Ciclo naturale dell'acqua (ciclo idrogeologico)

Ciclo naturale dell'acqua (ciclo idrogeologico)

L'idrologia studia la distribuzione dell'acqua sulla superficie terrestre, la sua interazione con altre sostanze naturali e il ruolo che essa svolge nella vita animale e vegetale. Lo scambio continuo di acqua fra terra e atmosfera viene chiamato ciclo idrologico. Per opera di vari fattori, primo fra tutti il calore irraggiato dal Sole, l'acqua evapora dal suolo, dalle distese d'acqua e dagli organismi viventi, per poi condensare e precipitare sotto forma di pioggia o neve.

La maggior parte dell'acqua che giunge sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia, o in generale di precipitazioni varie, si raccoglie in rigagnoli e fiumi e quindi fluisce direttamente nei mari; la frazione restante, invece, penetra nel terreno, dove contribuisce a mantenere umido il suolo, viene assorbita dalle radici delle piante, oppure filtra nel sottosuolo alimentando la falda e ritornando quindi in superficie attraverso le sorgenti.

La quantità totale di acqua sulla Terra è stimata in 1.5 mld di km³. Di questa, il 97.4% è costituito da acqua salata (oceani e mari) e il restante 2.6% da acqua dolce presente sulle terre emerse che, per la maggior parte, è "intrappolata" in ghiacciai e racchiusa in falde sotterranee; di questa, solo una piccola frazione pari allo 0.015%, cioè a circa 11 ml di km³ (quella presente nei fiumi, nei laghi, nell'atmosfera come vapore acqueo e nelle forme viventi ) è disponibile per l'uomo. Tra questi diversi "serbatoi" avviene una continua circolazione di acqua sotto le tre forme di liquido, solido (ghiaccio) e vapore; gran parte dell'energia necessaria a questo processo proviene dal Sole che fornisce il calore richiesto per l'evaporazione. L'acqua evaporata dagli oceani viene trasportata in parte sulle terre emerse dai movimenti dell'atmosfera e vi giunge sotto forma di pioggia o neve (precipitazioni atmosferiche). Circa un terzo di quest'acqua ritorna agli oceani attraverso lo scorrimento superficiale o per percolazione sotterranea. La parte restante raggiunge l'atmosfera per evaporazione o per traspirazione operata dai vegetali (evapotraspirazione).

Il ciclo dell'acqua è l'insieme dei fenomeni che mantiene costanti le riserve idriche presenti sulla terra:

L'evaporazione dell'acqua determina la formazione delle nubi.

Le nubi sono sospinte dai venti.

L'abbassamento della temperatura provoca la condensazione dell'acqua e del ghiaccio in sospensione, e quindi le precipitazioni.

Tornata al suolo, sotto forma di pioggia o neve, l'acqua può evaporare direttamente dal terreno, o attraverso la traspirazione degli alberi; oppure può scorrere in superficie o infiltrarsi nel sottosuolo.

Attraverso le sorgenti e i fiumi l'acqua scorre fino al mare.

La nuova evaporazione fa riprendere il ciclo.

Le attività umane condizionano sensibilmente il ciclo dell'acqua.

Fabbriche, case e automobili, che bruciano combustibili fossili, rilasciano nell'atmosfera anidride solforica e ossidi di azoto. Per effetto dell'energia solare queste sostanze reagiscono con l'acqua, formando acido solforico e acido nitrico. L'acqua acida giunge a terra sotto forma di pioggia. Piante e animali vengono gravemente danneggiati dalle piogge acide. Terra, aria e acqua sono collegate nel ciclo dell'acqua. Non solo le autorità, ma anche i singoli cittadini devono impegnarsi attivamente per ridurre l'inquinamento.

La dinamica della bassa atmosfera

La forza esercitata al suolo dal peso dell'atmosfera è la pressione atmosferica, che si misura in ettopascal. Al livello del mare la pressione media è di 1013,33 ettopascal. Le zone dove la pressione è più alta del normale sono dette di alta pressione o anticicloniche, mentre quelle dove è più bassa sono dette di bassa pressione o cicloniche. Le differenze di pressione sono dovuti ai moti dell'aria. Quando l'aria ha moti ascendenti essa si espande e la pressione diminuisce, quando ha moti discendenti la pressione aumenta. Il tempo è quindi condizionato da movimenti delle masse d'aria che cambiano caratteristiche quando vengono influenzate dalle zone sopra le quali passano. La disposizione dei continenti e degli oceani produce effetti rilevanti, tanto che le condizioni atmosferiche sono stabili sulle masse oceaniche, al contrario molto variabili sulle masse continentali.

Il bacino imbrifero è la porzione di territorio che convoglia, attraverso i corsi d'acqua (torrenti e fiumi) costituenti il reticolo idrografico, le acque meteoriche ad un determinato corpo d'acqua. E' delimitato dalla linea spartiacque. Le acque drenate al di là di essa sono convogliate verso altri corpi idrici. Il bacino imbrifero influisce enormemente sugli ecosistemi acquatici: la sua superficie determina il volume delle acque raccolte, la sua composizione mineralogica influenza il chimismo di base dei laghi, la sua copertura vegetale influisce nella ripartizione delle acque di ruscellamento e di evapotraspirazione. Le acque drenate si caricano poi di sostanze organiche ed inorganiche e di inquinanti in funzione dell'uso prevalente (agricolo, industriale, urbano) del territorio attraversato. Da quanto detto è chiaro che la fisiologia e l'evoluzione a breve e lungo termine degli ecosistemi acquatici dipende dalle caratteristiche del territorio che li circonda.

