Tecnica dei Lavori Idraulici

Il moto ondoso

Il moto ondoso nasce in alti fondali nelle cosiddette aree di generazione che sono distanti centinaia di chilometri. Il moto ondoso si propaga da largo a sotto costa. Nelle aree di generazione presenta determinate caratteristiche, mentre via via che si propaga, vede modificare le sue caratteristiche arrivando in bassi fondali dove cambiano per l'interazione con il fondale.

Nei bassi fondali le onde risentono dell’attrito del fondo e subiscono la rifrazione, che consiste in un cambiamento della direzione di propagazione del moto ondoso e quindi cambiamento delle caratteristiche del moto ondoso in termini di altezza d'onda.

In presenza di ostacoli si può osservare il fenomeno della diffrazione, che consiste sostanzialmente in un trasferimento laterale di energia che pone in agitazione anche le porzioni del mare che altrimenti non sarebbero interessate da moto ondoso.

Quando un’onda investe un ostacolo può verificarsi il fenomeno della riflessione. Questo è un fenomeno di trasformazione in base al quale le caratteristiche dell'onda, in particolare la direzione di propagazione, l'altezza e la lunghezza dell'onda, possono cambiare.

Quando un’onda investe un ostacolo può verificarsi anche il fenomeno del frangimento, in conseguenza del quale si osservano sollecitazioni di tipo dinamico che sono particolarmente onerose per la struttura. Quando invece abbiamo la riflessione, le sollecitazioni sono di tipo statico, che sono meno gravose.

Quando il frangimento interessa un litorale sabbioso, questo determina un'intensa movimentazione di sedimenti, e questo rappresenta la principale causa dell’erosione dei litorali stessi (in quanto il frangimento è la causa primaria del trasporto di sedimenti o dell'origine delle correnti che portano al trasporto di sedimenti).

In genere le strutture a pareti verticali si progettano quando è più probabile avere riflessione (quindi quando esse risultano meno sollecitate), quando invece si hanno strutture a scogliera si ha sempre il frangimento e non si ha mai riflessione (queste infrastrutture sono comunque sollecitate da azioni dinamiche).

Unità fisiografica

L’unità fisiografica all'interno di un litorale è quella porzione che si comporta autonomamente nei riguardi del trasporto solido. Agli estremi dell'unità fisiografica non ci sono scambi di materiale solido con le unità fisiografiche adiacenti, quindi questa è una porzione autonoma.

Maree

Le maree sono oscillazioni più o meno periodiche della superficie del mare dovute a due cause principali:

• La prima e più rilevante è l'attrazione gravitazionale esercitata dagli astri, da essa consegue la cosiddetta marea astronomica.
• La seconda causa è dovuta alle condizioni meteo che possono influire sul livello medio del mare; la marea conseguente viene definita marea meteorologica.

Queste due cause possono sovrapporsi tra loro dando vita a fenomeni di conseguenza notevoli. Nel Mare Mediterraneo notevoli escursioni di marea non si raggiungono quasi mai, si hanno valori tipici dell'azione di marea dell'ordine di 40, 50, 60 cm.

La marea è un fenomeno studiato fin dall'antichità, il primo che tentò di dare una teoria scientifica di questo fenomeno fu Newton, che propose la Teoria Statica basata sulle sue precedenti teorie sulla gravitazione. In essa stabilì che la forza di attrazione che si esercita tra due corpi celesti (a = astro e t = terra) è data da: G (Ma x Mt)/d², con G costante di gravitazione universale, M masse dei due astri e d distanza.

Newton, considerando anche le leggi di Keplero (che descrivono la traiettoria che i corpi celesti percorrono nel loro moto nello spazio, che assumono che questi scrivano delle orbite di tipo ellittico), arrivò a stabilire che gli effetti di marea esercitati sulla terra dall’attrazione di altri corpi celesti sono proporzionali alla massa del corpo celeste e sono inversamente proporzionali al cubo della distanza: Fattr. = M/d³

Questa teoria statica considerava la terra come una sfera omogenea circondata da un velo liquido di spessore costante e considerato perfetto, quindi il moto del liquido avveniva senza dissipazione. Alla luce di queste teorie gli unici corpi celesti che ha senso considerare sono la luna e il sole.

