OCEANOGRAFIA Anno Accademico Docente: Renzo Mosetti

BILANCI

Il bilancio globale di calore negli oceani Il bilancio di calore degli oceani è regolato da flussi in entrata ed in uscita. Si indica come "input" un processo attraverso il quale l'oceano acquista calore, mentre viene definito "output" un processo di perdita di calore da parte dell'oceano verso l'esterno. Una lista completa di tutti gli input e gli output è indicata di seguito (+ indica un input, - un output): Input e output principali: radiazione del sole (+) radiazione di ritorno delle onde lunghe (-) trasferimento di calore diretto dall'acqua all'aria (trasferimento di calore sensibile) (-; + quando è dall'aria verso l'acqua) trasferimento di calore per evaporazione (-; + in caso di condensazione; questa situazione avviene molto raramente, di solito durante condizioni di nebbia in mare) trasferimento di calore per avvezione (correnti, convezione verticale, turbolenza) (- ou +); questo effetto si annulla a scala globale o in bacini chiusi.

Sorgenti secondarie: calore ricevuto per processi chimico/biologici (+) calore ricevuto dall'interno della Terra e dall'attività idrotermale (+) calore ricevuto per attrito di correnti (+) calore ricevuto da radioattività (+)

Input nel bilancio di calore La radiazione del sole L'energia solare che incide sul limite esterno dell'atmosfera perpendicolarmente rispetto alla superficie terrestre è di circa 2.00 cal cm -2 min -1 (la "costante solare"). Le variazioni di intensità della radiazione incidente sono di carattere sia regolare che irregolare. A scala stagionale la radiazione del sole varia tra 0 e 1100 cal cm -2 giorno -1 ai poli e cal cm -2 giorno -1 all'equatore. Le variazioni massime nell'arco di un anno dipendono dalla variazione della distanza tra la Terra ed il sole e sono pari al 3.34%; queste possono essere previste e possono essere la causa dei cambiamenti climatici più rilevanti a scala geologica (causati dai moti millenari dell'asse terrestre). Nella letteratura moderna l'unità cal cm -2 giorno -1 (calorie per centimetro quadrato al giorno) è stata sostituita dall'unità W m -2 (Watts per metro quadrato). La conversione tra le unità si ottiene sapendo che 1 caloria (cal) = Joules (J) e 1 Watt (W) = 1 Joule per secondo (J s -1 ). Questo fornisce un fattore di conversione di 1 cal cm -2 giorno -1 = W m -2. In altre parole, un input di calore di 1000 cal cm -2 giorno -1 corrisponde a circa 500 W m -2.

Electromagnetic Spectrum incomingoutgoing

Si dice Corpo Nero un sistema che assorbe tutta la radiazione dalla quale viene investito (ad es. un corpo cavo con un piccolo foro dal quale la radiazione entra ed esce). All’equilibrio termico il C.N. emette la stessa radiazione che riceve (il massimo possibile) che non dipende dalla sostanza di cui è fatto, ma solo da T. Il problema del CORPO NERO

2) Wien: max T =  max =  /T (  = m K ) Spettro del C.N. a diverse T Con uno spettrofotometro si può misurare l’intensità della luce emessa alle varie 1)Stefan- Boltzmann: I tot =  T 4 W/m 2 (  = W/m 2 K 4 ) Sono state dedotte due leggi: Tale emissione ha un andamento di carattere generale, che può essere rappresentato in una famiglia di grafici I( ) [Intensità per unità di e di area] con un andamento a campana asimmetrica la cui forma specifica dipende dalla temperatura del C.N.

The ocean is transparent to sound All about this spectral window today

La radiazione incidente è emessa dal sole a circa 6000 K (K sta per gradi Kelvin, equivalenti ai gradi della scala Celsius, ma il valore di 0°C corrisponde a quello di 273 K). Secondo la legge di Wien, il massimo della radiazione si ha per una lunghezza d'onda data da λ = 2897 T -1, dove T è il valore di temperatura in K e λ (lambda) la lunghezza d'onda in micron (µm). La massima radiazione dal sole avviene perciò nell'intervallo di lunghezza d'onda della luce visibile ed ha un picco a 0.48 µm, nell'intervallo del blu. Questa decresce rapidamente spostandosi verso lunghezze d'onda minori (nello spettro dell'ultravioletto o UV) e lentamente spostandosi verso lunghezze d'onda più grandi (infrarosso). Per effetto dell'assorbimento ad opera del vapore acqueo e dei vari gas atmosferici, in particolare ossigeno e idrocarburi, l'energia solare ricevuta dagli oceani varia irregolarmente con la lunghezza d'onda. In mare, l'assorbimento fa sì che la quantità di luce si riduca molto rapidamente con la profondità. (Per quanto riguarda l'incidenza verticale della luce (cioè le condizioni più favorevoli), in genere si rilevano i seguenti valori:

Output del bilancio di calore La radiazione riflessa Una parte della radiazione ricevuta dal sole è riflessa dalla superficie dell'oceano. La lunghezza d'onda in cui si concentra la maggior parte della radiazione riflessa si può calcolare dalla legge di Wien. Dato che la temperatura della superficie del mare è molto più bassa di quella del sole (circa 283 K), la radiazione di ritorno massima è concentrata intorno ai 10 µm, cioè nell'infrarosso, detta anche radiazione di calore. Secondo la legge di Stefan-Boltzman, l'energia della radiazione è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta (espressa in gradi Kelvin). Dunque, le variazioni giornaliere o stagionali della temperatura superficiale degli oceani hanno un effetto ridotto sull'energia della radiazione riflessa, in quanto queste variazioni sono piccole rispetto al valore della temperatura assoluta.

