Gli Oceani
Gli oceani sono vaste distese d'acqua salata, che complessivamente ricoprono
circa tre quarti della superficie terrestre; l'oceanografia è lo studio
scientifico delle loro caratteristiche, delle interazioni con l'atmosfera e, in
generale, dei processi fisici, chimici e biologici che si sviluppano in essi e
ne mantengono la struttura e i movimenti.
I maggiori oceani della Terra, il Pacifico, di forma vagamente triangolare,
l'Atlantico, a forma di S, e il meno esteso oceano Indiano si raccordano attorno
al continente antartico. Diversi mari semichiusi, come il mar Glaciale Artico,
il mar Baltico e il mar Mediterraneo, sono in comunicazione con gli oceani e ne
modificano le proprietà generali.
La profondità media dell'oceano è di poco inferiore ai 4000 m, tuttavia in
prossimità dei continenti il fondo marino si trova a meno di 200 m di
profondità e presenta una leggera pendenza. Questa zona poco profonda si
estende normalmente fino a 100-200 km di distanza dalle coste continentali, e
costituisce la cosiddetta piattaforma
continentale. Essa ha grande importanza
dal punto di vista economico, soprattutto per le attività di pesca e di
estrazione di idrocarburi. Al margine della piattaforma continentale vi è una
brusca rottura di pendenza: inizia la scarpata continentale che, con
un'inclinazione media compresa fra 2° e 5°, raggiunge le pianure abissali,
dalla profondità media di circa 3600 m.
Gli assi centrali dei principali bacini oceanici si connettono attraverso il
sistema delle dorsali medio-oceaniche,
estese catene montuose intersecate da zone
di frattura, fondamentali per comprendere l'evoluzione dei bacini oceanici e
spiegate dalla teoria della tettonica a zolle.
In corrispondenza delle dorsali si riscontrano un'intensa attività sismica,
vulcanismo ed emissione di fluidi idrotermali molto caldi, ricchi di sostanze
chimiche in soluzione. In corrispondenza degli sbocchi idrotermali vivono
bizzarre comunità biologiche, il cui metabolismo dipende dai solfuri. Dalle
dorsali oceaniche viene eruttata in continuazione roccia fusa che, aggiungendo
nuova crosta oceanica alle rigide zolle crostali, provoca l'espansione degli
oceani. Le zolle si spostano alla velocità di alcuni centimetri all'anno e,
quando due di esse vanno in collisione, una si accavalla al di sopra dell'altra,
mentre quest'ultima viene forzata a inabissarsi fino a raggiungere il mantello,
dando luogo a un processo di subduzione. In questi casi, come avviene in
prossimità della costa occidentale sudamericana, si formano fosse
oceaniche che possono raggiungere profondità superiori a 7000 m. La massima
profondità oceanica conosciuta, la fossa delle Marianne, a est delle Filippine,
è di circa 11.000 m.
Gli oceani contengono circa il 97% di tutta l'acqua presente sulla Terra
(l'atmosfera lo 0,001%) e hanno pertanto un ruolo molto importante: i processi
di scambio e di transizione dell'acqua in stato gassoso, liquido e solido sono
infatti fondamentali per i fenomeni atmosferici e climatici, e in generale per
il mantenimento della vita sulla Terra.
Pur essendo una delle sostanze più comuni, l'acqua è caratterizzata da proprietà
fisiche e chimiche alquanto particolari, scarsamente condizionate dalla
presenza dei sali disciolti che differenziano l'acqua di mare da quella dolce.
È una delle pochissime sostanze che si trovano in natura sia allo stato liquido
sia nelle altre due fasi. Ha calore specifico e calore latente elevati: ciò
significa che occorrono notevoli quantità di energia per innalzarne la
temperatura e per provocare il passaggio dalla fase solida a quella liquida e da
questa a quella gassosa. Tali caratteristiche fisiche condizionano in grande
misura la distribuzione delle temperature sulla Terra, dal momento che i climi
oceanici sono più uniformi di quelli delle regioni continentali. Molte altre
proprietà dell'acqua – ad esempio l'alto potere solvente, l'elevata costante
dielettrica e la grande tensione superficiale – assicurano il rapido
svolgimento delle reazioni essenziali per la vita.
