I movimenti del mare

Il moto ondoso

Le onde sono delle oscillazioni della superficie marina prodotte principalmente dal vento, che esercita una pressione sulla superficie dell'acqua (onde di oscillazione), ma contribuiscono anche le correnti marine.

Le onde marine si dicono forzate se si muovono sotto la spinta del vento, mentre le onde libere sono quelle che continuano quando l'impulso del vento è cessato.

Quando il vento preme sulle molecole d'acqua superficiali, queste si abbassano; quelle sottostanti, data l'incomprimibilità dei liquidi, sono costrette a spostarsi lateralmente, innalzandosi. Le molecole che si sono sollevate, per la forza di gravità si riabbassano, trasmettendo il movimento alle molecole vicine che, a loro volta, le trasmettono ad altre.

Lo spostamento di ogni particella, perciò, avviene solo dall'alto in basso e non orizzontalmente, cioè sono unicamente la propagazione di una deformazione sulla superficie, per cui l'oscillazione sulla superficie marina si ha senza trasporto d'acqua, ma solo di energia.
Ogni particella d'acqua descrive una circonferenza con un diametro uguale all'altezza dell'onda; questo diminuisce con la profondità, fino ad annullarsi completamente a una profondità pari a metà della lunghezza d'onda.
Dove il fondale ha una profondità inferiore alla metà della lunghezza d'onda, le circonferenze si trasformano in ellissi sempre più schiacciate.

Ogni onda è contraddistinta da una cresta (il punto più alto) e un cavo, o ventre (il punto più basso); la distanza verticale tra la cresta e il cavo si chiama altezza e la distanza tra due creste o due cavi è la lunghezza d'onda.

Altri parametri sono: l'ampiezza cioè la distanza verticale tra la cresta e la posizione di equilibrio del livello del mare, cioè il livello quando il mare è calmo; il periodo, che è il tempo impiegato da due creste successive a raggiungere un punto di riferimento; la velocità di propagazione, cioè lo spazio percorso nell'unità di tempo, che dipende dalla velocità del vento (mediamente è di 30 ÷ 40 km/h); la frequenza, che indica il numero di onde che passa su un punto di riferimento nell'unità di tempo; la direzione.
Le dimensioni di un'onda dipendono dalla forza del vento, dalla sua durata e dall'area del mare su cui esercita la sua pressione e il moto ondoso si propaga a una profondità pari alla metà della lunghezza d'onda.

Quando l'onda si avvicina al fondale, le circonferenze descritte dalla particella d'acqua diventano delle ellissi che progressivamente si appiattiscono.
L'attrito rallenta la parte inferiore dell'onda mentre quella superiore conserva la sua velocità, di conseguenza non si propaga solo il movimento, ma si verifica uno spostamento verso riva della massa d'acqua (onda di traslazione), generando un frangente di spiaggia, o maroso, e l'acqua si rovescia in avanti. L'acqua poi ritorna indietro con un flusso chiamato risacca.

L'altezza dell'onda fornisce una misura della forza del mare secondo la scala empirica di Beaufort.

Le correnti marine

Le correnti marine sono spostamenti costanti di importanti masse d'acqua nel mare o nell'oceano, omogenee per temperatura e densità, dovute alla complessa interazione di fenomeni quali la gravità, il vento, la forza di Coriolis, la temperatura, la salinità, la densità.

Le correnti marine si muovono a una velocità inferiore a 2 km/h, ma possono raggiungere anche 8 km/h (Corrente del Golfo) e riguardano i primi 200 m di profondità mentre sui fondali le masse d'acqua si spostano in genere molto lentamente (circa 1 km/d).

Le correnti marine si dividono in due grandi gruppi: le correnti verticali e le correnti orizzontali.
Quelle verticali sono a loro volta suddivise in ascendenti e discendenti, mentre quelle profonde in superficiali e profonde. 
Le correnti di profondità sono ancora poco conosciute, per la difficoltà di rilevamento dei diversi parametri.

Correnti verticali

Le correnti verticali sono dovute alla differenza di salinità e di temperatura delle acque e perciò alla differenza di densità. Si tratta quindi di correnti di gradiente. Queste distribuiscono i nutrienti e l'ossigeno anche nelle zone più profonde.

In riferimento alla differenza di temperatura, quando l'acqua in superficie raffredda, scende perché più pesante di quella calda. Contemporaneamente le acque profonde, più calde, tendono a risalire, generando delle correnti convettive.
Dove si ha una divergenza delle acque superficiali, viene richiamata acqua dal basso, mentre dove c'è convergenza l'acqua è spinta verso il basso.
Col tempo sul fondo si ha l'accumulo di acque fredde, mediamente 2 °C.
Correnti di questo tipo interessano le zone polari e quelle equatoriali in entrambi gli emisferi e sono molto importanti perché trasferiscono ossigeno e plancton verso i mari caldi, che ne sono poveri.

