Geografia degli oceani

Introduzione alla geografia degli oceani

Prefazione

I dati geologici rappresentano lo scenario chimico fisico dove l’oceano vive. Abbiamo a che fare con periodi temporali da 1 anno e milioni di anni. Il pianeta è un pianeta vivo anche dal punto di vista geologico e questo cambiamento può non essere percepito oppure sì in maniera anche drammatica (tsunami, eruzioni e terremoti). Per studiare l’oceano bisogna tenere in considerazione che c’è un’interazione tra molti parametri chiave, legati a parametri morfo dinamici, una parte di questi è data dalla composizione del fondo marino, una parte che è definita propriamente oceanografia, che si occupa della salinità, del materiale in sospensione, la temperatura delle acque profonde e della circolazione ecc, e infine le risorse biologiche (plancton, benthos, nekton, mammiferi marini).

Quest’interazione avviene in un ambiente geografico, con longitudine e latitudini differenti, o punti in prossimità della costa, oppure punti in prossimità di un estuario o di un delta. Ogni punto, oltre questi parametri geografici, è caratterizzato dalla geologia che caratterizza l’area.

Un uso sostenibile dello spazio marino e costiero è messo in evidenza da una serie di direttive europee come la ICZM (Integrated Coastal Management), l’MSP (Maritime Spatial Planning), e la Marine Strategy per cercare di avere un uso sostenibile del sistema oceano e delle sue risorse. Queste direttive europee, insieme a quelle nazionali, fanno parte di programmi internazionali e in determinate aree ci sono programmi specifici, come quello per il Mediterraneo.

Un altro aspetto è che dagli oceani possiamo ricavare energia e materiali grezzi, è in forte sviluppo l’utilizzo di sfruttamento di energia dato dalle maree e dal moto ondoso e sono rinnovabili, ma anche la biomassa marina può essere una fonte di energia rinnovabile. Anche la presenza di campi di pale eoliche al largo. Ci sono tutta una serie di risorse minerali sul fondale marino, come i noduli polimetallici, le croste di manganese, la presenza di solfuri sul fondo marino ed infine dal fondo degli oceani si può ottenere una serie di energia non rinnovabili come gas, petrolio e gas idrato, che è un particolare modo in cui il metano si presenta in certe condizioni di pressione e temperatura.

Negli ultimi anni si è cercato di capire la realtà morfologica del fondo marino: carte batimetriche morfologiche con scala in centinaia di migliaia di metri di longitudine e latitudine. La batimetrica fra i 400 e i 1000 metri la morfologia di questa scarpata continentale è caratterizzata da depressioni e morfologie di rilievo, ed è caratterizzata da situazioni biologiche particolari che sono definite mounds, che sono biocostruzioni legate alla presenza di coralli bianchi o freddi. Queste costruzioni sono simili alle costruzioni di coralli dei reefs nelle diverse aree costiere delle aree tropicali e equatoriali.

Quella dopo è sempre una rappresentazione delle aree continentali e degli oceani: la morfologia è estremamente articolata. Gli oceani coprono 7/10 della terra. Le zone blu rappresentano le zone più profonde, quelle azzurre meno profonde, quelle verdi sono di solito di pianura e quelle più scure sono legate alla presenza di catene montuose.

Dall’interdisciplinarietà possiamo avere una visione completa degli oceani: discipline geologiche, discipline chimiche, fisiche e biologiche. La superficie terrestre (terre emerse ed oceani) è di 510 x 10⁶ km quadrati e l’altezza media delle terre emerse è di 850 m.

Area, volume e profondità degli oceani

La profondità massima oceanica è di 11500 metri e tendenzialmente l’oceano con profondità media maggiore è il Pacifico, con 3940 metri di profondità media. L’oceano con profondità media minore è l’oceano Artico, con 1117 m di media. La distribuzione degli oceani non è uniforme, nell’emisfero nord occupa il 61% mentre occupa l’81% dell’emisfero sud.

Il 95% delle aree continentali sono posizionate agli antipodi di aree oceaniche (l’oceano Pacifico è praticamente privo di terre emerse). Se si considera un emisfero avente come polo la Nuova Zelanda tale emisfero sarà caratterizzato per l’89% da mare e per il rimanente 11% da terra emersa.

