La Meteorologia e l'Oceanografia sono scienze fisiche il cui scopo è quello di comprendere i processi che avvengono nell'ambiente e descriverli, analizzarli e prevederli in termini quantitativi.
Una forma comune di esprimere i processi in termini quantitativi è attraverso i concetti di Ciclo e di Bilancio.
Su scala temporale geologica, tutti i processi che avvengono sulla Terra sono basati su una riserva costante di materiali.
Le modalità con cui questi sono presenti cambiano costantemente. In uno stato di equilibrio questi cambiamenti devono essere ciclici.
Attraverso i cicli si esprime questo principio di equilibrio in maniera qualitativa. Con i bilanci vi si associano delle quantità, definendo dei tassi di cambiamento tra stati differenti del ciclo
Questo paragrafo presenta 4 esempi.
La Terra è l'unico pianeta del sistema solare sulla cui superficie è presente acqua allo stato liquido. L'acqua è la sola sostanza che, nel campo di pressioni e temperature che si possono avere sulla Terra, è presente nello stato solido, liquido e gassoso. Il ciclo dell'acqua è perciò di fondamentale importanza per molti processi che avvengono solo sulla Terra. Al confronto, i pianeti piú esterni del nostro sistema solare (Saturno, Giove, Urano, Nettuno e Plutone) e le loro lune sono troppo freddi per contenere acqua che non sia allo stato solido; i pianeti piú interni (Mercurio e Venere) sono troppo caldi per avere acqua che non sia allo stato gassoso; Marte attualmente è troppo freddo, ma in altre epoche della sua storia potrebbe aver presentato acqua allo stato liquido sulla superficie. Nell'attuale stadio di sviluppo del sistema solare la Terra è l'unico pianeta che contiene l'acqua in tutte e tre le fasi.
Figura 1
Come molti altri cicli, il ciclo dell'acqua comprende processi che agiscono nel mondo vivente e non vivente: le precipitazioni e l'evaporazione oceanica collegano oceano e atmosfera; l'evaporazione dal suolo e la traspirazione della vegetazione collegano atmosfera e biosfera.
Nel contesto della Meteorologia e dell'Oceanografia, l'effetto della biosfera viene espresso quantitativamente come un singolo processo, chiamato evapotraspirazione. Il ciclo dell'acqua descrive poi le componenti di base del sistema combinato oceano-atmosfera.
Associato ad ogni Ciclo c'è un Bilancio. Un ciclo rappresenta una descrizione qualitativa dei processi, il bilancio lo trasforma in una dichiarazione quantitativa. Distinguiamo tra bilancio statico, che ci dice la quota parte disponibile di un certo materiale e come è distribuito tra i diversi compartimenti, e bilancio dinamico, che quantifica quanto rapidamente il materiale si muove tra i compartimenti. I cicli definiscono i processi; i bilanci forniscono risposte a domande come: "Se una certa percentuale della prateria esistente in Australia Occidentale viene rimpiazzata da campi di frumento, in quale modo il Ciclo dell'acqua viene influenzato ?"
Analizziamo la distribuzione dell'acqua sulla Terra (bilancio statico); questo bilancio mostra dove si trova l'acqua:
| Regione | Volume (103 km3) | % del totale |
|---|---|---|
| Oceani | 1.350.000 | 94,12 |
| Acqua sotterranee | 60.000 | 4,18 |
| Ghiaccio | 24.000 | 1,67 |
| Laghi | 230 | 0,016 |
| Umidità del suolo | 82 | 0,006 |
| Atmosfera | 14 | 0,001 |
| Fiumi | 1 | - |
| Basato su M. J. Lvovich: World water balance; in: Symposium on world water balance, UNESCO/IASH publication 93, Paris 1971. | ||
Il bilancio statico dimostra l'importanza delle calotte glaciali per il ciclo globale dell'acqua: ogni cambio nelle condizioni atmosferiche o oceaniche che riguarda una parte significativa dell'acqua che è immagazzinata sotto forma di ghiaccio produrrà una variazione rilevante nel ciclo dell'acqua. A confronto l'atmosfera sembra insignificante, ma l'importante ruolo svolto diventa chiaro quando si considera il bilancio dinamico.
