0,2 • Cripto 0,2
• Neo 0,1 • Cadmio 0,1 • Wolframio 0,1 • Xeno 0,1 • Germanio 0,07 • Cromo 0,05
• Torio 0,05 • Scandio 0,05 • Piombo 0,02 • Mercurio 0,02 • Bismuto 0,02
• Niobio 0,01 • Tallio 0,07 • Elio 0,007 • Oro 0,005.
Qualunque sia la salinità il rapporto fra gli elementi principali
(CLORO, SODIO, MAGNESIO, CALCIO, POTASSIO ecc.) è costante
(la
soluzione è unica)
L’unicità della soluzione è dovuta ai movimenti
incessanti dei mari che rimescolano
le acque di tutti gli oceani del mondo
• Le
correnti:
di
distinguono
in
superficiali o di deriva (dovute al
trascinamento del vento); profonde o termoaline (dovute a variazioni di densità
all’interno della massa d'acqua per variazioni
di temperatura e/o di salinità)
• Le onde: anche queste distinte in
superficiali (generate dal vento) e interne
(che si propagano lungo superfici che
separano acque di diversa densità); tsunami
generate dai terremoti sul fondo del mare;
• Le maree: oscillazioni periodiche del livello
del mare prodotte dall'attrazione della Luna e
del Sole sulle particelle di acqua
L’acqua sulla Terra è presente contemporaneamente sotto forma
di vapore, di liquido e di solido.
Il passaggio da uno stato all’altro richiede calore (calore latente).
Queste caratteristiche termiche insieme al calore specifico sono
alla base di tutti i processi meteo-climatici osservati.
La branca della fisica che si occupa
di studiare i movimenti del mare è la
FLUIDODINAMICA
costituita da un complesso di equazioni che sovrintendono ai moti
dei fluidi e di quelli geofisici (atmosfera ed oceani) in particolare
1.Equazione di continuità (o della conservazione della massa)
2.Equazione della conservazione dell’energia
3.Equazione di Eulero (se il fluido è perfetto)
4.Equazione di Navier-Stokes (se il fluido è viscoso)
5.Equazioni dei moti turbolenti
La difficoltà di trovare soluzioni valide per tutti i casi è tale per cui vengono usati
metodi numerici che richiedono calcolatori di grande potenza e
forniscono inevitabilmente soluzioni solo approssimate
È opportuno distinguere fra le cause che determinano
i movimenti del mare e quelle che determinano invece
la traiettoria di questi movimenti (parola di delfino)
L’acqua è messa in movimento dalle seguenti forze:
1.dal trascinamento del vento sulla superficie del mare
2.dalle differenze di densità all’interno della massa d’acqua
3.dalla componente orizzontale dell’attrazione luni-solare
sulle particelle di acqua
La traiettoria del moto dipende dalla rotazione terrestre che si
esprime mediante una forza fittizia (forza di Coriolis) che
agisce sempre perpendicolarmente al moto e fa la traiettoria
Verso destra nell’emisfero nord e sinistra in quello sud
CORRENTI orizzontali
trasporto totale
vento
90
45
trasporto totale
spirale di EKMAN
Le correnti oceaniche
superficiali
direzione a 45° rispetto al vento
60
°
60
°
30 °
30°
0°
30
°
60°
L -D
L=bassa pressione atmosfera
H=alta pressione atmosferica
C= convergenza correnti oceaniche
(downwelling)
D=divergenza correnti oceaniche
(upwelling)
H-C
L-D
H-C
L-D
tropico
equatore
tropico
risalita delle acque- upwelling
Le zone di downwelling lungo le coste
producono la ossigenazione delle acque e
il trasferimento in profondità dell’anidride
carbonica responsabile del riscaldamento
della Terra.
trasporto
trasporto
Le zone di upwelling lungo le
coste hanno un’alta produttività
biologica per la risalita dal fondo
di acque ricche di nutrienti.
forza di marea
Correnti di marea
Componente radiale
della forza di marea
(insignificante)
Componente orizzontale
della forza di marea sposta
le particelle di acqua
alternativamente da una
parte e dall’altra
Le correnti marine sia quelle intermedie che quelle
abissali sono dovute alle differenze di densità all’interno
stesso degli oceani. Queste differenze si generano per
variazioni della temperatura e/o della salinità, o per
entrambe. Le cause sono sempre meteorologiche.
Le correnti che si generano vengono dette termoaline.