Distribuzione delle masse continentali

La distribuzione delle masse continentali caratterizza gli ambienti marini e oceanici: il continente Antartide, tendenzialmente ricoperto da ghiacci, è isolato e c’è una fascia latitudinale dove praticamente non c’è terra emersa. Perciò c’è una fascia di acque oceaniche che circonda completamente il continente Antartico. Al polo nord c’è un fenomeno contrario: l’oceano Artico è al centro di un'area che è circondata quasi completamente dalle terre emerse (Groenlandia, America settentrionale, Asia, Europa). Nell’insieme il globo terrestre è costituito da grandi aree continentali e da pochi grandi oceani e da piccoli oceani e/o mari. Ad esempio il mar Rosso è un oceano in stato iniziale di formazione, l’oceano Indiano invece è relativamente vecchio, ma quello più vecchio è il Pacifico.

Curva ipsografica

Curva ipsografica: diagramma della curva ipsografica cumulativa, che è costruita nel modo in cui sull’asse orizzontale ci sono delle percentuali che rappresentano il 100% della superficie terrestre. Mentre sull’asse verticale abbiamo l’altitudine positiva o negativa presente su questa superficie terrestre. Circa il 70% della superficie è occupata dalle masse acquee oceaniche con una profondità media di 3700 metri e circa il 40% di questa superficie terrestre è ubicata al di sotto dei 4000 metri di profondità.

C’è una parte importante che parte dai 4000 metri e arriva fino al margine della piattaforma continentale e questa parte è circa il 30%. Poi comincia la piattaforma continentale che non è particolarmente estesa e poi le aree e le pianure costiere. L’altezza media delle terre emerse è di 797 metri e poi le altezze massime raggiunte che rappresentano però una percentuale molto ridotta. A sinistra c’è l’istogramma che ci rappresenta l’estensione delle diverse aree (sull’asse x c’è l’area in km quadrati) e sull’asse y l’altitudine. Dice quanti km quadrati sono occupati dalle piane abissali e quante dai continenti.

Sotto c’è una rappresentazione delle caratteristiche morfologiche per quanto riguarda una parte di questa zona, che vede da un lato le terre emerse, poi la piattaforma continentale, poi la scarpata continentale, poi il rialzo continentale e poi le piane abissali. Da notare che da un certo punto vista al di sotto della massa d’acqua oceanica, al di sotto di uno strato molto sottile di sedimenti c’è una crosta composta da materiali di composizione petrografica diversa dalla crosta continentale. La piattaforma continentale, la scarpata continentale e parte del continental rise insistono sopra la crosta continentale.

Cosa vuol dire crosta continentale? Un materiale che ha una densità di 2.7 g/cm cubo. La densità della crosta oceanica, che è composta principalmente da basalti, è di 3.0 g/cm cubo. La densità del ghiaccio è di 0.92 g/cm cubi, minore dell’acqua. Questi materiali, con densità diverse, si trovano al di sopra di una zona che si chiama mantello e che ha una densità di 3.3 g/cm cubo. Quindi la crosta oceanica, che una densità di poco inferiore al mantello, tenderà a galleggiare al di sopra del mantello a una profondità maggiore di quella che è la discesa della crosta continentale all’interno del mantello.

In alcune aree della crosta continentale però si può avere uno spessore di 50 km, e quindi tenderà a scendere maggiormente al di sotto del mantello. Via via che ci allontaniamo da queste zone, che sono i cratoni, che caratterizzano i continenti lo spessore della crosta continentale tende a diminuire e quindi questi strati continentali tenderanno a galleggiare meglio sulla Moho, fino a raggiungere la densità della crosta oceanica (spessore di media di 10 km). La Moho è la linea che divide la crosta superficiale dal mantello.

Introduzione alla carta batimetrica degli oceani

Carta batimetrica degli oceani (GEBCO): oltre alla batimetria si vedono le zone più profonde con il blu scuro e quelle meno profonde con l’azzurro. Ci sono anche i principali nomi dei fondali oceanici. La tipologia di materiale presente sul fondo degli oceani è rappresentata dai sedimenti che derivano dall’erosione delle terre emerse, ma mostrano spessori molto differenti nei diversi oceani. La scala sotto dal blu al rosso va dagli zero ai 20 000 metri, e in genere gli spessori maggiori di sedimenti sono prossimi alle aree continentali. Mentre quando andiamo verso il centro lo spessore diminuisce, in genere il materiale che arriva per trasporto fluviale e erosione costiera tende a rimanere in prossimità della zona costiera. I punti con maggiori spessori sono per esempio dove ci sono grandi sistemi fluviali (come la catena Hymalaiana che sfocia nell’oceano Indiano e il Mississippi che sfocia nel golfo del Messico). Nel Mediterraneo sarebbero da una parte in prossimità della foce del Nilo e dall’altra dal mar Adriatico e dalle piattaforme continentali, specialmente dal Golfo del Leone dove sfocia il Rodano.