L'acqua di mare è una soluzione complessa che probabilmente contiene quasi
tutti gli elementi stabili; le attuali tecniche analitiche hanno permesso di
ritrovarvi circa la metà degli elementi, ma di questi la maggior parte è
presente in quantitativi estremamente esigui: meno di una parte per milione. I
principali costituenti di un chilogrammo di acqua marina di composizione media
sono: 960 g di acqua, 19,350 g di cloruri, 10,750 g di sodio, 2,700 g di
solfati, 1,300 g di magnesio, oltre a quantità più piccole di calcio,
potassio, bicarbonato, bromuro, stronzio, boro e fluoro. Campioni
di acqua marina provenienti da quasi ogni punto del mare aperto hanno mostrato
di contenere questi costituenti in proporzione quasi perfettamente costante;
pertanto l'acqua marina può essere considerata come una miscela di sali di
composizione uniforme, diluita con quantitativi variabili d'acqua. Data
questa costanza di composizione, la salinità può
essere valutata con buona precisione misurando semplicemente la conducibilità
elettrica di un campione di acqua marina a temperatura nota.
Mentre le proprietà dell'acqua
dolce dipendono dalla pressione e dalla temperatura, quelle dell'acqua di mare
sono condizionate anche dalla salinità. La densità, ad esempio, dipende
dalla temperatura, dalla pressione e dalla salinità in modo complesso: essa
diminuisce all'aumentare della temperatura, ma aumenta all'aumentare della
salinità e della pressione. Un'importante proprietà fisica dell'acqua di mare
è l'elevata capacità di assorbimento della radiazione elettromagnetica,
specialmente quella solare. Perfino nell'acqua più limpida, quasi tutta la luce
solare incidente (il 99%) viene assorbita nei primi 100 m, dove può essere
utilizzata, nel processo di fotosintesi, per trasformare carbonio inorganico ed
elementi nutritivi in organismi biologici come quelli che costituiscono il
fitoplancton (vedi Plancton). A profondità maggiori, invece, l'oceano è
completamente buio e le sue proprietà dipendono solo dai processi di
rimescolamento.
Le onde sonore vengono trasmesse dall'acqua dell'oceano senza attenuarsi in
modo rilevante con la distanza: la detonazione in profondità di una carica
esplosiva al largo di Perth, in Australia occidentale, può essere rilevata
perfino al largo delle Bermude, nell'Atlantico settentrionale. Per questo motivo
sia l'uomo sia gli animali marini usano comunemente il suono per comunicare in
ambiente subacqueo, nonché per effettuare determinati tipi di misurazioni. La
profondità dell'oceano, ad esempio, viene misurata impiegando un ecoscandaglio
(o scandaglio acustico): la distanza del fondo viene calcolata in base al tempo
impiegato da un impulso sonoro per raggiungere il fondo stesso e ritornare alla
sorgente (vedi Batimetria). Il sonar funziona in
base a un principio analogo, ma il fascio sonoro viene trasmesso con un certo
angolo di incidenza, e non in verticale, al fine di individuare o di rilevare la
forma di sottomarini o banchi di pesci, o la forma e le caratteristiche del
fondo marino.
L'aspetto dell'oceano in superficie è ora ben noto grazie alle osservazioni
della Terra dallo spazio. Noi viviamo su quello che può essere definito il
"pianeta azzurro", dal momento che il colore degli oceani predomina,
rispetto al bianco delle nubi e a porzioni relativamente esigue di terre emerse.
Per mezzo delle osservazioni condotte dalla costa è possibile distinguere le
onde dell'oceano e, attraverso l'attento esame delle linee costiere, i movimenti
a ciclo semidiurno delle maree. Per altre importanti proprietà dell'oceano è
necessario eseguire osservazioni mediante mezzi di esplorazione superficiale e
sottomarina opportunamente attrezzati con apparecchi di misura specifici, come batiscafi,
navi oceanografiche, boe fisse, e ricorrere a laboratori sommersi.
La distribuzione della temperatura superficiale del mare può essere
misurata dallo spazio e anche dalle comuni navi mercantili. Nell'oceano aperto
le temperature diminuiscono da valori di 30 °C o più, in prossimità
dell'equatore, a circa -2 °C, al contatto con i ghiacci delle alte latitudini.
