Caratteristiche del mare

Le acque marine sono circa il 97% dell'intera idrosfera; il restante 3% è di acqua dolce e si trova nei ghiacciai, nelle acque sotterranee, nei fiumi, nei laghi e in minima parte nell'atmosfera.

Le acque marine sono raccolte in due tipi di bacini: il mare e l'oceano.
Il mare è una distesa d'acqua salata, generalmente circondato dalla terra, presenta un'esigua estensione della zona abissale e una profondità generalmente inferiore ai 2000 m. Possono essere mari costieri (mar della Cina (Mar dl Giappone) o mari interni (Mare Mediterraneo, Mar Nero, Mar Rosso).
L'oceano è una distesa molto più grande del mare, che circonda i continenti; le profondità abissali sono estese, mentre la piattaforma continentale è assai ridotta. La sua profondità media è di 3800 m.

I mari e gli oceani coprono il 70,8% della superficie terrestre ma …

… il volume delle acque rappresenta solo circa lo 0,1-0,2% del volume totale della Terra.

Esiste anche una differente distribuzione delle terre e dei mari nei due emisferi. Nell'emisfero boreale le acque occupano il 51% della superficie, mentre in quello australe sono l'81% e questo ha un'importante influenza sulla differenza di clima tra le due aree.

Caratteristiche chimiche e fisiche

L'acqua pura presenta caratteristiche eccezionali rispetto ad altre sostanze grazie al fatto di essere una molecola polare, perciò può instaurare legami idrogeno con le molecole vicine.

Innanzitutto sulla Terra coesistono contemporaneamente i tre stati dell'acqua: solido, liquido, gassoso.

L'acqua ha un basso peso molecolare (18) perciò dovrebbe congelare e bollire rispettivamente a -80 °C e -70 °C e invece i passaggi di stato avvengono a temperature molto più alte (0 °C e 100 °C).

I liquidi in genere si contraggono quando congelano, mentre l'acqua aumenta il suo volume e ciò consente al ghiaccio di galleggiare. In particolare, tra 0 °C e +4 °C ha un coefficiente di dilatazione negativo, cioè si contrae invece di dilatarsi. Ciò comporta che la massima densità è a +4 °C. in altre parole, man mano che l'acqua si raffredda con una temperatura tra +4 ° C e 0 °C si ha un aumento del volume fino al congelamento, che si verifica a 0 °C, perciò il volume è minimo a +4° C. Scaldando oltre i +4 °C, il volume aumenta (si veda anche il disegno nel paragrafo sulla densità).

Così il ghiaccio che si forma in mare, essendo meno denso dell'acqua, può galleggiare e sciogliersi con la bella stagione. Se l'acqua si comportasse come le altre sostanze, il ghiaccio si accumulerebbe sul fondo e non potrebbe mai sciogliersi.

Il suo calore specifico, cioè la quantità di calore necessario per elevare di 1 °C la temperatura di 1 kg di una data sostanza, è elevato (tra 14,5 °C e 15,5 °C), cioè impiega molto tempo e molta energia per riscaldarsi, ma si raffredda molto lentamente. Questa proprietà è fondamentale per la stabilità termica degli oceani e dei climi.

Anche il calore di vaporizzazione, cioè la quantità di energia necessaria per trasformare 1 kg di acqua liquida in vapore acqueo, è più alto rispetto ad altri liquidi organici.

L'acqua di mare, avendo sali disciolti, ha delle caratteristiche diverse; si manifestano, per esempio, le proprietà colligative, quelle che dipendono dal numero di particelle di soluto.
I caratteri dell'acqua di marina variano da mare a mare e sono qui di seguito descritti.

Salinità

La salinità indica la quantità di sali presenti nell'acqua marina e normalmente si misura in grammi totali per chilogrammo di acqua marina o, meno precisamente, per litro.

I sali provengono dall'apporto dei fiumi, dei vulcani sottomarini, dall'erosione delle coste provocata dall'azione delle onde, dalla decomposizione degli organismi. Anche se l'apporto è relativamente scarso, gli ioni si accumulano perché questo è continuo e prolungato e perché sono rimossi solo in piccola parte e concentrati dall'evaporazione.

I principali sali, presenti nell'acqua di mare sono elencati nella tabella.

