Per molti anni la Flinders University of South Australia ha presentato il corso di Scienze della Terra, materia del primo anno, in due parti. La parte del primo semestre, Scienze delle Terra 1A, riguarda l'inquadramento della Terra nell'universo, alcuni aspetti della Geologia e un'introduzione alla Geofisica e all'Idrologia. La Meteorologia e l'Oceanografia fisica vengono trattate nella parte del secondo semestre, Scienze della Terra 1B.

All'inizio del 2000 le due parti della materia sono state modificate: nel primo semestre Scienze della Terra 1 continua con lo stesso contenuto mentre nel secondo si insegna Scienze Marine 1. Questa parte riguarda principalmente la Meteorologia e l'Oceanografia fisica, ma presenta anche un'introduzione elementare agli aspetti di Biologia marina.

Queste dispense trattano la parte di Oceanografia fisica. In più, due lezioni introduttive inquadrano gli aspetti atmosferici e oceanografici della materia nel contesto delle scienze esatte; si tratta di una versione abbreviata delle prime due lezioni impartite all'inizio del semestre.

Scopi generali e obiettivi

• Dare agli studenti esperienza pratica riguardo alla generale metodologia scientifica, includendo la sperimentazione di laboratorio e sul campo e la stesura di testi scientifici.
• Aiutare gli studenti a sviluppare e conoscere i principi ed i processi unificanti che sono fondamentali per capire l'evoluzione e il comportamento del pianeta Terra, con particolare attenzione agli aspetti riguardanti l'atmosfera e gli oceani.
• Incoraggiare il pensiero critico e aiutare nello sviluppo di abilità quantitative e qualitative di soluzione dei problemi.
• Aiutare allo sviluppo di abilità di comunicazione e lavoro di squadra in un ambiente tecnico.

Obiettivi specifici del programma

• Dare una panoramica dei processi che determinano lo stato dell'atmosfera e dell'oceano e delle loro dinamiche.
• Descrivere il nostro ambiente planetario attraverso i cicli ed i processi che controllano il suo comportamento.
• Descrivere i processi e i fenomeni che influenzano direttamente la natura e il comportamento del "fluido" Terra, cioè la composizione dell'atmosfera e dell'acqua del mare, il bilancio di forze che genera i venti, le correnti oceaniche e le onde in entrambi i mezzi e la loro influenza sul clima.
• Descrivere i processi naturali, atmosferici e oceanografici, che influenzano l'utilizzo delle risorse della Terra (inclusi gli usi industriali, commerciali e ricreazionali) e la loro conservazione.
• Far capire agli studenti l'importanza della comprensione scientifica sia dei processi fisici che si verificano nell'oceano e nell'atmosfera che delle forze che li governano, per affrontare problemi di inquinamento e gestione ambientale.

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Che cosa impareremo oggi ?

1. L'ambiente Terra è modellato dalla presenza della vita.
2. Capire l'ambiente vuol dire comprendere l'interazione tra la biosfera, la geosfera, l'idrosfera e l'atmosfera.
3. Le Scienze della Terra studiano i tre componenti non viventi di questo sistema interattivo.
4. La Geosfera, l'Idrosfera e l'Atmosfera sono fluidi in movimento; si differenziano principalmente per la loro viscosità.
5. Essendo fluidi in movimento presentano alcune caratteristiche comuni, ad esempio convettività, vortici e trasporto di energia attraverso la propagazione di onde.

Le scienze della Meteorologia e dell'Oceanografia studiano i risultati di questi processi nell'atmosfera e nell'oceano.

I componenti viventi e non viventi del sistema interattivo Terra sono modificati dalla loro mutua interazione 'anche le strutture dei componenti non viventi sono determinati dalla presenza della vita (fig. 1).

Questo è molto importante per l'atmosfera; la sua composizione è determinata dalla presenza della vita.

Negli anni '60 al chimico inglese James Lovelock fu dato un contratto dall'agenzia spaziale degli USA NASA per svolgere una ricerca sulla vita extraterrestre, in particolare su Marte e Venere. Notando la grande differenza nella composizione atmosferica tra la Terra e questi due pianeti' e in particolare il fatto che le atmosfere di Venere e Marte sono in un equilibrio morto mentre quella della Terra è in un equilibrio dinamico (che senza la presenza della vita tornerebbe immediatamente ad essere un equilibrio morto) lui e Lynn Margulis, un microbiologo statunitense, svilupparono il concetto Gaia, o Teoria di Gaia.

Essi affermarono che la presenza della vita ha conseguenze profonde che si ripercuotono su tutto il pianeta. Lo sviluppo delle foreste, per esempio, riduce considerevolmente l'albedo (la capacità di riflessione della superficie terrestre). In conseguenza di ci' la Terra è di parecchi gradi più calda di quello che sarebbe senza la presenza della vita. La Teoria di Gaia pertanto stabilisce che il pianeta Terra è un organismo vivente vero e proprio e che gli oceani, le terre, l'aria e le forme di vita non sono altro che organi differenti di un corpo vivente.

Sia che si accetti o no la Teoria di Gaia nella sua formulazione estrema, essa è senza dubbio un'ipotesi scientifica e può resistere ai molti tentativi di convertirla in una religione new age. Il fatto è che la configurazione fisica attuale della Terra (la distribuzione di acqua e ghiaccio, la composizione dell'atmosfera, i processi di degradazione delle rocce e molto altro) è determinata dalla presenza della vita.

