L'acqua di mare

La composizione

L'acqua di mare è una soluzione acquosa di sali in rapporto piuttosto costante. La composizione dell'acqua marina è legata a diversi fattori fra i quali predominano gli organismi viventi, la sedimentazione detritica e le reazioni chimiche relative agli uni e agli altri.

Esse sono regolate dall'apporto di materiali da parte dei fiumi e dal grande numero di trasformazioni fisiche e chimiche che avvengono nei sedimenti marini. Fra i cationi più abbondanti nell'acqua del mare solo il calcio è in stato di saturazione e in parte anche i gas rari e l'azoto disciolto non partecipano a reazioni.

Le concentrazioni degli altri elementi sono regolate da diversi processi chimici e fisici:

Reazioni di scambio fra i cationi

Fusione dei ghiacci

Evaporazione

Mescolamento con le acque provenienti dai continenti

Risalita di acque profonde.

Il più importante fattore regolatore dei processi inorganici è la temperatura delle acqua le cui antiche variazioni sono state ricostruite per mezzo dello studio isotopico di svariati resti fossili.

Regolazione biologica della composizione

Anche i processi biologici hanno grande importanza nel determinare la composizione dell'acqua di mare. I più importanti sono la fotosintesi e il metabolismo degli organismi viventi, i quali producono effetti opposti e tendenti a neutralizzarsi a vicenda. Gli elementi i gioco sono l'ossigeno da una parte, e gli elementi nutritivi (ossigeno, calcio, azoto, fosforo silicio. ecc.) dall'altra.

Il ciclo biochimico consiste principalmente in semplici passaggi: durante la fotosintesi le piante unicellulari assorbono gli elementi nutritivi, mentre viene liberato ossigeno. Questi organismi forniscono il nutrimento allo zooplancton, che a sua volta può essere utilizzato come alimento da organismi più complessi. Ad ogni anello della catena alimentare una parte consistente del materiale viene utilizzato e digerito, per poi essere espulso. Infine, insieme agli organismi morti, viene decomposto dall'azione dei batteri. Questo processo di decomposizione assorbe ossigeno dall'acqua e restituisce a questa gli elementi prima assorbiti dal fitoplancton.

Le concentrazione degli elementi cambia in senso orizzontale a causa delle correnti marine: è noto, infatti, che le direzioni delle correnti subsuperficiali è spesso diversa e talvolta opposta a quelle delle correnti superficiali.

Proprietà fisiche dell'acqua di mare

L'acqua di mare possiede differenti proprietà dovute sia al forte momento dipolare dell'acqua che alla complessità della soluzione. Si distingue fra proprietà fondamentali (densità, volume specifico, viscosità, velocità di propagazione del suono, conduttività elettrica) che dipendono dalla temperatura, dalla salinità e dalla pressione, e fra proprietà collegative (abbassamento del punto di congelamento, innalzamento del pinto di ebollizione, pressione osmotica, abbassamento della pressione di vapore) che dipendono solo dal numero di molecole in soluzione (rapporto sali disciolti/solvente).

La temperatura T è espressa in gradi centigradi, la salinità S in parti per 1000 in peso, la pressione p per convenzione è quella esercitata dalla colonna d'acqua.

Densità e volume specifico

In oceanografia la densità si esprime in

Cioè come l'eccesso della densità sull'unità moltiplicato per 1000.

È spesso usata e riportata in tabelle l'anomalia del volume specifico, data da: d aS,T,p  a35,0,p.

s e a si calcolano mediante tabella a formule empiriche in base a valori di S, T, p, mentre per S e T ci si serve per dei valori osservati, per p si fa più spesso uso di un valore stimato in base alla profondità d. Il valore di s è espresso da un numero di quattro cifre significative, ma è soggetto a errori che a grande profondità possono raggiungere

Velocità del suono

Vedi paragrafo sulla trasmissione di energia dell'acqua di mare.