Il rapporto tra la massa della luna e quella della terra è circa 0.01, il rapporto tra la massa del sole e quella della terra è circa 300,000. Invece, per quanto riguarda le distanze, la distanza terra-luna è 384,000 km mentre la distanza terra-sole è circa 149 milioni di chilometri, quindi anche se il sole ha una massa enormemente più grande rispetto alla luna, le distanze in gioco fanno sì che l'effetto della luna sia più rilevante rispetto a quello del sole, in particolare la marea lunare è pari a oltre il doppio in termini di effetti rispetto a quella solare.

Il sistema Terra-Luna

Se consideriamo il sistema Terra-Luna, questi corpi orbitano attorno al comune centro di gravità (che è interno al globo terrestre per via del rapporto tra le masse), considerando i due corpi che orbitano attorno a questo baricentro si dovranno considerare due forze, da un lato l'attrazione gravitazionale e dall'altro le forze inerziali.

Ne consegue che l'azione di marea risultante è data da questi due vettori, per cui succede che per effetto dell'attrazione esercitata dalla luna sulle masse oceaniche si ha una deformazione lungo i meridiani congiungenti il centro della terra con il centro della luna, quindi sulla congiungente dei due centri si ha alta marea, invece sui meridiani ortogonali si ha bassa marea.

Secondo la teoria statica si dovrebbero avere valori dell'altezza di marea inferiori al metro, mentre l'osservazione empirica ci porta a concludere che in alcuni punti della superficie terrestre l’escursione di marea può anche superare i 20 metri. Di conseguenza, c'è qualcosa nella teoria statica che non funziona, infatti questa teoria assume gli oceani composti da un fluido perfetto e questo non va bene (le masse d'acqua muovendosi creano delle correnti di marea spostandosi da un punto all'altro e i moti sono dissipativi), inoltre ancora più importante è la presenza dei continenti che delimitano le masse oceaniche.

Altro parametro da considerare è che gli effetti di marea non sono costanti, non si ripetono identici, poiché la luna orbita intorno alla terra descrivendo un'orbita ellittica in un mese lunare di circa 28 giorni. Percorrendo la sua orbita ovviamente si trova a distanza variabile nel tempo, il punto di minima distanza si chiama perigeo, mentre il punto di massima distanza terra-luna si chiama apogeo.

Al tempo stesso la terra orbita intorno al sole in circa 365 giorni descrivendo un'orbita ellittica avente il punto di minima distanza chiamato perielio e il punto di massima distanza chiamato afelio. A seconda della posizione relativa di sole e luna rispetto alla terra si ha questa variazione di distanza che porta degli effetti variabili sulla marea.

Per quanto riguarda la sola marea astronomica ci sono dei giorni dell'anno in cui la terra si trova allineata con sole e luna, quindi si ha una sovrapposizione degli effetti che va a esaltare l'ampiezza delle maree; quando si verifica questa condizione si hanno le maree sigiziali.

Ci sono invece altri momenti dell'anno in cui si verifica che la luna è al primo o al terzo quarto, e in questi momenti c'è ortogonalità tra la congiungente terra-sole e la congiungente terra-luna; in questo caso gli effetti si contrappongono perché mentre il sole tende a deformare le masse d'acqua in una direzione, la luna tende a deformarle nella direzione opposta e le maree risultanti quindi sono meno ampie, e si hanno le maree di quadratura.

Le maree sigiziali sono più ampie quando la luna si trova al perigeo. Il fenomeno della marea è un fenomeno periodico poiché i corpi celesti periodicamente ritornano nelle loro posizioni con periodo complessivo di circa 18 anni.

Per superare le limitazioni della teoria statica, alcuni ipotizzarono una teoria dinamica basata sulla sovrapposizione degli effetti e sul fatto che a cause perturbatrici periodiche corrispondessero effetti periodici, inoltre rimossero l'ipotesi di fluido perfetto per quanto riguarda le masse oceaniche. Nonostante questi accorgimenti, i risultati non erano ancora vicini a quelli empirici.

Uno dei luoghi sulla terra in cui si osservano le massime escursioni di marea è la baia di Fundy (si trova in Canada) in cui si può passare da valori dell'ordine dei 6 m a valori anche superiori a 15 m spostandoci di qualche centinaio di chilometri.