Vediamo ora le varie parti del ciclo dell'acqua sulla Terra (bilancio dinamico); questo bilancio mostra come l'acqua si muove tra l'atmosfera e l'idrosfera:
| Processo | Quantità (m3 all'anno) |
|---|---|
| Precipitazioni sulll'oceano | 3,24 . 1014 |
| Evaporazione dall'oceano | -3,60 . 1014 |
| Precipitazioni sulla terra | 0,98 . 1014 |
| Evaporazione dalla terra | -0,62 . 1014 |
| Guadagno netto sulla terra = apporto dei fiumi | 0,36 . 1014 |
Il bilancio del flusso mostra che la maggior parte dello scambio d'acqua tra i compartimenti è tra l'oceano e l'atmosfera, visto che quest'ultima è un elemento estremamente dinamico del sistema nonostante il suo basso contenuto istantaneo d'acqua. Il movimento dell'acqua tra l'oceano e l'atmosfera nell'arco di poche decadi è equivalente alla quantità d'acqua totale immagazzinata nelle calotte glaciali.
Il ciclo del sale riguarda l'oceano, la geosfera e, in maniera molto minore, l'atmosfera.
I minerali sono liscivati dalle rocce attraverso il flusso delle acque sotterranee e l'erosione superficiale. Essi entrano nei fiumi e da lì negli oceani in cui si accumulano, rendendo le acque del mare salate. Gli ioni del sale sono poi rimossi dall'acqua ed entrano nei sedimenti per azione chimica.
Dai sedimenti si forma nuova roccia che riporta di nuovo i materiali nella geosfera.
Vaporizzato dai venti che soffiano sul mare, il sale può arrivare nell'atmosfera e da qui può giungere fino a terra, costituendo così un piccolo percorso nel ciclo globale del sale, dal mare alla terra.
Siccome il ciclo del sale opera su grandi scale temporali, nell'Oceanografia non vi è interesse nello stabilire un bilancio statico del sale.
Il ciclo del sale opera su grandi scale temporali, così che stabilire un bilancio del flusso di sale non è un compito contemplato dall'Oceanografia. La seguente tabella dà un idea delle scale temporali a cui ci si riferisce:
| Elemento | Quantità nella crosta (%) | Tempo di residenza (anni) |
|---|---|---|
| Alcuni costituenti principali del sale marino: | ||
| sodio (Na) | 2,4 | 60.000.000 |
| cloro (Cl) | 0,013 | 80.000.000 |
| magnesio (Mg) | 2,3 | 10.000.000 |
| Alcuni costituenti minori del sale marino: | ||
| plombo (Pb) | 0,001 | 400 |
| ferro (Fe) | 2,4 | 100 |
| aluminio (Al) | 6,0 | 100 |
Il concetto di salinità è l'argomento della Lezione 3.
Figura 2
I nutrienti sono essenziali per la vita degli animali e delle piante.
Essi sono soggetti ad un ciclo sulla terra e negli oceani. Sulla terra i nutrienti vengono assorbiti dal suolo dalle piante e ritornano al suolo attraverso la decomposizione di materia organica. Questo è un ciclo chiuso su un scala temporale relativamente breve, determinato dai processi di decomposizione e dai tempi di vita delle piante, degli animali e degli esseri umani.
In società sviluppate, il ciclo viene rotto solo per il consumo di nutrienti da parte delle popolazioni delle grandi città, che non li restituiscono alla terra ma invece li confinano nei sistemi fognari. Così, per causa dell'agricoltura, si ha una perdita di nutrienti che viene compensata dal prelievo di fertilizzanti minerali dalla riserva di materiali della geosfera.
Quest'influenza antropica introduce un collegamento con un ciclo dei nutrienti su scala temporale molto piú lunga, definita dalla formazione di depositi minerali. Questa situazione è simile a quella di cui si parlerà piú avanti per il ciclo del carbonio, ma non implica le medesime conseguenze immediate. L'aumento dei nutrienti disponibili per il ciclo "veloce", da cui dipendono i processi vitali e l'agricoltura, è molto lento, e gran parte dei minerali introdotti vengono rimossi da questo ciclo attraverso la componente marina.