Lo stesso discorso vale per la salinità. Nelle calde fasce tropicali il Sole riscalda molto la superficie per cui si ha un'intensa evaporazione che prevale sulle precipitazioni. Di conseguenza, l'acqua subisce una maggiore concentrazione di sali, diventando più densa e pesante, perciò dovrebbe scendere in profondità. Tuttavia lo strato superficiale è anche più caldo di quelli profondi e di conseguenza è meno denso e tende a rimanere in alto. Questo contrasto provoca un'instabilità localizzata dell'aloclino che innesca un rimescolamento delle acque.
Nelle aree equatoriali, invece, dove la piovosità è elevata, la densità dell'acqua tende a diminuire per l'aumento di volume e a sollevarsi leggermente, quindi rimane più in superficie, spostandosi orizzontalmente verso le zone di maggiore densità, che hanno un livello più basso, lungo dei pendii di scorrimento (correnti di superficie), per poi sprofondare.
Questo tipo di correnti riguardano soprattutto l'Oceano Atlantico e il Mare Mediterraneo.

Correnti verticali di risalita provocate dal vento si hanno lungo le coste orientali dei continenti (California, Perù, Africa occidentale). Infatti, come vedremo nel prossimo paragrafo, nella zona equatoriale i venti costanti spingono al largo l'acqua superficiale, perciò viene continuamente sostituita dalle acque degli strati sottostanti, dando luogo a zone di bassa temperatura in prossimità delle coste. Con l'acqua risalgono anche molte sostanze minerali che favoriscono lo sviluppo di plancton e quindi di pesci.

Correnti orizzontali

Le correnti orizzontali possono essere distinte in correnti di superficie e correnti di profondità.

Correnti di superficie

Le correnti di superficie, che non scendono oltre i 200 m di profondità, dipendono dalla temperatura, dalla velocità lineare di rotazione, dalla forza di Coriolis e dal vento.

Gli oceani ricevono i raggi solari perpendicolarmente nella zona equatoriale, perciò si riscaldano maggiormente rispetto alle zone polari.
Le acque equatoriali, riscaldate, aumentano di volume e il livello marino sale di qualche centimetro. Ciò crea una lieve pendenza che fa scivolare le acque verso i poli, originando una corrente superficiale calda diretta verso nord e una diretta verso sud.
Qui l'acqua fredda tende a inabissarsi e quindi in profondità l'acqua si sposta dai poli verso l'equatore (correnti di profondità).

A questo meccanismo si devono aggiungere due fattori legati alla rotazione terrestre.
La velocità lineare di rotazione della Terra, verso est, è massima all'equatore (463 m/s) e decresce andando verso i poli ma, essendo l'acqua allo stato liquido, accumula un certo ritardo rispetto al fenomeno per cui le acque si accumulano sulle coste occidentali.
Inoltre, per la Legge di Ferrel, la rotazione terrestre produce la forza di Coriolis che fa deviare di 45° le masse in movimento verso destra nel nostro emisfero e verso sinistra nell'altro.

Per ultimi, ma più rilevanti, sono i venti costanti, come gli Alisei per le basse latitudini e i Venti Occidentali delle medie latitudini, che hanno una notevole rilevanza nella genesi delle correnti marine (correnti di deriva).
Le Correnti Nord-Equatoriale e Sud-Equatoriale sono sostanzialmente provocate dagli Alisei. Questi soffiano da est sopra e sotto l'Equatore e tendono ad accumulare acqua nella parte occidentale degli oceani come, per esempio, verso la costa orientale del Sudamerica e verso le Filippine. Poiché l'acqua non può accumularsi, defluisce sotto forma di correnti che si allontanano dall'equatore, deviando verso nord e verso sud. Lo stesso si verifica per quanto riguarda la Corrente del Golfo.

Le medie e alte latitudini subiscono l'effetto dei Venti Occidentali, che guidano le correnti dirette verso est.

La direzione delle correnti, tuttavia, non segue quella del vento (di cui si indica la provenienza) ma, per la forza di Coriolis, sono deviate. Infatti, l'azione del vento sulla superficie marina origina un movimento che è deviato di 45° secondo la Legge di Ferrel. Questo movimento è trasmesso agli strati successivi con perdita progressiva di velocità e cambiamento di direzione, fino a un piccolo flusso contrario a quello superficiale e poi all'annullamento dove, a circa 100 m, non si sente più l'effetto del vento.
La risultante di tutti i vettori è un flusso medio, o flusso di Ekman (Vagn Walfrid Ekman, 1874 - 1954), perpendicolare alla direzione del vento. La proiezione di tutti i vettori forma una spirale.