Cenni di Ottica Marina

L’irradianza L’irradianza è la grandezza che caratterizza il flussoluminoso per unità di superficie colpita. Infatti, a parità di flusso radiante emesso dalla sorgente, man mano che ci si allontana dalla sorgente, la frazione di flusso radiante che si riesce a intercettare entro una superficie di una certa area diminuisce. L’irradianza o irraggiamento è il flussoche colpisce una superficie unitaria posta perpendicolarmente al fascio incidente. Le unità di misura dell’irraggiamento sono perciò W/m L’irradianza L’irradianza è la grandezza che caratterizza il flussoluminoso per unità di superficie colpita. Infatti, a parità di flusso radiante emesso dalla sorgente, man mano che ci si allontana dalla sorgente, la frazione di flusso radiante che si riesce a intercettare entro una superficie di una certa area diminuisce. L’irradianza o irraggiamento è il flussoche colpisce una superficie unitaria posta perpendicolarmente al fascio incidente. Le unità di misura dell’irraggiamento sono perciò W/m L’irradianza L’irradianza è la grandezza che caratterizza il flussoluminoso per unità di superficie colpita. Infatti, a parità di flusso radiante emesso dalla sorgente, man mano che ci si allontana dalla sorgente, la frazione di flusso radiante che si riesce a intercettare entro una superficie di una certa area diminuisce. L’irradianza o irraggiamento è il flussoche colpisce una superficie unitaria posta perpendicolarmente al fascio incidente. Le unità di misura dell’irraggiamento sono perciò W/m L’irradianza L’irradianza è la grandezza che caratterizza il flusso luminoso per unità di superficie colpita. Infatti, a parità di flusso radiante emesso dalla sorgente, man mano che ci si allontana dalla sorgente, la frazione di flusso radiante che si riesce a intercettare entro una superficie di una certa area diminuisce. L’irradianza o irraggiamento è il flusso che colpisce una superficie unitaria posta perpendicolarmente al fascio incidente. Le unità di misura dell’irraggiamento sono perciò W/m2.

Light Absorption in Water Intensity decreases rapidly with depth Blue and green penetrate deepest, giving the ocean its color

Reflection at the surface: 98% 2% ΦiΦi ΦrΦr ΦtΦt vertical incidence Reflection coefficient r = Φ r / Φ i Depends on angle θ and roughness (wind).

Surface reflection coefficient vs. incident angle for different wind speeds Direction of wind in plane of incidence/reflection

Refraction when entering the water: θiθi θtθt sin θ i / sin θ t = n ≈ 4/3, n is function of T, S, λ ! no surface light from here Looking up, all surface light is compressed into angle +/-48.3°

Refraction coefficient as fn of T,S, λ  digits after the 1.3

Effects on radiation within the ocean: absorption (by dissolved substances and pigments) removal of energy from a beam of light (makes heat, chemical energy, fluorescence, etc) Φ ΦtΦt ΦbΦb ΦaΦa scattering (by particles, inhomogeneities) only redistributes direction of radiation total energy removed from beam by scattering in all directions attenuation

Scattering within the ocean: Scattering process by particles

Absorption coefficient for pure seawater

Gli acidi umici sono delle sostanze naturali che si formano a seguito della biodegradazione microbica di materia organica (vegetale o animale).sostanze naturalibiodegradazionemicrobica materia organicavegetaleanimale Si trovano frequentemente nel suolo e nelle acque, e sono anche presenti nell'humus (il fertilizzante naturale che si forma nel suolo in seguito alla biodegradazione di foglie, tronchi e radici in presenza di un certo grado di umidità).suoloacquehumusfertilizzante foglietronchiradici umidità Non si tratta di un acido singolo, bensì di una miscela complessa di diversi acidi contenenti gruppi carbossilici e fenolici, cosicché la miscela si comporta come un acido diprotico e a volte addirittura come triprotico.acidocarbossilici fenolici In generale le sostanze umiche possono essere suddivise in tre categorie principali: umina, acidi umici e acidi fulvici, secondo la solubilità in acqua a diversi livelli di pH.acidi fulvicipH

yellow substance Particulate substances Chlorophyll A Wavelength distribution of absorption coeff. a for some sea water substances

Absorption coefficient for various photosynthetically active pigments

Beam attenuation c was simple: absorption and scattering REMOVES energy from beam. Real light is diffuse, from all directions  scattering from other directions thus also ADDS energy into a given direction absorption in a layer of thickness dz is larger for oblique angles K = -1/E dE/dz

Diffuse attenuation coefficient for some typical chlorophyll-like pigment concentrations

Albedo:  E out E in Albedo = E out /E in (only shortwave, no thermal radiation) Albedo is 4.5% for clear smooth seawater if all radiation comes vertically from above (θ=0°), 13.5% for θ=70°. For diffuse light it depends on the distribution over angles.

 E out E in

Albedo for smooth and rough sea surface, vs angle Albedo for smooth sea surface Albedo with wind roughness

Minimum albedo (i.e. without clouds) from space (i.e. also includes atmospheric reflection/scattering). Shows much higher values at high lat since sun at lower angles there

Net available radiation at depth, relative comparisons. Result of reflection, albedo, refraction, scattering, absorption

Photosynthetically available radiation (PAR): The available power per area in nm range. Usually in units of light quanta (Einstein [E]), 1 Wm -2 ≈ 2.5 x E s -1 m -2 Conversion of 1mol of CO 2 into organic form via photosynthesis requires approx. 10 E.

Jerlov water type classification (I-III open ocean, 1-9 coastal)

Trasporto, advezione Link1_Mosetti.pdf Link1_Mosetti.pdf