Calore Specifico

Dipende dalla salinità e dalla pressione. La dipendenza dalla pressione viene calcolata per mezzo di una formula termodinamica che contiene il coefficiente di dilatazione termica (il calcolo risulta scarsamente attendibile).

Conduttività elettrica

È questa una proprietà che ben si presta ad essere misurata, come mostra il diagramma di fig.1.

Proprietà collegative

La più facile da determinare è l'abbassamento del punto di congelamento o di fusione DT, ottenibile da espressioni del tipo DT= -kZ, dove Z è il numero di grammi di sale per kilogrammo d'acqua k è una costante il cui valore oscilla fra 0,052 e 0,055.

L'abbassamento della tensione di vapore è De/e = 0,000537 S dove e è la tensione di vapore dell'acqua pura alle temperatura considerata, ed S è salinità.

Distribuzione orizzontale delle proprietà

È direttamente dipendente dalla latitudine e dalla conseguente variazione della radiazione solare, e dalla differenza fra evaporazione e precipitazione.

Temperatura

Raggiunge i valori massimi oltre i 28°C in una fascia compresa fra 30°N e 30°S, dove la radiazione incidente supera la reirradiazione e la riflessione. I valori minimi si hanno presso i poli, dove la situazione è capovolta.

Salinità

È maggiore alle latitudini medie, dove l'evaporazione supera la precipitazione. È minore alle latitudini alte e basse, dove la precipitazione supera l'evaporazione.

Ossigeno disciolto

L'ossigeno viene prodotto presso la superficie della fotosintesi.

Densità

Dipende dalla temperatura, dalla salinità e dalla profondità. Può variare orizzontalmente in presenza di correnti. Alle basse e medie latitudini l'effetto dell'alta temperatura supera l'effetto della salinità, e di conseguenza le acque sono meno dense che alle alte latitudini.

Distribuzione verticale delle proprietà

La distribuzione in profondità delle proprietà dipende da fattori esterni, specialmente quelli che influenzano la densità superficiale e il tipo di circolazione profonda.

Temperatura

Alle basse e medie latitudini le acque profonde sono più fredde di quelle superficiali, mentre alle alte latitudini, dove le temperature superficiali sono basse, le acque di fondo hanno temperature uguali o maggiori di quelle di superficie.

Densità e Salinità

Le superfici di densità costante sono inclinate in vari modi rispetto alla superficie del mare. La densità varia in direzione est-ovest e sia in direzione nord-sud.

Ossigeno disciolto

Alle alte latitudini l'acqua superficiale affonda e porta con se grandi quantità di ossigeno. Al di sotto della profondità di compensazione il consumo riduce gradualmente la concentrazione.

Il livello del mare

È la quota della superficie del mare misurata come distanza verticale fra questa superficie e un punto fisso sulla superficie terrestre.

Il livello medio del mare è la media delle quote ed è spesso utilizzato come dato di riferimento per determinare l'altezza di un punto sulla terra.

Livello medio del mare

La superficie marina non è stazionaria, perciò la determinazione della media delle quote rischide accurate e numerose rilevazioni. Queste si effettuano per mezzo di un mareografo, che registra le continue variazioni del livello del mare. Il tipo più comune di mareografo è quello a galleggiante, costituito per l'appunto di un galleggiante posizionato in maniera tale da non risentire degli effetti delle onde, disponendosi quindi ad un livello dipendente soltanto dalla marea. Esistono anche mareografi a pressione, delle specie di manometri posizionati sul fondale e tarati in maniera da registrare le pressioni in funzione dell'altezza della colonna d'ascqua sovrastante. Quest'ultimo dispositivo ha il vantaggio dimpoter essere posizionato in un luogo diverso da quello di osservazione. Le registrazioni vengono effettuate ogni ora per intere settimane, mesi e anni, continuando il ciclo per non meno di 19 anni. Il valore medio ottenuto da questo complesso procedimento viene adottato per i rilievi geodetici e topografici, ed è chiamato livello fondamentale del mare.