In mare, l'utilizzo di nutrienti da parte delle piante avviene nello strato superficiale raggiunto dalla luce solare, in cui avviene la fotosintesi. La maggior parte dei nutrienti è rimossa dalla zona eufotica e trasferita nelle profondità oceaniche quando gli organismi morti si inabissano verso il fondo del mare, dove escono dal ciclo "veloce" dei nutrienti. Negli strati piú profondi la materia organica viene rimineralizzata, cioè i nutrienti sono riportati in soluzione. Quindi, il mare non può sostenere ecosistemi altamente produttivi tranne in luoghi in cui i nutrienti ritornano nella zona eufotica dagli strati piú profondi, cioè nelle regioni caratterizzate dal fenomeno della risalita. Il ciclo dei nutrienti viene discusso nel dettaglio nella Lezione 5, la risalita nella Lezione 6.
Figura 3
In natura, il ciclo del carbonio opera su due differenti scale temporali e coinvolge l'oceano, l'atmosfera, la geosfera e la biosfera.
Sulla scala temporale geologica il carbonio è rilasciato nell'atmosfera e nell'oceano attraverso il degrado di rocce carbonacee come i calcari. Il carbonio ritorna a questa enorme riserva di immagazzinamento quando si formano nuove rocce attraverso la deposizione di sedimenti.
Sulla scala temporale climatica piú breve il carbonio è scambiato tra l'atmosfera, l'oceano e gli organismi viventi e morti.
Il ciclo del carbonio avviene a entrambe le scale temporali, ma per la maggior parte degli scopi pratici il bilancio del carbonio e del flusso del carbonio generalmente non considerano la scala temporale geologica.
Questa separazione delle scale temporali è stata alterata significativamente dalla combustione dei combustibili fossili. Questo processo apporta anidride carbonica all'atmosfera, aumentando così la capacità dell'atmosfera di trattenere l'energia termica ricevuta dal sole (effetto serra). Le tabelle che seguono danno alcune stime attuali del bilancio del carbonio e del del flusso di carbonio:
| Regione | Quantità (Gt carbonio; 1 Gt = 1015 g) | |
|---|---|---|
| prima del cambio antropogenico | dopo il cambio antropogenico | |
| piante terrestri | 610 | 550 |
| suolo e humus | 1,500 | nessun cambio |
| atmosfera | 600 | 750 (+3,4 all'anno) |
| oceano superiore | 1000 | 1020 (+0,4 all'anno) |
| vita marina | 3 | nessun cambio |
| carbonio organico disciolto | 700 | nessun cambio |
| a profondità media e nell'oceano profondo | 38000 | 38100 (+1,6 all'anno) |
| da | a | quantità (Gt di carbono all'anno; 1 Gt = 1015 g) | |
| naturale | antropogenico | ||
| atmosfera | piante terrestri | 100 (a) | |
| oceano | 74 (d) | 18 | |
| piante terrestri | atmosfera | 50 (a) | |
| suolo e humus | 50 (a) | ||
| suolo e humus | atmosfera | 50 (a) | |
| deforestazione | atmosfera | circa 1,9 | |
| combustibile fossile | atmosfera | circa 5,4 | |
| profondità oceaniche | oceano superiore | 0,4 | |
| a profondità media e nell'oceano profondo | 1,6 | ||
| fiumi | oceano | 0,8 | |
| oceano superiore | atmosfera | 74 (d) | 16 |
| vita marina | circa 40 (b) | ||
| a profondità media e nell'oceano profondo | 90 (c) | 5,6 | |
| vida marinha | oceano superiore | circa 30 (b) | |
| a profondità media e nell'oceano profondo | 4 (b) | ||
| carbonio organico disciolto | 6 (b) | ||
| carbonio organico disciolto | a profondità media e nell'oceano profondo | 6 (c) | |
| a profondità media e nell'oceano profondo | oceano superiore | 100 (c) | |
| sedimento | 0.13 | ||
Definire dei cicli, come quello dell'acqua, dei nutrienti e del carbonio, è una maniera utile di descrivere l'equilibrio che risulta dal bilancio di forze.
I bilanci e i bilanci di flusso quantificano i processi coinvolti nei cicli.