Le Scienze moderne hanno riportato grossi successi nello studiare la Terra dividendola in compartimenti (fig. 2) che possono essere studiati separatamente. Non si è abituati a considerare la Terra come un organismo correlato. Questa impostazione "occidentale" di analizzare e comprendere il mondo si riscontra anche nella struttura delle lingue occidentali, che organizzano le frasi attraverso relazioni soggetto-oggetto che stabiliscono sempre una chiara gerarchia padrone-servo. Una frase come "L'ingegnere migliora l'ambiente" ci dice che esiste un ambiente del quale l'ingegnere non fa parte; egli è il padrone dell'ambiente. Le altre culture non dividono il mondo in compartimenti e le loro lingue descrivono la realtà in modo totalmente differente. Ci sono molti esempi di lingue degli Indiani d'America che non contemplano il concetto di soggetto e oggetto; e se un aborigeno australiano dice: "Noi siamo la terra, la terra è noi" esprimono la loro visione della realtà: dividere il mondo in compartimenti puù farti perdere di vista le importanti interazioni tra le varie "sfere".

Bisogna sempre ricordare che la Meteorologia e l'Oceanografia sono solo due compartimenti di un sistema di molte componenti interattive, viventi e non-viventi e che lo studio dei processi attraverso la Meteorologia e l'Oceanografia rappresenta solo un modo di studiare il mondo. Tuttavia, il successo delle scienze occidentali nello spiegare come funzioni il mondo fisico non deve essere rifiutato ciecamente, e infatti dovremo seguire l'impostazione tradizionale.

Con questa premessa, procediamo nello studio dei processi fisici in natura e prendiamo in considerazione tre esempi: convezione, vortici e onde.

Convezione

Un fluido può essere stratificato, ciò vuol dire che la sua densità può variare. In un fluido in stato stabile, la densità deve diminuire dal basso verso l'alto.

La convezione avviene quando questa condizione non è soddisfatta. Si ha instabilità quando la densità del fluido è più alta nella parte superiore piuttosto che in quella inferiore. Allora il fluido meno denso sale verso l'alto e quello più denso scende finchè si raggiunge la stabilità. Il movimento risultante è chiamato convezione.

La convezione rappresenta un bilancio di forze tra gravità e attrito. Una terza forza è richiesta per ristabilire l'instabilità iniziale. La scala spaziale e temporale della convezione dipende dalla viscosità del fluido. Gli esempi nelle figure seguenti mostrano la convezione nella terra "solida"(fig. 4), nell'atmosfera (fig. 5) e nell'oceano (fig. 6).

Vortici

I vortici sono il risultato di instabilità nel movimento di un fluido. Essi implicano un bilancio di forze più complicato di quello che si intende studiare in questo corso, ma sono una caratteristica così comune che è molto istruttivo esaminare alcuni esempi e comparare di nuovo la terra "solida", l'atmosfera e l'oceano. Le somiglianze tra i vortici nell'atmosfera e nell'oceano saranno discussi dettagliatamente più avanti, nella Lezione 1. In questo contesto vale la pena notare che la terra "solida" è sottoposta a processi molto simili, sebbene su scale temporali più ampie.

Nell'atmosfera (fig. 7) e negli (fig. 8) si possono generare vortici a causa di gradienti di vento o di corrente, cioè quando il fluido si muove nella stessa direzione ma a velocità differente. L'alta viscosità della terra 'solida' spesso previene la formazione di vortici anche quando è presente un gradiente di velocità nel movimento del mantello o della crosta. Si ha invece una variazione, seppure lentissima (fig. 9), dell'inclinazione reciproca dei diversi strati.

Onde

Le onde sono il risultato di un bilancio di forze aventi intensità periodicamente variabili e che producono come risultato un movimento periodico del fluido. Le onde sono un mezzo efficace per trasportare energia su grandi distanze.

Più avanti in queste dispense ci saranno ampie opportunità di studiare nel dettaglio l'interazione delle forze coinvolte nel movimento ondulatorio.

In questo paragrafo vediamo le onde come un altro esempio per dimostrare di nuovo che la (fig. 10), l'atmosfera (fig. 11) e l'oceano (fig. 12) sono tre tipi differenti di fluido in movimento.

Le onde si possono generare in molti modi. Gli esempi rappresentati nelle figure rappresentano differenti bilanci di forze. Hanno in comune il fatto che possono essere comprese le loro proprietà e può essere predetto il loro comportamento sulle basi delle Leggi della Fisica.

Che cosa abbiamo imparato oggi?

1. L'ambiente della Terra è modellato dalla presenza della vita.
2. Capire l'ambiente significa comprendere la relazione tra la biosfera, la geosfera, l'idrosfera e l'atmosfera.
3. Le Scienze della Terra studiano le tre componenti non viventi di questo sistema interattivo.
4. La geosfera, l'idrosfera e l'atmosfera sono fluidi in movimento; la loro principale differenza è la viscosità.
5. I fluidi in movimento mostrano caratteristiche comuni: convezione, vorticità, trasporto di energia attraverso la propagazione di onde.

Di cosa tratteranno le prossime lezioni?

Al giorno d'oggi le attività umane ' siano esse industriali, commerciali o ricreazionali ' modellano il nostro ambiente molto più di quanto non lo abbiano fatto fin'ora. La gestione ambientale attiva su scala globale è diventata una necessità.

Le attività umane non possono prescindere dalle Leggi della Natura. La gestione ambientale attiva si deve basare su queste leggi, non può avere successo se prova a opporvisi.

Le scienze della Meteorologia e dell'Oceanografia fisica investigano e spiegano come le leggi della Fisica determinino i processi nell'atmosfera e negli oceani. Queste costituiscono la base per qualsiasi gestione ambientale.

Una gestione ambientale responsabile deve tenere conto di molti fattori, come ad esempio considerazioni economiche, sociali e storiche, ma non può ignorare le Leggi della Fisica.