Prof. Gianmaria Zito Dott. Marco Di Bari FISICA IN BARCA Bari 19 – 21 maggio 2009 GLI OCEANI FISICA IN BARCA 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 Il 71% della superficie terrestre è coperto di acqua. Il volume totale dell’acqua dei mari è pari a 1,3 miliardi di km3 Che rappresenta il 97% di tutta l’acqua presente sulla Terra La terraferma si affaccia sull’oceano con circa 18000 km di coste La terraferma si affaccia sull’oceano con circa 180000 km di coste

Il pianeta blu Il pianeta blu

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.

In un litro di acqua vi sono in media 35 gr (35 ‰) di sali e metalli 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) Il 33‰ del volume complessivo degli oceani è composto di sali,

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 termo-aline (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

Il passaggio da uno stato all’altro richiede calore (calore latente). 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. L’acqua sulla Terra è presente contemporaneamente Sotto forma di vapore, liquido e solido. Il passaggio da Uno stato all’altro richiede calore. Questa Caratteristica e la capacità dell’acqua di Immagazzinare calore è 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 Equazione di continuità (o della conservazione della massa) Equazione della conservazione dell’energia Equazione di Eulero (se il fluido è perfetto) Equazione di Navier-Stokes (se il fluido è viscoso) 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 La velocità delle correnti variano da oceano ad oceano. Inoltre, a causa della rotazione terrestre, sono più veloci sul bordo occidentale che su quello orientale. Nel Pacifico

L’acqua è messa in movimento dalle seguenti forze: 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: dal trascinamento del vento sulla superficie del mare dalle differenze di densità all’interno della massa d’acqua 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 opportuno

CORRENTI orizzontali 90 spirale di EKMAN vento Corrente marina trasporto totale vento spirale di EKMAN corr. geostr. 90 45 trasporto totale spirale di EKMAN

Le correnti oceaniche superficiali Direzione gialla rispetto al vento direzione a 45° rispetto al vento

H-C L-D 60 ° 30 ° 0 ° L -D L=bassa pressione atmosfera 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 0 ° _ 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. affondamento delle acque-downwelling trasporto trasporto trasporto Le zone di upwelling lungo le coste hanno un’alta produttività biologica per la risalita dal fondo di acque ricche di nutrienti.

Correnti di marea forza di marea Componente radiale della forza di marea (insignificante) Componente orizzontale Conseguenza importante: La Terra sta rallentando 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 Un’altra causa che crea le correnti marine È dovuta alle differenze di densità che per Ragioni

In conclusione 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 Le correnti

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. La velocità delle correnti variano da oceano ad oceano. Inoltre, a causa della rotazione terrestre, sono più veloci sul bordo occidentale che su quello orientale. Nel Pacifico

grande importanza assume la stratificazione termica del mare Nel considerare i moti verticali di downwelling e di upwelling termoalino grande importanza assume la stratificazione termica del mare Il termoclino, lo strato con forte variazione della temperatura con la 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 “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 mixing layer omotermo spirale di EKMAN Alle medie latitudini

e due punti dove l’acqua risale dalle profondità 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 costituiscono il movimento del mare indubbiamente più affascinante Le onde costituiscono il movimento del mare indubbiamente più affascinante

A questo punto le onde come noi le conosciamo sono formate 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: dove nascono e dove muoiono

dipende dalla conformazione del fondo e dalla sua profondità 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 Le onde: dove nascono e dove muoiono Fondo inclinato: spilling Fondo molto inclinato: plunging

Propagazione delLe onde Nonostante l’apparenza del movimento, l’acqua rimane sempre nello stesso, così come se si imprime un moto d’onda ad una corda in tensione, l’nda si propaga da un capo all’altro ma non si sposta neanche una molecola all’interno della corda stessa. 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.

e dalla loro lunghezza e dalla profondità in un mare basso Onde 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 Un’onda che si frange sulla costa arriva ad esercitare una pressione di 33 tonnellate per m2 Le linee di costa cambiano continuamente: le coste atlantiche inglesi cambiano ad un ritmo di 4 a 13 m all’anno

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