La combinazione delle tre forze: calore, forza di Coriolis, venti, imprime alle correnti un movimento circolare, in senso orario nel nostro emisfero e antiorario nell'altro.
Nell'emisfero boreale ci sono due grandi circuiti in senso orario; pacifico e atlantico; nell'emisfero australe i circuiti sono tre in senso antiorario: pacifico, atlantico, indiano.

Le correnti orizzontali possono essere calde, se provengono dalle basse latitudini, e fredde, se partono dalle zone polari.
La più nota corrente calda è la Corrente del Golfo che, partendo dai Caraibi con una temperatura di circa 28 °C, attraversa l'oceano Atlantico è mitiga il clima della Gran Bretagna, Islanda, Norvegia, mentre un ramo torna verso sud a completare il circuito. La forza di Coriolis, infatti, non la fa costeggiare l'America del nord, ma l'Europa.
Quella del Perù, invece è una corrente fredda, quindi contiene una grande quantità di ossigeno, plancton e krill, che rendono le coste occidentali dell'America meridionale assai pescose.
Le correnti fredde superficiali dell'emisfero settentrionale scorrono verso sud, mentre nell'emisfero meridionale l'acqua fredda circola intorno all'Antartide.
Per le altre correnti si veda la cartina sottostante.

Correnti profonde

Le correnti profonde, come abbiamo descritto sopra, non dipendono dai venti ma da un gradiente di densità sia orizzontale (dall'Equatore verso i Poli), sia verticale (dalla superficie verso le profondità abissali e viceversa), a sua volta determinate dalla temperatura e dalla salinità.
Le acque fredde e salate che si formano per il congelamento lungo le coste antartiche sono talmente dense che precipitano al fondo e da qui si irradiano verso l'equatore.
Altri dettagli si trovano nel successivo paragrafo.

Modello del nastro trasportatore

Come abbiamo notato dalla descrizione, correnti verticali, orizzontali, di superficie e profondità, sono tra loro interconnesse.
Un modello globale semplificato della circolazione termoalina che le riassume è quello del nastro trasportatore, il quale trasferisce acqua calda dall'Equatore alle alte latitudini e acque fredde nel verso opposto.

Nell'Oceano Atlantico settentrionale l'acqua si raffredda diventando più salata - perché nella formazione del ghiaccio vengono espulsi i sali - e più densa, perciò sprofonda per la bassa temperatura e l'elevata densità (corrente verticale discendente).
Da qui la corrente profonda fredda (Corrente Nord-Atlantica Profonda) attraversa tutto il fondo dell'Oceano Atlantico fino all'Antartide unendosi alla Corrente Circumpolare profonda che scorre attorno al continente, prodotta, come quella artica, dal raffreddamento e dall'espulsione dei sali.
Dall'Antartide una parte della corrente profonda fredda (Corrente Antartica Profonda) si dirige verso l'Oceano Pacifico e un altro ramo verso l'Oceano Indiano.
A sud dell'Oceano Indiano risale unendosi alla corrente superficiale calda proveniente dal Pacifico attraverso l'arcipelago indonesiano, a sua volta derivante dalla risalita dell'altra diramazione, grazie all'evaporazione e alla diminuzione di densità dovuta al rimescolamento con le acque sovrastanti meno salate.
Diventata una corrente superficiale calda, scende verso sud e verso ovest, ritornando, sempre come corrente superficiale nell'Atlantico meridionale, per poi scorrere verso l'Equatore, aumentando la sua temperatura, e poi verso le alte latitudini (Corrente del Golfo), mitigando il clima dell'Europa e ricominciare il ciclo che può impiegare circa mille anni.

Le maree

Le maree sono oscillazioni periodiche del livello marino dovute all'attrazione della Luna e del Sole sui mari e anche sull'atmosfera.

Su ciascun punto della superficie marina agiscono contemporaneamente tre forze:

• la forza di gravità che la Terra esercita dalla superficie verso il centro;
• l'attrazione gravitazionale che la Luna esercita sulla superficie del mare;
• la forza centrifuga, dovuta alla rotazione terrestre intorno al baricentro Terra-Luna (che si trova a circa 4700 km dal centro della Terra).

In genere nei diversi testi si trascura la forza di gravità per esigenze didattiche, ma è responsabile della quasi totalità del peso; le altre due forze producono infime variazioni del peso. Infatti, rispetto alle dimensioni della Terra le variazioni di livello marino sono minime.
La risultante di queste tre forze genera le maree nella seguente maniera.