Attualmente l'unico metodo veramente efficace per studiare le escursioni di maree e fare delle previsioni è quello basato su metodi statistici che vanno ad elaborare i dati sperimentali (senza fare riferimento solo a luna e sole), misurando il livello del mare attraverso strumenti noti come mareografi (strumenti costituiti da galleggianti collegati a dei sistemi di acquisizione). In passato erano gestiti dal servizio idrografico e mareografico nazionale, e in genere si trovano all'interno di porti perché bisogna effettuare misure in punti protetti dal moto ondoso (il livello del mare non deve risentire dell'oscillazione dovuta al moto ondoso). Attraverso l'elaborazione statistica delle serie storiche dei valori del livello del mare si possono effettuare previsioni più accurate sull'altezza della marea.

Venezia

Nel Mediterraneo oscillazioni dovute al moto ondoso sono abbastanza contenute salvo casi particolari come nel caso di Venezia. Il fenomeno dell'acqua alta a Venezia è dovuto dalla sovrapposizione degli effetti dell'alta marea combinata alle condizioni meteorologiche. La laguna veneta è collegata con il mare attraverso tre bocche: la bocca di Lido, la bocca di Malamocco e la bocca di Chioggia, quindi gli scambi con il mare Adriatico sono limitati.

Quando c'è l'alta marea a Venezia c'è flusso di marea che sposta masse d'acqua dall'Adriatico all'interno della laguna e il livello di conseguenza sale. Ora può succedere spesso che in concomitanza con questi fenomeni di alta marea si abbiano intensi venti di scirocco che soffiano in direzione di Venezia impedendo il reflusso dell'acqua dalla laguna all'Adriatico, si ha quindi accumulo di acqua all'interno della laguna. Se questi venti durano per tempi lunghi si hanno le alte maree successive, però non avendo il reflusso di acqua, ogni alta marea che arriva fa aumentare continuamente l'acqua all'interno della laguna. Inoltre, se questo avviene in condizioni meteo avverse, con particolari valori di bassa pressione, si ha un ulteriore risalita del livello del mare dovuta a quest’ultima.

L’alta marea ultimamente supera sempre più frequentemente il valore critico di 110 cm (in alcuni casi può superare valori anche maggiori). Venezia, quando fu costruita, nell’insediamento originario si trovava tutta al di sopra del livello delle escursioni di marea, compresa Piazza San Marco, il cui punto più basso attualmente si trova all'interno del livello delle escursioni di marea.

Di particolare interesse fu la famosa alluvione del 4 novembre 1966 che portò a livelli di marea di circa 2 metri. A seguito di questo evento si promulgò una serie di leggi speciali per la tutela della laguna, di cui l'ultimo intervento corrisponde al progetto MOSE. Questo sistema è rappresentato da un insieme di paratoie ubicate in corrispondenza delle tre bocche, in corrispondenza delle quali ci sono degli alloggiamenti di calcestruzzo in cui sono posate le paratoie. Queste sono normalmente piene d'acqua e in posizione chiusa alloggiate nel fondo, ma quando l'alta marea supera il valore di 110 cm queste si svuotano attraverso sistemi ad aria compressa e quindi si sollevano impedendo l'afflusso di ulteriori masse d'acqua in laguna. Queste paratoie sono progettate per sostenere dislivelli massimo di 2 m, ma anche di 3 metri secondo i progettisti il valore di 194 cm del 4 novembre 1966.

Quando si è verificato era caratterizzato da un periodo di ritorno di 1,000 anni, secondo una elaborazione alla Gumbell, successivamente quel valore non si è più ripresentato ma si sono osservati valori anche di 120-130 cm, quindi si stanno verificando sempre più spesso, e sulla base della serie storica disponibile al momento si può dire che oggi il periodo di ritorno corrispondente a 194 cm è circa di 140 anni.

Altri fenomeni che contribuiscono al verificarsi di eventi catastrofici sono la subsidenza, ossia l'abbassamento del livello del suolo dovuto all'estrazione di liquidi dallo stesso, poiché andando ad estrarre acqua vado a variare il regime delle pressioni neutre nella falda, e cambiando questo regime di pressioni neutre vado a modificare anche il regime delle pressioni efficaci e questo porta ad un fenomeno di consolidazione. Altra minaccia è l'innalzamento del livello del mare dovuto ai cambiamenti climatici.

In altre aree del globo le maree vengono utilizzate a scopo di produzione energetica attraverso l'installazione di turbine collocate all'interno di dighe marittime. In questo modo con l'alta marea la presenza dello sbarramento marittimo comporta la disponibilità di un salto idraulico che aziona la turbina e anche se il salto è modesto, la disponibilità di portate molto grandi fa sì che la produzione energetica sia non trascurabile.

