Appunti Oceanografia fisica

La vita sulla Terra e l'oceano

La vita sulla terra è strettamente connessa con l’oceano. Più del 72% della superficie della terra è coperta dall’oceano. Contengono il 97.5% dell’acqua contenuta sul pianeta, il restante 2.5% è acqua dolce, 2/3 nei ghiacciai o nelle riserve sotterranee. Gli oceani contribuiscono a fornire più della metà dell’ossigeno che respiriamo. Atmosfera e oceano sono i due sistemi fluidi della terra e sono strettamente legati.

Minacce per l'oceano

Ci sono diverse cause che mettono in pericolo l’oceano:

• Overfishing, ha portato alla scomparsa del più del 90% dei grandi predatori.
• Riscaldamento globale.
• Acidificazione delle acque, ha portato alla perdita di una parte delle barriere coralline.
• Petrolio.

Storia e sviluppo dell'oceanografia

Già dalla preistoria l’uomo ha iniziato ad interessarsi all’oceanografia, a osservare onde e maree. I primi sono stati Aristotele e Safone, prima della nascita di Cristo. La prima mappa della corrente del Golfo, su cui si basano molte delle teorie dell’oceanografia fisica, risale al 1770. L’Oceanografia come scienza moderna nasce invece nel 1870, con la spedizione scientifica “Challenger”, voluta dalla Royal Society of London, durante la quale furono fatte le prime osservazioni in mare aperto. L’oceanografia ha fatto dei grossi passi avanti nel periodo delle guerre, con l’interesse per le correnti sottomarine da poter sfruttare con i sommergibili.

Formazione degli oceani

Teorie sulla formazione

Ci sono due teorie principali su come si sono formati gli oceani:

1. La prima è relativa al fatto che quando si è formata la terra era fusa, quindi non c’era modo per l’acqua di accumularsi. Si pensa che oceani e atmosfera si siano formati da dentro la Terra. Il vapore acqueo e altri gas potrebbero essere stati rilasciati nel tempo attraverso un processo di degassamento dall’interno della Terra, sin dalla sua formazione, 4.6 miliardi di anni fa. Il tasso di degassamento è diminuito con il tempo poiché gli elementi radioattivi responsabili di buona parte del calore dell’interno della Terra sono decaduti. Ancora oggi piccole quantità di acqua e gas atmosferici sono espulsi dall’interno della terra. Con il degassamento c’è stata una fuoriuscita di acqua, ossia pioggia, che ha fornito acqua per almeno metà del volume degli oceani. Non è però sufficiente a spiegare tutta l’acqua che si trova oggi sulla terra.
2. Come seconda ipotesi, si pensa che l’acqua derivi dalle comete, che hanno dei nuclei ricchi di acqua. In realtà alcuni studi che sono riusciti a misurare la composizione isotopica dell’acqua contenuta nelle comete hanno visto che questa è molto più ricca di deuterio dell’acqua che si trova sulla terra. Una diversa composizione isotopica dimostra che questa non può essere l’unica sorgente da cui deriva l’acqua degli oceani.

Proprietà degli oceani

Le proprietà degli oceani possono essere spiegate con le proprietà dell’acqua:

• Salati - L’acqua è uno dei migliori solventi, gli elementi disciolti che vengono portati dai fiumi la rendono salata.
• Freddi - L’acqua ha un alto calore specifico, per aumentare la temperatura deve assorbire tanto calore. Il calore arriva in profondità con i movimenti, non per conduzione. Influenza il clima.
• Bui - L’acqua assorbe determinate lunghezze d’onda.
• Rumorosi - Il suono si propaga più facilmente e velocemente nell’acqua.
• Pieni di vita - L’acqua è uno degli elementi essenziali per la vita, in più essendo un ottimo solvente fa sì che troviamo molti nutrienti essenziali disciolti nell’acqua.
• In movimento - È un sistema dinamico, perché l’acqua è un liquido. I movimenti delle masse d’acqua sono molto legati a temperatura e salinità (movimenti termoalini).
• Blu - È la lunghezza d’onda che viene assorbita per ultima.

Queste proprietà sono strettamente legate alla forma e alle caratteristiche della molecola d’acqua.