Al di sotto di questi spessori nei fondali oceanici abbiamo la crosta oceanica. Si è notato che l’età dei basalti che formano la crosta oceanica è diversa, se prendiamo un campione nella zona centrale rispetto alle aree continentali. Questo perché l’oceano è in continua formazione attraverso le eruzioni lungo le dorsali oceaniche. Al contrario, questi oceani si consumano nel momento in cui questo basalto viene a contatto con la massa del continente. Le rocce più antiche dei continenti hanno più di 3 miliardi di anni, mentre la roccia più antica degli oceani ha un’età giurassica (150/160 milioni di anni).

Fenomeni presenti negli oceani

Fenomeni presenti negli oceani: per esempio il fenomeno di spreading, la risalita di materiale magmatico dal mantello a formare le catene di vulcani che sono distribuite sulle dorsali oceaniche. Nuovo materiale spinge il vecchio materiale lateralmente. Oltre a questi materiali che si formano in queste zone di spreading, ci sono dei punti detti hotspots. Gli hotspots sono delle risalite di materiale dal mantello che però rimangono fisse e di conseguenza, nel momento in cui la crosta oceanica superficiale si muove sopra questi hotspots, anche se si è raffreddata, subisce ulteriore raffreddamento e si formano degli edifici vulcanici. Questi edifici vulcanici rimangono attivi per un certo periodo di tempo, ma quando la crosta oceanica si forma attraverso i fenomeni di spreading che la fanno spostare, questi vulcani cessano la loro attività e per fenomeni di isostasi tendono a sprofondare di nuovo.

Un altro fenomeno dato dal cambio di densità fra crosta oceanica e continentale è quello di subduzione: nel momento in cui la crosta oceanica va a collidere, spinta dall’espansione delle dorsali oceaniche, tende a scivolare al di sotto della crosta continentale. La presenza di fosse oceaniche è legata al fenomeno di subduzione perché tende ad approfondire la crosta e di conseguenza si hanno fenomeni di presenza di masse d’acqua molto maggiore. La discesa in profondità della crosta oceanica fa sì che torni allo stato fuso e contagia i materiali della crosta continentale e con le eruzioni si formano le catene montuose (come la catena andina).

Le dorsali medio oceaniche sono state scoperte negli anni 50. Sono importanti perché c’è una risalita di magma di circa 1200 °C, questo magma dà luogo a edifici vulcanici (la rift valley), ma risalendo viene in contatto con acqua marina, che attraverso le fratture che caratterizzano il sistema vulcanico della dorsale entrano in contatto con questo magma. Ci sono T di 400 °C e avvengono reazioni chimiche. Quindi alla fine succede che nel punto di emissione abbiamo da un lato la precipitazione del materiale che forma le così dette fumarole/camini, poi abbiamo delle fumarole da cui fuoriescono gas derivanti dall’attività vulcanica e materiali anche, che sono in parte dovuti all’effetto del contatto con l’acqua marina e il magma in risalita. Manganese, ferro in diversi stati di ossidazione, solfati ecc che entrano nella colonna d’acqua e possono essere trasportati lateralmente rispetto alla zona di emissione e alcuni di questi possono precipitare di nuovo dando luogo a particolari tipologie di sedimenti, come si sedimenti metalliferi, oppure delle croste che sono delle croste di ferro manganese. Intorno alle fumarole però si è prodotta una vita biologica particolare, che non ha bisogno di radiazione luminosa per la produttività primaria. Ci sono una serie di batteri che usano questi composti e sono sfruttati da organismi di tipo superiore e si forma così una catena trofica non particolarmente numerosa.

Questi ambienti sono ambienti estremi da un punto di vista dei parametri chimico fisici per quanto riguarda le attività biologiche.