Correnti marine

Le correnti marine possono essere di tre tipi:

• Correnti di marea
• Correnti di densità
• Correnti di deriva

Le correnti di marea sono quelle conseguenti all’effetto della marea ossia ai dislivelli (si creano perché se in una certa località c’è l'alta marea, mentre in un’altra località opposta l'alta marea ancora non è sopraggiunta, allora di conseguenza il dislivello del mare porta alla genesi di correnti).

Le correnti di densità sono quelle dovute alla differente densità che viene a instaurarsi in punti diversi delle masse oceaniche per effetto della differente temperatura o della differente salinità. Poiché c'è una tendenza naturale al ripristino dell'omogeneità, ciò fa sì che questi gradienti di densità portino la genesi di correnti.

Le correnti di deriva sono quelle dovute all'effetto del vento, l'azione di trascinamento del vento superficiale può originare delle correnti che sono qualcosa di diverso dal moto ondoso.

Nel Mar Mediterraneo così come per le maree e le correnti sono poco rilevanti, il valore medio della velocità dovuta alle correnti è di alcuni centimetri al secondo, quindi sono correnti che non partecipano alla modellazione dei litorali, poiché le velocità sono troppo basse per dare luogo ad un significativo trasporto solido.

Esistono delle eccezioni, come nel caso dello stretto di Messina, che è sede di intense correnti dovute all'effetto della marea. La marea comporta un dislivello anche significativo tra il Mar Ionio e il Mar Tirreno, e quindi a seconda del livello relativo può nascere una corrente che si dice montante quando è diretta dallo Ionio verso il Tirreno, e si dice scendente quando è diretta dal Tirreno verso lo Ionio.

Altro esempio significativo di corrente di densità che interessa il Mediterraneo è rappresentato dalla corrente che si ha attraverso lo stretto di Gibilterra. Il Mar Mediterraneo presenta una salinità maggiore rispetto all’oceano Atlantico, per cui si ha l'ingresso di una massa d'acqua dall'Atlantico al Mediterraneo e questo preserva il mare nostrum. Se non ci fosse questa corrente, in un periodo di tempo più o meno lungo, si avrebbe l'evaporazione del Mar Mediterraneo, perché nel Mediterraneo l'evaporazione complessiva supera la portata d'acqua ricevuta dai fiumi.

Moto ondoso

La causa generatrice del moto ondoso è il vento. Il vento è un movimento orizzontale di masse d'aria che nasce tra zone diverse della superficie terrestre per effetto del differente riscaldamento. Nelle zone maggiormente riscaldate l'aria più calda tende a risalire verso l'alto determinando il richiamo d'aria nelle zone vicine quindi, nelle zone riscaldate si ha l'instaurarsi della bassa pressione e di conseguenza nascono questi moti orizzontali.

Il differente riscaldamento comporta un regime delle pressioni alquanto vario, questa caratterizzazione può effettuarsi attraverso le superfici isobariche (superfici caratterizzate dalla stessa pressione), l'intersezione tra la superficie isobarica con la superficie terrestre dà luogo alle linee isobare. Questa rappresentazione ci consente di descrivere in maniera efficace la direzione dei venti.

Se non ci fosse il riscaldamento differenziale della superficie terrestre avremo superfici isobariche costituite da piani orizzontali e a livello del mare avremo un valore costante di pressione di 760 millimetri di mercurio. Una rappresentazione di questo tipo consente di valutare i gradienti di pressione. La velocità del vento risulta tanto più elevata quanto maggiore è il gradiente di pressione. Il vento che nasce in corrispondenza di linee isobare rettilinee parallele si definisce vento geostrofico, la cui intensità è: nei casi pratici ci interessa il vento che genera il moto ondoso, ossia un vento che si trova alla quota di 8-10 metri. Se i dati sono stati prelevati a quote diverse si dovranno, attraverso l'utilizzo di profili della velocità del vento che hanno una determinata espressione analitica, riportare i valori alla quota di 8-10 metri.

Il vento viene caratterizzato dai seguenti parametri: la direzione di provenienza, la velocità o l’intensità, e la durata. La scala di Beaufort prevede 12 diversi gradi di intensità a cui corrispondono alcuni range di velocità.