Caratteristiche della molecola d'acqua

È formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno con massa molecolare 18. Caratteristica tipica dell’acqua: la sua forma solida ha una densità inferiore rispetto alla forma liquida. La massima densità si raggiunge a 4 gradi. La riposta è nella struttura della molecola d’acqua con un angolo di 104,5 gradi tra i due idrogeni e questo fa sì che l’atomo di ossigeno assuma una piccola carica negativa mentre i due atomi di H assumano una piccola carica positiva. Quindi si vengono a creare legami idrogeno tra le molecole, legami deboli che spiegano queste caratteristiche.

Aumentando la temperatura dell’acqua sopra gli 0 gradi, l’energia delle molecole aumenta, di contrasto alla tendenza a formare gruppi ordinati. Quindi le molecole singole possono stringersi più vicine, occupando meno spazio e quindi facendo aumentare la densità. Innalzando ancora la temperatura però, le molecole acquisiscono ancora più energia e la distanza media tra le molecole aumenta, ed ha come risultato una diminuzione della densità. A temperature tra gli 0 e i 4 gradi l’EFFETTO ORDINE predomina; mentre a temperatura più alte predomina l’ESPANSIONE. A 4 gradi è la temperatura in cui ho il minor spazio fra le molecole. Il ghiaccio è più leggero dell’acqua. La struttura del ghiaccio è ordinata, la densità diminuisce.

Qualsiasi sale disciolto nell’acqua aumenta la densità del liquido. La densità dell’acqua dolce è circa 1.00 x 10³ kg/m³. L’acqua salata ha invece una densità maggiore, di circa 1.03 x 10³ kg/m³. Oltre a questo, un altro effetto importante è la diminuzione del punto di congelamento. Abbassa anche la temperatura alla quale l’acqua raggiunge la sua massima densità. Questo perché i sali disciolti inibiscono la tendenza delle molecole d’acqua a formare gruppi ordinati quindi la densità è in questo caso controllata solo dall’effetto dell’espansione termica.

Il grafico mostra che la temperatura di congelamento e la temperatura di massima densità coincidono nel momento in cui la concentrazione di sali arriva ai 25 g/kg. Poiché gli oceani hanno una salinità media di 35 g/kg, la temperatura della massima densità è al di sotto del punto di congelamento. L’acqua del mare congela prima di raggiungere la massima densità. La massima densità non è un unico valore. Spostandoci nelle diverse concentrazioni di sale, varia anche il valore di questa massima densità. Aumenta il valore del sale contenuto nell’acqua, l’acqua è più densa, inoltre abbassando la temperatura aumenta ulteriormente la densità.

Il ciclo idrologico

Gli oceani sono la parte dominante del ciclo idrologico poiché contengono il 97% dell’acqua sulla Terra. Il ciclo idrologico è fatto da riserve e flussi.

Tempo di residenza

Il tempo di residenza di un elemento è il tempo medio che una molecola di acqua trascorre in ogni stadio del ciclo. Lo calcolo dividendo la quantità di acqua in quella determinata fase del ciclo per la quantità di acqua che entra/esce nella quantità di tempo ossia la quantità dei flussi.

Oceanografia descrittiva

L’oceanografia descrittiva è la descrizione delle caratteristiche dell’oceano. Le due più importanti sono salinità e temperatura, essenziali per il movimento delle masse d’acqua, movimento che viene appunto descritto come “circolazione termoalina”. Di fatto, la circolazione dell’acqua a livello oceanico è guidata da variazioni di salinità e temperatura, che influenzano la densità, legata alla “pesantezza” delle masse d’acqua e che governa i movimenti verticali delle masse d’acqua.

Se ci fosse una densità costante dalla superficie dell’acqua fino alle profondità lungo tutta la colonna d’acqua, avremmo una situazione instabile, ossia gli strati d’acqua tenderebbero a muoversi verticalmente. Trovo una situazione stabile nel momento in cui la densità aumenta con la profondità, quindi una situazione “gravitazionalmente stabile”, perché l’acqua più pesante ossia più densa si troverà sul fondo. Salinità e temperatura determinano questa stratificazione che rende stabile la colonna d’acqua. Variazioni di salinità o temperatura negli strati superiori che aumentano la densità faranno sprofondare queste masse d’acqua e viceversa. Queste variazioni determinano i movimenti verticali. La densità quindi generalmente aumenta con la profondità.