I sali sono disciolti in forma ionica secondo le seguenti percentuali e hanno un rapporto costante tra loro, indipendentemente dalla concentrazione salina.

Gli ioni di calcio (Ca²⁺), idrogeno carbonato (HCO₃^-) e la silice sono utilizzati dagli organismi marini per la costruzione delle loro parti scheletriche. Quando muoiono, i resti si accumulano sul fondo e tramite i processi di diagenesi e litificazione formeranno le rocce sedimentarie organogene.

Mediamente la salinità è di 35 g/kg (35‰) ma, soprattutto in superficie, la variabilità è notevole, mentre in profondità è stabile nel tempo.
La variazione della salinità in un bacino dipende da tre fattori: intensa evaporazione, congelamento, apporto di acqua dolce dalle precipitazioni e dai fiumi.

Nei bacini chiusi e con importante evaporazione, come il Mare Mediterraneo, può raggiungere i 40 g/kg; anche nelle zone tropicali è molto alta per la scarsità di piogge e l'alto irraggiamento solare che favoriscono l'evaporazione, mentre nelle zone equatoriali, pur essendo la salinità superiore alla media, le piogge immettono grandi quantità di acqua dolce, perciò è inferiore a quella dei tropici; nelle zone polari è molto bassa per il notevole apporto di acqua dolce proveniente dai ghiacciai, tuttavia la solidificazione dell'acqua, che porta alla formazione del ghiaccio, sottrae acqua pura dal mare, perciò i sali aumentano nella soluzione restante.
Il bacino più salato è il Mar Rosso (42‰), mentre quello con meno sali è il Mar Baltico (4 ÷ 7,5‰).

La salinità varia quindi secondo la latitudine: aumenta dalle zone polari verso quelle equatoriali, come evidenziato dal grafico e dalla figura.

La salinità tende anche a crescere gradualmente con la profondità perché un aumento di salinità fa aumentare la densità, perciò l'acqua salata, più pesante, scende per gravità.
Nella zona superficiale (fino a -200 m) la salinità è massima, distribuita come indicato sopra.
Nella zona di transizione (da -300 m a -800 m) scende rapidamente (aloclino). 
Nella zona profonda si mantiene pressoché stabile, con un valore medio di 34,7‰.

Temperatura

La temperatura dell'acqua di mare, che ha un valore medio di 3,8 °C, è influenzata dall'intensità dell'insolazione, varia con la latitudine e con la profondità.

In superficie la temperatura dipende dalle stagioni e i massimi e i minimi termici dell'acqua presentano un ritardo di circa un mese rispetto a quelli dell'aria, a causa dell'elevato calore specifico.

In relazione alla latitudine, l'acqua superficiale è più calda all'Equatore (circa 27 °C), scende a circa 23 °C ai Tropici e arriva a 0 °C ai Circoli Polari o anche meno senza congelare (abbassamento crioscopico), con una variazione di circa 0,3 °C per ogni grado di latitudine.

Il mare più caldo è il Golfo Persico (35,6 °C).

Per quanto riguarda la profondità, nella zona superficiale (fino a -200 m) la temperatura è abbastanza costante perché Il calore, dovuto all'assorbimento delle radiazioni solari nei primi 10 m, è trasmesso agli strati inferiori per conduzione e soprattutto per convezione, rimescolando le acque ed è pressoché uguale a quella superficiale. Infatti, quando le acque si raffreddano, scendono verso il fondo, facendo risalire quelle più calde.
Nella zona di transizione (da -300 m a -1000 m) scende rapidamente fino a valori poco superiori a 0 °C (termoclino). Questo strato mantiene separate le acque superficiali, più calde e meno dense, da quelle profonde, fredde e dense.
Nella zona profonda, a circa -4000 m, si aggira attorno ai 2 °C e nei fondi abissali la temperatura ha valori inferiori a 0 °C e non congela a causa dell'elevata pressione e densità.

Al Polo Nord l'acqua ghiaccia - ricordiamo che essendo salate, le acque marine congelano a una temperatura di circa -2 °C - formando prima il pack, un miscuglio di blocchi di ghiaccio in un brodo di acqua-ghiaccio, poi la banchisa, una distesa di ghiaccio alta parecchi metri.
Il Polo Sud, invece è occupato dall'Antartide, continente perennemente coperto da ghiaccio.
Dalla banchisa o dal ghiacciaio antartico si possono staccare enormi blocchi di ghiaccio galleggiante, gli iceberg, molto pericolosi per la navigazione, di cui solo 1/10 è la parte emersa.