Meno semplice è la misurazione della salinità, e pertanto la sua distribuzione
è conosciuta con maggiore incertezza; essa è comunque relativamente bassa alle
alte latitudini e raggiunge il massimo nelle zone subtropicali a 25° di
latitudine nord e sud, con un minimo intermedio all'equatore. La
distribuzione di salinità è legata alla differenza tra l'entità
dell'evaporazione e quella delle precipitazioni: in particolare, la bassa
salinità all'equatore è dovuta alle intense precipitazioni tropicali (qui si
trovano su terraferma le lussureggianti foreste pluviali), mentre la coppia di
massimi è dovuta alle scarse precipitazioni in corrispondenza degli anticicloni
subtropicali (su terraferma, a queste latitudini si trova il deserto).
Sia la temperatura superficiale sia la salinità hanno una distribuzione
approssimativamente zonale, con contorni che seguono la direzione est-ovest. Vi
sono anomalie in prossimità della costa, associate a correnti oceaniche e a un
fenomeno noto come upwelling (risalita). Le
regioni di upwelling si trovano in prossimità del margine orientale
dell'oceano, dove i venti che soffiano dalla costa producono una corrente
superficiale che si dirige verso il mare aperto. Acque più profonde
(provenienti da 500 m di profondità) risalgono a compensare queste correnti,
provocando un abbassamento della temperatura. Le acque profonde sono spesso
ricche di sostanze nutritive e di conseguenza le zone di upwelling sono
altamente produttive dal punto di vista biologico: sono infatti popolate da
numerose specie di pesci e da altre forme di vita marina.
Le osservazioni al di sotto della superficie sono molto più complesse;
tuttavia gli scienziati hanno una buona conoscenza della distribuzione media
della temperatura, della salinità e dell'ossigeno, oltre ad avere qualche
cognizione sulla distribuzione di altri componenti. Anche in questo caso,
l'aspetto di gran lunga meglio conosciuto è la distribuzione di temperatura. Il
campo di variabilità è lo stesso che si riscontra alla superficie (da -2 °C a
30 °C, approssimativamente corrispondente all'intervallo di temperatura in cui
l'uomo può vivere), ma la temperatura media è solo 3,5 °C. Tutta l'acqua
più calda di 5 °C è limitata a uno strato relativamente sottile, compreso fra
le latitudini di 50° N e 50° S.
A parte i cambiamenti diurni e stagionali, che interessano solo uno strato
di acqua molto sottile in prossimità della superficie (che si può considerare
tutto alla stessa temperatura), la struttura principale dell'oceano vede uno
strato di rapida diminuzione della temperatura (il termoclino
principale) e uno
spesso strato freddo che si estende fino a raggiungere il fondo. A nord dei 50°
N e a sud dei 50° S di latitudine, la temperatura varia poco con la
profondità. Alle medie latitudini invece la temperatura superficiale aumenta e
la profondità del termoclino principale è massima (circa 1 km). A basse
latitudini la temperatura superficiale è alta, il termoclino poco profondo
(circa 100 m) e si ha una rapida variazione di temperatura con la
profondità. Questa struttura è entro certi limiti spiegabile in termini di
proprietà fisiche dell'acqua di mare: in generale, essa
è tanto più pesante quanto più è fredda e pertanto, come chiunque può
intuire, l'acqua più fredda tende a scendere in profondità fino a raggiungere
il fondo dei bacini oceanici. L'acqua più fredda si trova in superficie
durante l'inverno, nelle regioni polari, dopo che il suo calore è stato
reirraggiato nella lunga notte polare. Affondando, essa raffredda il fondo
dell'oceano perfino ai tropici e all'equatore; si stanno ancora effettuando
studi per scoprire dove e come, esattamente, quest'acqua inizi ad affondare. La
salinità, al pari della temperatura, condiziona la densità, specialmente alle
basse temperature polari. Le principali regioni di affondamento sembrano essere
di estensione limitata, confinate al mare di Weddell (nel settore atlantico
dell'oceano circumpolare antartico) e alla parte di oceano Atlantico che bagna
Groenlandia, Islanda e Norvegia. La struttura della salinità dell'oceano è
più complessa di quella della temperatura, ma in generale essa condiziona la
densità in misura minore della temperatura, cosicché non vi è un diretto
rapporto tra salinità e profondità. I processi che condizionano la salinità
(le precipitazioni che diluiscono l'acqua di mare e l'evaporazione che la rende
più concentrata) si svolgono in superficie e formano masse d'acqua con una
particolare combinazione di salinità e temperatura. Una volta che una massa
d'acqua ha lasciato la superficie, solo processi di rimescolamento possono
modificarne salinità e temperatura. La maggior parte di questi processi altera
l'una e l'altra proprietà nello stesso modo, cosicché una massa d'acqua tende
a mantenere le proprie caratteristiche peculiari di temperatura in rapporto alla
salinità. Un diagramma T/S , che mostra
come la salinità vari con la temperatura in una particolare colonna d'acqua,
costituisce una sorta di impronta digitale che permette di risalire alla regione
di origine di una massa d'acqua anche a distanza di migliaia di chilometri.