Regioni polari e densità

Nelle regioni polari la densità dello strato superficiale può aumentare in due modi:

1. Da raffreddamento diretto, quindi da contatto con masse di ghiaccio.
2. A seguito della formazione di ghiaccio marino che estrae acqua per poi ghiacciarla e aumenta la concentrazione dei sali nell’acqua e quindi la salinità.

Temperatura degli oceani

Fino a prima dell’avvento dei satelliti, era impensabile conoscere a livello globale la temperatura istantanea superficiale degli oceani. Grazie al satellite oggi possiamo avere le mappe di temperatura degli oceani. Dopo la scoperta del termometro è stato facile avere un’idea della temperatura superficiale degli oceani, mentre per arrivare alla descrizione della temperatura lungo la colonna d’acqua, occorrerà aspettare la scoperta di un termometro resistente alla pressione.

Il satellite, pur essendo uno strumento molto potente, riesce a misurare solo la temperatura dello strato superficiale. Per avere informazioni in profondità è necessario fare campionamenti puntiformi con le navi oceanografiche o con strumenti appositi. Una delle caratteristiche degli oceani è che sono freddi. La sorgente di calore è il sole che va a scaldare lo strato superficiale. L’acqua possiede un alto calore specifico, ossia è necessaria una grande quantità di calore per innalzare la temperatura dell’acqua.

Radiazione solare

La radiazione solare (watt/m²) è formata da una serie di lunghezze d’onda che vanno dall’infrarosso all’ultra violetto passando per la luce visibile. Cosa succede quando la radiazione arriva alla Terra? Della totalità della radiazione solare che arriva sulla terra, il 30% viene riflesso dalle nuvole e il 70% passa attraverso l’atmosfera; una parte, il 17%, viene assorbita dall’atmosfera e la restante parte arriva sulla superficie terrestre o come luce diretta o come luce diffusa. A questo punto la Terra assorbe la radiazione e la riemette. La lunghezza d’onda della radiazione riemessa sarà più lunga, quindi ci sarà una perdita di energia. L’assorbimento all’altezza dell’atmosfera deriva in gran parte dalla presenza di ozono che assorbe principalmente raggi ultravioletti che essendo molto energetici potrebbero danneggiare gli organismi sulla superficie terrestre.

La quantità di luce assorbita dipende dall’ALBEDO, ossia la quantità di luce che viene riflessa, quindi la capacità di una superficie di riflettere la luce che arriva. Il momento del giorno avrà influenza sull’albedo poiché il valore varia con l’angolo di incidenza dei raggi solari. La neve ha un albedo superiore al 90% mentre l’acqua calma del mare ha un albedo del 2%, perché la neve è bianca quindi riflette quasi completamente la luce. Nel caso della superficie dell’oceano, l’albedo ha valori differenti se l’acqua è calma o mossa. L’albedo dipende dai colori, quindi nell’acqua mossa, avendo le onde con la schiuma bianca, la percentuale di albedo è maggiore.

Alla stessa latitudine, stessa stagione e stessa ora del giorno, l’atmosfera su una zona di neve è più calda o più fredda rispetto all’atmosfera su una foresta? La luce riflessa non viene assorbita, quindi l’atmosfera è più calda sopra la foresta, perché la radiazione che scalda è quello che viene assorbita. A livello globale, i poli sono le fasce in cui viene ricevuta una minore radiazione solare rispetto a quello che arriva sui tropici o sulla fascia equatoriale.

Gas serra

Parte della radiazione riflessa dalla Terra verso l’atmosfera viene assorbita e riscalda ancora la Terra. Vapore acqueo, CO₂, metano e CFC sono chiamati Gas Serra. La presenza dei gas serra è importante perché consente di avere sulla terra una temperatura che permette la vita. Senza i gas serra la temperatura sulla terra sarebbe meno 18 gradi. Diversi gas serra hanno effetti diversi. Il 65% dell’effetto serra è legato al vapore acqua, il 30% alla CO₂. I CFC hanno un impatto maggiore perché hanno un range di assorbimento su lunghezze d’onda in cui gli altri gas non agiscono.