Quando la Luna culmina sul meridiano di un dato punto del mare, si ha teoricamente (vedremo più avanti il motivo) l'alta marea (flusso) perché la forza di attrazione della Luna e la forza centrifuga - la prima, alta perché la Luna è più vicina, maggiore della seconda, bassa perché il baricentro è vicino - hanno la stessa direzione e verso concorde e la loro somma supera quella della gravità terrestre, che ha verso opposto, per cui la risultante è una forza diretta verso il baricentro lunare che induce l'innalzamento del livello marino.

A questo punto ci si aspetterebbe una sola alta marea al giorno; invece, contemporaneamente si solleva il livello marino anche dalla parte opposta della Terra, cioè sull'antimeridiano perché, anche se la forza gravitazionale terrestre e l'attrazione lunare (bassa perché più lontana dalla Luna) sono concordi e con il verso che contrasta l'innalzamento del livello marino, la forza centrifuga, pur avendo verso opposto alle altre due, ha un'intensità superiore a queste perché più lontana dal baricentro del sistema Terra-Luna. La risultante è quindi un'alta marea.

Vediamo ora cosa succede ai poli.
La forza centrifuga e l'attrazione lunare hanno intensità intermedia rispetto ai punti considerati in precedenza. Con la regola del parallelogramma si trova la risultante tra la forza centrifuga e l'attrazione lunare. Il vettore ottenuto è rivolto verso il centro della Terra. A questo si deve sommare la forza di gravità, che ha la stessa direzione e lo stesso verso. In alternativa posso fare la composizione dei tre vettori applicando la regola del poligono. Il risultato è una bassa marea (riflusso).

Nella figura si immagina la Terra completamente ricoperta da uno strato uniforme e di notevole livello d'acqua; tutti gli elementi non sono in proporzione e non è stata considerata la forza di gravità. Cliccando sull'immagine sono mostrate due figure con i vettori in proporzione tra loro (non alla forza reale): la prima senza e la seconda con la forza di gravità, ma ai poli la forza di gravità non è stata sommata per motivi grafici.
 

L'intervallo tra due alte maree successive è di 12^h 25^m, cioè ci sono due alte maree (flusso) e due basse maree (riflusso) al giorno.
Non sono 24 ore esatte perché in un giorno la Luna percorre un tratto di orbita attorno alla Terra, culminando sullo stesso meridiano con circa 50 minuti di ritardo, perciò anche l'alta marea subirà lo stesso ritardo.

La differenza tra l'alta e la bassa marea si chiama ampiezza di marea, o escursione di marea, e può variare da pochi centimetri (20 ÷ 50 cm nel Mediterraneo) a parecchi metri (19,60 m nella baia di Fundy in Canada).

Non solo la Luna esercita un'attrazione gravitazionale sulla superficie terrestre, ma anche il Sole, però con un'intensità minore (il rapporto di forza di attrazione Luna-Sole è 2,2 : 1) perché, pur avendo una massa molto grande, è anche molto lontano.
Quando la Luna e il Sole sono in congiunzione o in opposizione, gli effetti attrattivi si sommano, verificandosi nella stessa direzione, perciò abbiamo le maree vive o sizigiali, più ampie del 20% rispetto alle maree medie. Queste si verificano quando c'è la Luna piena o la Luna nuova.
Quando invece i due astri sono in quadratura, gli effetti si elidono parzialmente perché le forze di marea sono tra loro perpendicolari, perciò si hanno le maree morte o maree di quadratura, inferiori alle precedenti del 20%.
L'ampiezza delle maree perciò aumenta e diminuisce ciclicamente, con un periodo di circa quindici giorni. Gli effetti degli altri corpi celesti sono trascurabili.

Il fenomeno delle maree è in realtà molto più complesso perché si devono considerare altri fattori.

• La Luna non si trova quasi mai sul piano equatoriale terrestre, tranne che nei giorni in cui passa per i nodi.
• L'orbita lunare è ellittica, quindi può essere più vicina o più lontana dalla Terra; quando è in perigeo (marea di perigeo) la marea è più ampia di quella media del 15 ÷ 20%. L'intervallo tra due perigei successivi è di circa 27,5 giorni. La marea di apogeo è di circa il 20% inferiore della marea media.

Tra gli altri fattori occorre considerare anche l'inerzia dell'acqua, la morfologia del fondale e l'attrito con il fondo; questi fattori provocano un ritardo rispetto al culmine della Luna chiamato ora di porto.

Le linee cotidali uniscono i punti nei quali l'alta marea avviene contemporaneamente.

Caso significativo di marea è l'acqua alta di Venezia.
Il Mare Adriatico è stretto e lungo. Quando su di esso spira per molto tempo il vento di Scirocco da sud-est, spinge le acque verso le coste venete; l'effetto è accentuato se sulla Pianura Padana si ha una zona di bassa pressione che richiama aria da sud-est e se si tratta di una marea sizigiale. Il risultato è un allagamento delle piazze e dei primi piani delle abitazioni veneziane.