Densità

La densità è il rapporto tra la massa e il volume (d = m/V).

La densità è in relazione diretta con la salinità e con la temperatura: quanto più è elevata la temperatura, tanto maggiore è l'evaporazione e di conseguenza i sali si concentrano, rendendo l'acqua più densa (la presenza di sali in soluzione aumenta la massa rispetto a quella dell'acqua pura), mentre diminuisce con l'aumentare della piovosità e dell'afflusso idrico continentale.
La concentrazione per evaporazione farebbe ipotizzare un discesa verso il basso per l'aumento di densità, ma non succede perché negli strati profondi la minore temperatura induce un aumento di densità delle acque profonde, perciò queste ultime sono sempre più dense di quelle superficiali.

La densità dell'acqua di mare è quindi tanto più densa quanto più è salata e fredda.

Poiché la densità dell'acqua oceanica è principalmente determinata dalla salinità e dalla temperatura, la relazione tra queste tre variabili può essere rappresentata in un diagramma che indica le diverse densità risultanti dalle possibili combinazioni di temperatura e salinità.
Poniamo in ascissa la salinità in percentuale e in ordinata la temperatura in gradi centigradi. La semiretta blu dà la temperatura di congelamento in funzione della salinità, mentre quella nera indica la temperatura di massima densità, sempre in funzione della salinità.

L'acqua pura congela a 0 °C, ma la sua massima densità è a +3,98 °C e quindi, se si raffredda sotto questo valore, la densità diminuisce perché l'acqua aumenta di volume. Quando giunge alla temperatura di 0 °C, inizia la formazione del ghiaccio che, essendo meno denso dell'acqua, galleggia su di essa. Per altre sostanze invece, la massima densità coincide con il punto di congelamento.
All'aumentare della concentrazione salina, diminuiscono sia il punto di congelamento, sia la temperatura di massima densità, ma quest'ultima lo fa in modo molto più rapido. Le due rette si incontrano a una temperatura di -1,33 °C e una salinità di 24,69‰, cioè in quel punto l'acqua congela e quindi la temperatura di massima densità è raggiunta a un valore di concentrazione salina inferiore a quello medio dell'acqua marina. 
A temperature ancora più basse e con un ulteriore aumento di salinità, si può quindi solo avere solo una diminuzione della temperatura di congelamento, ma non un aumento della densità, perché l'acqua passa allo stato solido.
Di conseguenza l'acqua di mare non raggiunge mai la temperatura di massima densità perché inizia prima il processo di formazione del ghiaccio sulla superficie marina. Infatti, con una concentrazione di sali al 35‰ si raggiunge la massima densità a -3,52 °C, ma solo virtualmente perché l'acqua marina comincia a congelare a -1,91 °C, cioè prima di poter raggiungere tale valore.

Quando l'acqua comincia a congelare, a -1,91 °C, i sali non vengono incorporati nella struttura del ghiaccio. Ne deriva un aumento della salinità e questo abbassa ulteriormente il punto di congelamento dell'acqua rimanente, quindi bisogna scendere a temperature inferiori perché si formi altro ghiaccio. L'acqua oceanica non ha perciò un punto di congelamento specifico, poiché la temperatura di congelamento si abbassa man mano che la salinità aumenta a causa della formazione del ghiaccio.
La relazione tra densità e temperatura è dunque molto complessa perché, al diminuire della temperatura la densità aumenta non solo per la riduzione di volume, ma anche per l'aumento di salinità.

Le curve di densità costante, presenti nel grafico sopra, indicano come devono variare contemporaneamente temperatura e salinità per mantenere la densità a un valore costante, meglio rappresentate nel grafico sottostante.

La densità dell'acqua assume valori compresi tra 1 e 1,030 g/cm3. Alla temperatura di 0°C, con una salinità di 35 g/kg, la densità è di 1,028, cioè un litro pesa 1028 g.

La densità cresce con la profondità.
Nei primi 200 m la densità è abbastanza costante per i moti convettivi che rimescolano le acque, poi scende in modo rapido fino a -800 m (picnoclino), oltre il quale si stabilizza.