I dettagli del rimescolamento costituiscono un problema centrale nella moderna
oceanografia fisica.
Esistono anche altri traccianti che, pur non così invariabili come il
rapporto fra temperatura e salinità, sono utili perché possono fornire
preziose indicazioni temporali. L'acqua alla superficie del mare è di solito
satura (o soprasatura) di gas atmosferici, tra i quali l'ossigeno. Quando essa
abbandona la superficie, il contenuto di ossigeno si riduce gradualmente, dato
che questo gas viene assorbito dagli organismi marini e viene consumato nel
processo di decomposizione della materia organica. Il contenuto di ossigeno può
pertanto fornire un'indicazione del tempo trascorso da quando una data massa
d'acqua ha abbandonato la superficie. In alcune regioni, dove l'acqua non
subisce rimescolamento, tutto l'ossigeno viene consumato, e al suo posto rimane
solfuro di idrogeno. Il Mar Nero è un classico esempio: il
suo stesso nome si riferisce al fatto che i metalli in esso immersi vengono
anneriti dalla presenza dello ione solfuro.
Altri traccianti, più transitori, hanno distribuzione variabile nel tempo,
e spesso sono legati alle attività umane. Ad esempio, la concentrazione del trizio,
l'isotopo più pesante dell'idrogeno, quasi interamente dovuta al fallout
radioattivo degli esperimenti nucleari condotti nell'atmosfera dopo la seconda
guerra mondiale, ha permesso di accertare la velocità della circolazione
oceanica in alcune aree e anche l'entità del rimescolamento. Il trizio è
radioattivo e decade con un tempo di dimezzamento di 1245 anni nell'isotopo
stabile elio 3. Le misurazioni del rapporto fra trizio ed elio 3 in un dato
campione d'acqua di mare permettono di ottenere una valutazione del tempo
trascorso da quando quell'acqua ha abbandonato la superficie. Sia la
misurazione, sia l'interpretazione non sono semplici, ma stanno comunque
fornendo preziose nozioni sulla circolazione profonda dell'oceano. Anche altri
traccianti artificiali, come il freon,
stanno producendo risultati interessanti, e si sta studiando la possibilità di
immettere deliberatamente in mare sostanze che si prestino in modo particolare a
studiare i meccanismi di trasporto e rimescolamento.
 Le correnti oceaniche superficiali
condizionano sensibilmente la navigazione e la maggior parte delle informazioni
su di esse è fornita proprio dai rapporti dei marinai sull'entità delle
deviazioni dalle rotte prefissate. Nonostante la differenza di forma, gli oceani
Atlantico, Pacifico e Indiano presentano uno schema di circolazione delle
correnti molto simile, dominato principalmente da un andamento in senso orario
nell'emisfero settentrionale e antiorario in quello meridionale. La corrente del
Golfo dell'Atlantico settentrionale e il Kuroshio nel Pacifico sono le correnti
oceaniche più note. La corrispondente corrente nordequatoriale dell'oceano
Indiano è complicata dalle variazioni stagionali causate dal monsone. Presso
l'equatore, in tutti gli oceani, sono presenti due correnti equatoriali che
scorrono verso ovest; nell'oceano Pacifico e in quello Indiano (ma parzialmente
anche nell'Atlantico) esse sono separate da una controcorrente equatoriale
diretta in senso opposto. Nell'oceano che circonda il continente antartico non
vi sono barriere continentali continue che possano ostacolare il flusso delle
correnti, cosicché la corrente circumpolare antartica, diretta verso est, può
chiudere quasi indisturbata il proprio circuito. Le carte forniscono indicazioni
medie ma, in condizioni particolari, le correnti oceaniche superficiali possono
assumere andamenti del tutto insoliti, come la corrente del Golfo che
occasionalmente compie tragitti tortuosi e complessi. Le maggiori correnti di
superficie sono condizionate dal vento e dal tempo atmosferico in generale, ma
globalmente possono essere considerate semipermanenti.