Altri piani fondamentali

Il mezzo livello di marea è la media dei soli massimi e soli minimi della marea (detti acque alte e acque basse) registrati nel ciclo osservato. Questo pano fondamentale era usato quando i mareografi non erano ancora diffusi. L'acqua bassa media e l'acqua alta media sono rispettivamente le medie di tutte le acque basse e di tutte le acque alte (esempio in Fig.2).

In certi casi, dove si registra una grande variazione diurna della marea, nelle carte nautiche si usa dare la media bassa marea avendo considerato il più basso dei due minimi, dando così più sicurezza a chi naviga in zone molto influenzate dalla marea. In modo analogo la media delle alte maree è calcolata considerando il più alto dei due dati massimi di ciascun giorno, con una conseguente stima dell'escursione delle acque molto più realistica.

Fluttuazioni del livello del mare

Il livello medio del mare non è un dato immutabile: subisce continue fluttuazioni nello spazio e nel tempo a causa dell'azione di varie forze che si avrebbe a causa della gravitazione terrestre è dell'attrazione lunisolare.

Fluttuazione nello spazio

Si è rilevato che la superficie del mare non è perpendicolare alla verticale: il livello del mare è di circa 30 cm più alto lungo la costa del Maine che lungo quella della Florida, e il tratto più inclinato è al largo di Capo hatteras, nel nord California (Fig. 3). Questo si verifica a causa del fatto che la massa delle acque del mare è in continuo movimento e, poiché il moto di un fluido sulla superficie della Terra è influenzato dal movimento di rotazione della Terra stessa, i fluidi sono deviati (guardando il verso della corrente) verso destra nell'emisfero nord e verso sinistra nell'emisfero sud. Questo effetto è una conseguenza dell'accelerazione di Criolis e non è limitato alle coste continentali, infatti ogni oceano ha una circolazione di corrente in cui l'acqua scorre in maniera grossomodo circolare, in senso orario nell'emisfero nord e senso antiorario in quello sud. Per esempio, nell'emisfero nord, a causa della circolazione delle acque in senso orario, questa viene spinta al centro del vortice che così si crea, con un conseguente rigonfiamento al centro dello stesso. Questo rigonfiamento viene mantenuto entro certi limiti dal bilanciamento della forza centrifuga generata dalla rotazione terrestre con la forza di gravità che sollecita l'acqua a ricadere. Nell'emisfero sud, con il moto in senso atiorario delle acque, la situazione è esattamente opposta., con un abbassamento del livello del mare in corrispondenza del centro del vortice.

Se si considera questo fattore come il solo importante, si può considerare la superficie del mare come quasi liscia e approssivamente perpendicolare alla verticale, con dei rilievi di pressappoco 1m, al largo del Giappone e alle medie latitudini dell'emisfero sud, e con delle depressioni al largo dell'Islanda, nel Golfo dell'Alaska e lungo le coste del continente antartico.

Il livello del mare devia dal livello medio, però, anche per le differenze della pressione atmosferica. Se la pressione è alta sopra una zona dell'oceano e bassa sopra un'altra, l'acqua tende a scorrere verso la zona di bassa pressione. Una differenza di pressione atmosferica di circa 1 mbar corrisponde ad una differenza del livello del mare di circa 1 cm.

Fluttuazione nel Tempo

L'altezza del mare in un dato punto cambia di istante in istante. Le variazioni più lente osservabili ad occhio nudo sono le maree, ma non sono le uniche variazioni che modificano la conformazione del mare nel passare del tempo. Il loro periodo può variare da un minimo di alcuni giorni ad un massimo di una o un paio di settimane. Esse sono causate dallo spostamento nell'atmosfera di complessi di alta e di bassa pressione (cicloni e anticicloni).