La CO₂ è un gas serra, responsabile del 30% dell’effetto serra, ma dopo la rivoluzione industriale c’è stato un aumento esponenziale nella quantità di CO₂ emessa. A seguito di studi sulle carote di ghiaccio, l’aumento della temperatura è stato associato all’aumento di CO₂ per cui si è arrivati alla conclusione di un effetto diretto. A questo aumento di CO₂ che continua a salire esponenzialmente anche in eventuali proiezioni, si è associato quindi un aumento della temperatura, che continuerà a salire. Nei momenti più caldi della storia della Terra c’è stato un aumento di temperatura intorno ai 4 gradi. Secondo le proiezioni nei prossimi anni si arriverà ad una temperatura 2.5 gradi più alta della media.

Effetti sul Mediterraneo

Utilizzando dei sensori nel canale di Sicilia, c’è stato un aumento di temperatura nel Mediterraneo. È visibile quindi una risposta dell’acqua al riscaldamento dell’atmosfera. Il range di temperatura misurato sui continenti va da -68 gradi, valore misurato in Siberia, a 58 gradi misurati in Libia; è quindi molto maggiore rispetto al range degli oceani che va da 0 a 30 gradi. Questo deriva dal fatto che, nonostante la sorgente di calore sia la stessa, l’acqua ha un elevato calore specifico, quindi con la stessa quantità di calore proveniente dal Sole la terraferma si scalda di più e più velocemente. L’oceano assorbe meno calore e più lentamente ma lo rilascia anche in maniera più lenta.

È importante anche l’angolo con cui i raggi solari colpiscono la superficie solare, quanta radiazione solare raggiunge la superficie e per quanto tempo. Questo spiega le diverse temperature sulla superficie della Terra. Le variazioni maggiori di temperatura tra il periodo invernale e estivo si trovano nell’emisfero Nord, sui continenti. Anche a livello dell’oceano, le variazioni maggiori si trovano nell’emisfero Nord, sempre dovuto alla presenza di una grande quantità di terra.

Trasferimento di calore

Come si trasferisce il calore all’interfaccia aria-acqua? La temperatura superficiale degli oceani dipende dal grado di insolazione e determina la quantità di calore riflessa indietro verso l’atmosfera; più è calda la superficie del mare, più calore irradia.

Conduzione e convezione: se la superficie del mare è più calda dell’aria direttamente sopra, il calore per conduzione passa dall’acqua all’aria, un processo di per sé poco efficace ma essendo generalmente l’aria più fredda c’è una perdita netta di calore per conduzione. Subentra poi la convezione (movimenti verticali). Quindi il calore passa dall’acqua all’aria, l’aria di scalda e sale.

Evaporazione: molto più efficiente, quasi di un ordine di grandezza. C’è un assorbimento della radiazione solare da parte dell’oceano che viene scaldato, poi ho un passaggio di calore dall’acqua all’aria per conduzione o evaporazione.

Lunghezza d'onda e profondità

Come cambia la lunghezza d’onda con la profondità? Buona parte dell’energia solare è assorbita nei primi metri della superficie dell’oceano, riscaldando direttamente le acque superficiali e provvedendo all’energia per la fotosintesi degli organismi. Le onde di lunghezza d’onda inferiore (verso la parte blu dello spettro) penetrano più in profondità rispetto alle onde più lunghe. La radiazione infrarossa è la prima ad essere assorbita. A 10 cm di profondità ho perso tutta la parte dell’infrarosso, a dieci metri ho solo la parte dello spettro della luce visibile, a 100 metri resta solo la parte relativa alle lunghezze d’onda del blu e del verde. La profondità a cui arriva una determinata lunghezza d’onda è influenzata dalla trasparenza dell’acqua, che permette un raggiungimento di profondità maggiore. La trasparenza è influenzata dalla presenza di fitoplancton o organismi microscopici e la sostanza organica disciolta.

In base alla penetrazione della luce ho una zona EUFOTICA (dove arriva la luce), DISFOTICA (zona in cui arriva ancora la luce ma è insufficiente per la fotosintesi) e la zona AFOTICA (senza luce), che comincia circa sotto i 100 metri. L’energia solare riesce a scaldare fino a profondità intorno ai 100 metri per irraggiamento, ossia solo la zona in cui la luce riesce a penetrare. In qualche modo un po' del calore scende nella profondità della colonna d’acqua; oltre i 100 m arriva tramite il mescolamento (flusso turbolento, meccanismo molto più efficace) o la conduzione (quando si parla di flusso laminare e non ho movimento). Il mescolamento è determinato dal vento.