 Viceversa, vi sono poche correnti subsuperficiali di tipo semipermanente.
Forse le più interessanti sono quelle equatoriali, che si riscontrano negli
oceani Atlantico e Pacifico e sporadicamente in quello Indiano: esse sono
dirette verso est, hanno velocità di oltre 1 metro al secondo e scorrono alla
profondità di circa 100 m. Altre correnti semipermanenti subsuperficiali
si instaurano quando si forma acqua densa in un bacino che comunica con l'oceano
aperto tramite una soglia poco profonda: l'acqua densa scavalca la soglia e si
immette nell'oceano. Tipici esempi di questo fenomeno si hanno a Gibilterra,
dove l'acqua del Mediterraneo si immette nell'Atlantico, e nello stretto di Bab
al-Mandab, che mette in comunicazione il Mar Rosso con l'oceano Indiano.
È comunque difficile ricapitolare una conoscenza delle correnti
subsuperficiali, in quanto esse sono assai variabili. L'acqua fredda, che si
origina nell'Atlantico settentrionale o nel mare di Weddell, raggiunge le
profondità di tutti i bacini oceanici, e si deve pertanto presupporre
l'esistenza di correnti profonde in direzione dell'equatore, con percorsi non
ancora individuati.
A eccezione delle maree, tutti i
movimenti oceanici e atmosferici hanno la loro fonte di energia nel Sole.
Gran parte dell'energia solare cade sui Tropici, e l'eccesso di calore ricevuto
alle basse latitudini viene trasferito verso i poli attraverso i movimenti
dell'atmosfera e dell'oceano. In altre parole l'atmosfera può essere vista come
una gigantesca macchina termica, a basso rendimento, che assorbe calore nella
calda fascia equatoriale e lo cede in zone più vicine ai poli. Alle latitudini
inferiori l'aria sale, dando luogo a intense precipitazioni nella fascia
equatoriale, per poi dirigersi verso i poli e riaffondare negli anticicloni
subtropicali, dopodiché ritorna verso l'equatore con gli alisei. A nord dei
30° N e a sud dei 30° S di latitudine, i venti sono prevalentemente
occidentali, ma le perturbazioni e gli anticicloni rendono la circolazione
atmosferica continuamente variabile.
Sono questi schemi di circolazione
atmosferica a condizionare principalmente l'andamento delle correnti oceaniche
(anche se le correnti più profonde sono messe in movimento perlopiù da
differenze di densità). Per studiare la dinamica dell'oceano e
dell'accoppiamento tra oceano e atmosfera vengono sempre più diffusamente
utilizzati modelli al calcolatore che consentono di acquisire una maggiore
comprensione del clima attuale, così da poter valutare correttamente la scala e
l'intensità di qualunque cambiamento climatico, e soprattutto del temuto
riscaldamento globale per effetto serra.
Gli usi economici dell'oceano dipendono innanzitutto dalle notevoli
dimensioni dell'area e del volume che esso occupa e dalle caratteristiche
chimiche e fisiche dell'acqua che lo costituisce. La combinazione di alta
densità e bassa viscosità rende l'acqua di mare un mezzo molto adatto per la
propulsione di navi. La particolare composizione chimica sostiene una complessa
catena alimentare che inizia con il processo di fotosintesi e termina con i
pesci, i quali sono parte dell'alimentazione umana per il loro alto contenuto di
proteine e per il pregio delle loro carni. Purtroppo il mare serve anche, in un
certo senso, a nascondere: in esso vengono scaricate grandi quantità di
rifiuti, spesso abusivamente, e in profondità si rendono invisibili i
sottomarini nucleari. Inoltre, per l'elevato valore sia del calore specifico,
sia di quello latente, l'oceano è il principale elemento di regolazione del
clima terrestre.