Se la causa principale è la temperatura la corrente è
detta termica, se è la salinità è detta alina
PER ESEMPIO
L’evaporazione sottrae solvente alla soluzione marina e inoltre la raffredda:
l’acqua diventa più densa affondando. La formazione della banchisa ai Poli
avviene per il congelamento dell’acqua dolce. Al di sotto della banchisa la
soluzione risulta più concentrata e quindi più densa. Anche in questo caso
affonda. I fiumi riversano in mare acqua dolce che si mescola lentamente con
quella salata generando correnti verticali. In tutti i casi per ripristinare
l’equilibrio si generano correnti a livelli intermedi e profondi che chiudono il
circuito
Le correnti superficiali
sono prevalentemente dovute al trascinamento del vento,
quelle interne invece dalle differenze di densità
(salinità e temperatura) che si creano nell’acqua del mare.
Anche i lenti movimenti verticali di upwelling e di downwelling sono
generati o da differenze di temperatura e salinità e interessano quindi
tutto il mare, fino al fondo, o dal vento e interessano solo lo strato
superficiale o strato di Ekman.
Nel caso dell’upwelling per cui acqua profonda risale verso la
superficie si parla di pumping, distinto in pumping termoalino e
pumping di Ekman: nel primo è coinvolto tutto l’oceano nel secondo
solo la sua parte superficiale quella in cui la forza di trascinamento del
vento crea zone latitudinali di convergenza o di divergenza
La velocità delle correnti è piuttosto bassa, ma la
portata a volte è enorme perché nel movimento
vengono spostate masse d’acqua dalla superficie
fino a 1000-1500 m di profondità.
In OCEANOGRAFIA si usa il termine di corrente per
un flusso d’acqua che si muove
con una velocità superiore a 21.6 km/h, che
rappresenta la velocità che consente all’acqua di
percorrere 12 miglia marine in 24 ore.
La portata si misura in SVERDUP (in onore
dell’oceanografo norvegese che le studiò per primo):
1Sv indica lo spostamento di 1 milione di m3/s.
Nel considerare i moti verticali di downwelling e di upwelling termoalino
grande importanza assume la stratificazione termica del mare
Alle medie latitudini
Il termoclino, lo strato con forte
variazione della temperatura con
mixing layerla profondità, separa due strati a
caratteristiche fisiche e dinamiche
completamente differenti:
quello superficiale dove
la corrente è più veloce e l’acqua è
soggetto a rimescolamento
continuo (di spessore coincidente
omotermo “grosso modo” con lo strato di
Ekman), da quello profondo
più freddo (al fondo l’acqua
raggiunge temperature
prossime allo zero) dove la
corrente è più lenta. Poiché l’acqua
non si accumula le portate in superficie
e sul fondo si uguagliano.
I due strati sono comunicano fra di loro
tramite l’upwelling e il downwelling
Il trasporto dell’acqua coinvolge tutti gli oceani. Vi sono due zone a nord e due zone a
sud dove il calore dell’acqua viene rilasciato nell’atmosfera e l’acqua affonda
e due punti dove l’acqua risale dalle profondità
In altre zone l’upwelling riguarda solo lo strato superficiale di Ekman
Correnti nel Mar Mediterraneo
Le onde, come le correnti, sono anch’esse generate dal vento che spira sul mare.
Prima si generano delle increspature per effetto dello stiramento della superficie del
mare e del successivo richiamo per effetto della tensione superficiale. Poi le
increspature crescono e alla tensione superficiale subentra la forza di gravità.
A questo punto le onde come noi le conosciamo sono formate
L’area dove avviene la generazione
delle onde si chiama fetch
Le onde muoiono sulle coste
dove scaricano la loro energia o
si estinguono dolcemente:
dipende dalla conformazione del
fondo e dalla sua profondità
Fondo piatto: surging
Fondo inclinato: spilling
Fondo molto inclinato: plunging
Propagazione delLe onde
Nonostante l’apparenza del movimento, l’acqua rimane sempre nello stesso posto,
così come se si imprimesse un moto d’onda ad una corda in tensione: l’onda si
propaga da un capo all’altro ma non si sposta neanche una molecola all’interno della
corda stessa.
Le particelle si muovono intorno alla loro posizione di equilibrio con moto
circolare se il mare è profondo, ellittico se il mare è basso.
La velocità delle onde nel mare dipende solo dalla loro lunghezza in un mare profondo
e dalla loro lunghezza e dalla profondità in un mare basso
Un’onda può raggiungere una altezza di
20-22 m. Quando una onda di questa altezza si
frange sulla costa arriva ad esercitare una
pressione di 33 tonnellate per m2.
Le linee di costa quindi cambiano
continuamente: p. es. le coste atlantiche inglesi
cambiano ad un ritmo di 4 - 13 m all’anno