La differenza di densità alle diverse profondità è responsabile della formazione di correnti verticali, che provocano il rimescolamento delle acque, indispensabile per la redistribuzione dei nutrienti e dell'ossigeno.

Trasparenza

La trasparenza dell'acqua marina dipende dai materiali in sospensione. Una volta era misurata con il disco Secchi, un disco di colore bianco, o a spicchi bianchi e neri, del diametro di 20 - 30 cm, inventato dall'astronomo gesuita Angelo Secchi (1818 - 1878). Oggi si usano delle particolari cellule fotoelettriche.
Quando l'acqua è limpida, il disco è visibile fino a 60 m di profondità, ma solitamente non supera i 40 m.

La trasparenza è molto importante per la vita di piante e animali: oltre i 200 ÷ 300 m non giungono le radiazioni solari e la vita vegetale è impossibile.

Grado di penetrazione della luce

La penetrazione della luce dipende dalla lunghezza d'onda.
L'80% della luce solare è assorbito nei primi 10 m di profondità. Il restante 20% può arrivare a 200 m (zona fotica), se l'acqua è limpida, nei colori verde, blu e violetto. 
Le radiazioni rosse raggiungono i 5 ÷ 15 m, quelle gialle 50 m, le arancioni 30 m, le verdi 80 m, le blu arrivano a 200 - 300 m, le violetto attorno ai 110 m.
Le radiazioni infrarosse, quelle che riscaldano le acque, non scendono oltre i 10 cm.
Sotto i 300 metri è completamente buio, tranne che per la bioluminescenza degli organismi.

Colore

Il colore del mare è blu negli strati più profondi perché l'acqua assorbe le radiazioni rosse e riflette quelle a lunghezza d'onda più corta come il verde, il blu e il viola.
Il colore in superficie dipende dai sedimenti sciolti nell'acqua, dalla temperatura, dalla presenza di alghe (in ordine di profondità: verdi, brune, rosse) e dallo stato del cielo, perciò può essere verde, grigio o azzurro.

pH

L'acqua marina ha un pH leggermente basico, con valori compresi tra 7,5 e 8,4, con valore medio di 8,1. L'effetto tampone è dato dalle seguenti reazioni, che mantengono costanti questi valori.

Gas disciolti

Le acque marine contengono una certa quantità di gas disciolti.
L'ossigeno, l'azoto e il diossido di carbonio derivano dallo scambio con l'atmosfera attraverso il moto ondoso.
Dalle eruzioni sottomarine provengono: metano, anidride carbonica, acido solfidrico.
I gas hanno origine anche dalle reazioni chimiche e biochimiche che avvengono nell'acqua.

Le acque superficiali sono tanto più ricche di gas, quanto più bassa è la temperatura, mentre le acque profonde ne sono abbastanza povere, però ne ricevono una parte grazie al fatto che l'acqua fredda, essendo più pesante di quella calda, scende per gravità.
La solubilità dei gas aumenta anche al salire della pressione.

Di particolare importanza per la vita marina è l'ossigeno, che proviene dall'atmosfera e dall'attività fotosintetica.

Pressione

La pressione idrostatica, cioè la forza esercitata dal liquido sull'unità di superficie, aumenta di 1 atm per ogni 10 m di profondità. Sui fondali, perciò ci sono pressioni elevatissime; per questo è complesso progettare batiscafi in grado di resistere alle pressioni che si hanno nelle fosse oceaniche. Gli organismi degli abissi hanno particolari adattamenti per non essere schiacciati.

Profondità

La profondità media dei mari è di circa 3800 m.
Sul pavimento oceanico si elevano rilievi, come le dorsali oceaniche o sono presenti fosse, come nelle zone di subduzione delle placche. La fossa più profonda è quella delle Marianne (10994 m), che si trova nell'Oceano Pacifico occidentale.

La profondità dei mari è misurata tramite scandagli acustici (ecoscandaglio o sonar). Lo strumento invia un treno di onde che, quando raggiungono il fondo, vengono riflesse. Sapendo la velocità delle onde nell'acqua è di 1500 m/s, in base al tempo di andata e ritorno è possibile calcolare la profondità del fondale in quel punto.

Le curve che uniscono i punti di uguale profondità sono le isobate.