È da sottolineare anche il fatto che dall'acqua del mare possono essere
estratte preziose sostanze chimiche, mentre dai fondali possono essere
recuperati minerali e idrocarburi. L'industria estrattiva si sposta verso acque
sempre più profonde. L'attività militare di sottomarini e sommergibili, dal
termine della Guerra Fredda, tende a ridursi sempre più. Le navi che solcano la
superficie del mare, a differenza di quanto accadeva in passato, possono contare
su previsioni del moto ondoso elaborate al computer, che si rivelano
particolarmente utili soprattutto per i pescherecci, navi che possono avvalersi
anche di sistemi sonar per l'individuazione di banchi di pesce.
Per quanto riguarda lo sfruttamento delle risorse ittiche, molti sono i
problemi che vanno considerati: attualmente vi è il pericolo che un'attività
di pesca troppo intensa metta in crisi le popolazioni di pesci; a livello
internazionale si stanno elaborando trattati per garantire che lo sfruttamento
del mare sia mantenuto a livelli sostenibili.
Come si è accennato, le dimensioni delle distese d'acqua oceaniche sono
tali da rendere attraente per le industrie e le città la possibilità di
smaltirvi i rifiuti, evadendo i costi dello smaltimento su terra o di
riciclaggio. Molta gente ha sperimentato personalmente quali livelli abbia ormai
raggiunto l'inquinamento marino, ma pochi hanno un'idea precisa della vasta
gamma di sostanze che vi vengono scaricate. Gran parte dell'inquinamento ha
comunque origine nella terraferma: solo il 12% circa è dovuto a navi e
imbarcazioni.
Il valore della produzione di petrolio e gas naturale dall'oceano supera
quello del pescato. Si continuano a identificare giacimenti di idrocarburi
altamente produttivi sotto il fondo del mare, anche se le profondità si fanno
via via maggiori, ed è sempre più difficile e costoso rendere operativi i
mezzi di estrazione. Lo sfruttamento di materiale del fondo del mare si limita
al prelievo di sabbia e ghiaia, che è economicamente conveniente solo a piccole
profondità. Sono stati compiuti pochi progressi nell'estrazione di metalli
(inizialmente considerata molto promettente) dai noduli di manganese, che si
trovano in grande quantità nelle zone profonde dell'oceano. Alcuni elementi
chimici, come il bromo, continuano a essere estratti dall'acqua del mare, e sta
riscuotendo un interesse sempre maggiore la possibilità di estrarre sostanze di
interesse farmaceutico da organismi marini. La stessa acqua rappresenta una
risorsa preziosa per ottenere acqua dolce in molte parti del mondo dove risulta
economico il processo di osmosi inversa; di solito però la dissalazione
dell'acqua di mare impone un grande dispendio di energia e non viene presa in
considerazione per motivi economici.
Che l'oceano agisca da regolatore del clima è un fatto sempre più
risaputo; tuttavia, a dispetto dei grandi progressi realizzati dalle scienze
marine in questo secolo, gli scienziati hanno ancora grandi lacune di
comprensione per quanto riguarda le proprietà dell'oceano, i processi che vi si
svolgono e le popolazioni che lo occupano. Si stanno sviluppando avanzati
modelli al calcolatore dell'accoppiamento tra atmosfera e oceano, ma perché
essi forniscano risposte attendibili occorrono dati in maggiore quantità e di
migliore qualità. Fino a quando non si realizzeranno questi progressi, non
sarà possibile prevedere in modo abbastanza affidabile quali cambiamenti
climatici potrebbero essere provocati dagli incrementi atmosferici di anidride
carbonica, metano e altri gas in grado di favorire l'effetto serra.
L'oceano e l'atmosfera dovrebbero
mantenersi più o meno nelle loro condizioni attuali ancora per centinaia di
milioni di anni. Entro pochissime generazioni, la popolazione del nostro
pianeta supererà i dieci miliardi di abitanti, gran parte dei quali si troverà
nei paesi in via di sviluppo; la nostra sopravvivenza dipende in misura notevole
da una migliore comprensione delle interazioni fra l'umanità e le limitate
risorse biologiche e fisiche di cui essa potrà disporre.
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