Superficie del bacino imbrifero e tempo di rinnovo dell'acqua dei laghi.
Il Lago Maggiore (superficie 212 km²) è il secondo lago italiano e si colloca tra i laghi di Garda (368 km²) e di Como (146 km²). E' secondo anche per profondità massima e per volume. Con i suoi 374 m ha una profondità intermedia tra quelle del Como (410 m) e del Garda (350 m). E' in posizione intermedia tra questi due anche per volume. Contiene, infatti, 37 km³ d'acqua: 12 km³ in meno del Garda e 15 km³ in più del Como.
In altre parole, se con l'acqua di questi laghi riempissimo tre giganteschi acquari cubici di 50 km di lato quello riempito con l'acqua del Garda sarebbe pieno quasi fino all'orlo, quello che raccoglie l'acqua del Lago Maggiore sarebbe pieno per 3/4 e, infine, col Lago di Como si arriverebbe quasi a metà vasca.
Però il tempo teorico di rinnovo, cioè quello necessario per ricambiare completamente l'acqua dei laghi pur mantenendo il flusso in uscita attraverso i fiumi emissari, è inferiore per il Lago Maggiore, che impiegherebbe per rinnovare tutta la sua acqua 4 anni contro i 4,5 richiesti dal Lago di Como ed i 26,8 necessari al Lago di Garda. Questo dipende dal fatto che la superficie del bacino imbrifero del Lago Maggiore è di ben 6.600 km² contro i .509 e 2.260 km² dei bacini imbriferi dei laghi di Como e di Garda, rispettivamente.
I fiumi ed i torrenti che si gettano nel Lago Maggiore sono una ventina. I due più grandi, il Ticino ed il Toce, insieme mediamente versano nel lago oltre 120.000 litri d'acqua al secondo.

Sorgente: flusso naturale d'acqua che sgorga dal terreno in un singolo punto, e viene alimentato da una vena che scorre lungo percorsi sotterranei, non visibili. Le sorgenti possono scaturire nella terra arida oppure nei letti di torrenti, stagni o laghi. Le sorgenti d'acqua fredda sono generalmente alimentate dalle acque di precipitazione penetrate nel terreno, che scaturiscono in un altro punto, a un livello inferiore; quelle d'acqua calda, invece, possono essere d'origine ignea oppure acque di superficie riscaldate a contatto con rocce ignee (rocce che si sono formate per il raffreddamento e la conseguente solidificazione di una massa fusa di materiale, chiamata magma) sotterranee non raffreddate (è il caso delle sorgenti e dei geyser in Islanda, Nuova Zelanda e nel parco nazionale di Yellowstone, negli Stati Uniti).

L'acqua è, per le particolari caratteristiche delle sue molecole, un ottimo solvente. Per questo nelle acque di fiumi e laghi si trovano, oltre a particelle in sospensione, anche moltissime sostanze inorganiche ed organiche che si disciolgono nelle acque dal bacino imbrifero che esse attraversano e dall'atmosfera. I gas (per es. l'ossigeno) ed i minerali disciolti (per es. fosforo, azoto, silicio) influenzano la vita degli organismi acquatici che, a loro volta, possono modificare la quantità e la qualità delle sostanze disciolte nelle acque.

Salinità delle acque lacustri.
La salinità è la quantità, in un litro d'acqua, di sali che in soluzione si dissociano in ioni positivi (cationi: calcio, magnesio, sodio e potassio) e negativi (anioni: bicarbonato, carbonato, solfato cloro). La salinità dell'acqua di mare è di 35 g di sali (principalmente cloruro di sodio) per litro mentre quella delle acque dolci è generalmente inferiore a 0.5 g per litro. Esistono però acque continentali (per es. i laghi costieri) con salinità simile a quella del mare.

Scambi di gas tra acqua e aria.
I gas dell'aria si sciolgono in acqua in quantità che dipendono dal tipo di gas, dalla sua pressione e dalla temperatura dell'acqua.

In 1 litro d'acqua c'è molto meno ossigeno ( e azoto) che in 1 litro d'aria ma c'è quasi la stessa quantità di anidride carbonica: N₂ e O₂ sono molto meno solubili in acqua della CO₂.

La pressione atmosferica diminuisce con l'aumentare dell'altitudine: a 1000 metri si riduce di oltre il 10%. Quindi in un lago di montagna ci saranno, a parità di altre condizioni, meno gas disciolti che in un lago di pianura.
La solubilità dei gas diminuisce con l'aumentare della temperatura: per esempio, un acqua a 25°C contiene circa la metà dell'ossigeno che si può sciogliere nella stessa acqua a 10°C.
Anche le attività biologiche possono modificare la concentrazione dei gas nelle acque: la fotosintesi produce O₂ e consuma CO₂, la respirazione degli organismi produce CO₂ e la decomposizione batterica della sostanza organica può arrivare a consumare tutto l'O₂ e a produrre grandi quantità di acido solfidrico (H₂S).