Zone di subduzione

Zone di subduzione: qui la crosta oceanica incontra quella continentale e avvengono dei fenomeni particolari, i cold seeps, cioè le correnti fredde. In una zona di subduzione la crosta oceanica che scende sotto quella più leggera (es quella dei Caraibi) produce un effetto rasoio sulla serie di sedimenti che si sono andati ad accumulare sopra la crosta oceanica. La crosta continentale frena questi sedimenti che hanno una densità minore di quella oceanica, e i sedimenti stessi sono come compressi in questa morsa fra la spinta della crosta oceanica e dall’altra dalla crosta continentale ferma. Si crea quella che viene conosciuta come prisma di accrezione, che vuol dire che i sedimenti depositati sono sottoposti a fenomeni di pressione (squeezing) attraverso il quale i fluidi presenti all’interno dei sedimenti e l’eventuale gas che può essersi prodotto (metano biogenico) tendono ad essere espulsi dalle fratture verso il fondo marino. Siamo sotto la zona fotica, quindi si formano delle comunità chemiosintetici che sfruttano questi fluidi in uscita, che sostengono così il sistema trofico.

Nel momento in cui i fluidi che fuoriescono dal prisma, se hanno attraversato dei sedimenti di tipo evaporitico, hanno una densità molto elevata e si mescolano molto lentamente con l’acqua marino. Ciò porta all’accumulo di queste salamoie all’interno delle depressioni che si possono essere formate sulla superficie del prisma di accrezione. E queste salamoie possono ospitare comunità biologiche molto particolari. Nel Mediterraneo orientale, quella che viene chiamata forse impropriamente dorsale mediterranea (perché non presenta attività vulcanica) manifesta tutte le caratteristiche del prisma di accrezione, con fenomeni di fluidi ad alta densità.

Interazione fra biosfera e geosfera

Interazione fra biosfera e geosfera: un esempio del Mediterraneo sono le salamoie che hanno riempito delle depressioni lungo la dorsale mediterranea. Nella figura si vede un profilo sismico operato sulla dorsale mediterranea, e a differenza delle cuspidi che rappresentano la riflessione dei segnali sismici operati dai sedimenti e rocce che formano la dorsali, le superfici piatte rappresentano le salamoie che si sono accumulati sul fondo delle depressioni.

Di questi fluidi si possono misurare le variazioni di salinità, ma anche della composizione chimica e variazioni di T. Le variazioni di T che misuriamo sono dovute a processi chimici all’interno delle salamoie, non è dovuta ad attività vulcanica.

Gli oceani più vecchi si sono consumati durante i processi tettonici globali, e solo una parte della loro storia è conservata nelle catene montuose delle aree continentali.

Il ruolo dell’oceano nel ciclo globale degli elementi

Il ruolo dell’oceano nel ciclo globale degli elementi: tutto è collegato a livello planetario. Da un lato si può prendere questo ciclo dall’attività vulcanica, con la generazione di magma nelle aree continentali. La generazione di magma tende a creare dei gas e questi gas si portano in atmosfera e possono aumentare la quantità di CO₂ e gas serra. La cenere vulcanica va verso l’oceano. Ma anche i prodotti dell’erosione che vengono portati dai continenti sia come materiale solido che materiale disciolto dai fiumi. È importante la precipitazione che avviene sui continenti che poi alimentano l’erosione e il trasporto di sedimenti verso l’oceano. Nell’oceano, in base alle loro caratteristiche sedimentologiche, tenderanno a tappezzare il fondo oceanico al di sopra della crosta oceanica. Le precipitazioni avvengono anche al di sopra degli oceani, e avvengono anche fenomeni di evaporazione e formazione di aerosol. Nelle zone superficiali gli oceani hanno una cospicua attività biologica, scenderanno poi verso il fondo diventando parte dei sedimenti. Un’altra parte importante è quella della tettonica delle zolle, la risalita di magma e la formazione delle dorsali.

Ciclo dell’acqua

Ciclo dell’acqua: l’acqua presente in totale sulla superficie terrestre è di 1 360 000 x 10¹⁵ kg, ed è per lo più ubicata nelle aree oceaniche (1 322 000 x 10¹⁵ kg), e quest’acqua evapora (336 x 10¹⁵ kg) e una parte di questa (300 x 10¹⁵ kg) ritorna agli oceani con le precipitazioni tendenzialmente alle basse latitudini. Una parte viene trasportata verso le zone continentali (36 x 10¹⁵ kg) dalle medie latitudini alle più alte latitudini. Sulle medie e alte latitudini continentali abbiamo che questa quantità di vapore d’acqua tende a precipitare sotto forma di pioggia (100 x 10¹⁵ kg) e sotto forma di neve (29 300 x 10¹⁵ kg allo stato solido). Una parte forma i laghi (229 x 10¹⁵ kg) e poi c’è un sistema fluviale che riporta circa 36 x 10¹⁵ kg di acqua all’oceano). Un 70 x 10¹⁵ kg è presente come umidità nei suoli e 8400 è presente nelle acque sotterranee.