L'acqua di mare è una miscela composta per il 96.5% da acqua pura e per il 3.5% da altre sostanze, tra cui sali, gas disciolti, sostanze organiche e particelle non solubili. Le sue proprietà fisiche, che saranno descritte per prime, sono determinate principalmente dalla percentuale di acqua pura.

L'acqua pura presenta molte proprietà insolite, se confrontata con fluidi di analoga composizione. Questo è dovuto alla particolare struttura delle molecole di H₂O. Gli atomi di idrogeno hanno carica elettrica positiva, l'atomo di ossigeno ha due cariche con valenza negativa, ma la disposizione della molecola d'acqua è tale che le sue cariche non sono neutralizzate (si osservi la Figura 3.1: le cariche sarebbero neutralizzate se l'angolo raffigurato fosse di 180º invece che di 105º).

Le conseguenze principali della struttura molecolare dell'acqua pura sono:

1. La molecola dell'acqua è un dipolo elettrico, che forma aggregati di piú molecole (polimeri), che sono mediamente 6 quando la temperatura dell'acqua è di circa 20º C. Perciò, l'acqua reagisce piú lentamente ai cambiamenti di quanto non facciano le singole molecole; ad esempio il punto di ebollizione è spostato da -80º C a 100º C, e il punto di congelamento da -110º C a 0º C.
Figura 3.2
2. L'acqua ha un insolito potere dissociativo, essendo capace di separare i materiali disciolti in ioni carichi elettricamente (Figura 3.2). Di conseguenza, il materiale disciolto aumenta notevolmente la conducibilità elettrica dell'acqua. La conducibilità dell'acqua pura è relativamente bassa, ma quella del l'acqua di mare è a metà tra quella dell'acqua pura e quella del rame. La resistenza di cui è dotata l'acqua di mare con un contenuto di sali del 3.5% a 20ºC sulla distanza di 13 km è circa uguale a quella dell'acqua pura sulla distanza di 1 mm.
3. L'angolo di circa 105º è prossimo all'ampiezza degli angoli di un tetraedro, cioè una struttura che ha quattro rami che si sviluppano dal centro con angoli uguali tra loro (109º 28'). Come risultato gli atomi di ossigeno nell'acqua tendono ad avere quattro atomi di idrogeno attaccati con una disposizione di forma tetragonale (Figura 3.1). Questo è chiamato "Legame idrogeno", diverso dal legame ionico e covalente. Il legame idrogeno necessita di una energia 10-100 volte inferiore a quella che lega le molecole, e questo rende l'acqua estremamente incline a reazioni appena cambiano le condizioni chimiche.
Figura 3.3
4. I tetraedri hanno una struttura piú dispersa rispetto all'impacchettamento molecolare piú denso. Essi formano un aggregato di una, due, quattro o otto molecole. Ad alte temperature prevalgono gli aggregati con una o due molecole. A temperature minori si ha una prevalenza di aggregati piú grandi (Figura 3.3). Questi occupano meno spazio dello stesso numero di molecole organizzate in aggregati piú piccoli. Di conseguenza, la densità dell'acqua mostra un valore massimo a 4ºC.

Le proprietà fisiche di molte sostanze mostrano in genere una variazione uniforme al variare della temperatura. Al contrario, molte proprietà fisiche dell'acqua pura mostrano un minimo a temperature intermedie. La velocità del suono è massima a 74º C (Tabella 3.1).

Elenco di alcuni minimi di temperatura
Proprietà fisiche dell facqua e valore della temperatura (in º C) alla quale si registra il valore minimo.
Solubilità ossigeno	80
Volume specifico	4
Calore specifico	34
Solubilità idrogeno	37
Compressibilità	44
Velocità della luce	-1
velocità del suono (massimo)	74

Quando l'acqua congela tutte le sue molecole formano tetraedri. Questo provoca una espansione volumetrica e una conseguente diminuzione della densità. Dunque, l'acqua allo stato solido è piú leggera dell'acqua allo stato liquido, ed è una proprietà alquanto rara per una sostanza. Alcune importanti conseguenze di questo fenomeno sono:

1. Il ghiaccio galleggia. Ciò è importante per la vita nei laghi, perché il ghiaccio agisce da isolante impedendo la perdita di calore e quindi il congelamento dell'acqua dalla superficie fino al fondo.
2. Quando si raggiunge il punto di congelamento, la densità dell'acqua mostra una diminuzione repentina. La successiva espansione durante il congelamento è la maggiore causa di degradazione delle rocce.
3. Il punto di congelamento diminuisce all'aumentare della pressione. Di conseguenza, l'acqua si scongela alla base dei ghiacciai, favorendone lo scorrimento.
4. 4. A determinate pressioni i legami idrogeno spariscono dando al ghiaccio un comportamento plastico. Di conseguenza, il ghiaccio presente sulla terra ferma nelle regioni dell'Artico e dell'Antartico scorre esponendo gli iceberg alle correnti esterne. Senza questo processo tutta l'acqua presente nelle regioni polari si troverebbe allo stato solido.

Il concetto di salinità

Come sopra riportato, l'acqua del mare contiene il 3.5% di sali, gas, sostanze organiche e particellato indissoluto. La presenza di questi elementi non determina, ma condiziona la maggior parte delle proprietà (densità, compressibilità, punto di congelamento, temperatura alla densità massima). Alcune proprietà (viscosità, assorbimento della luce) non sono particolarmente condizionate dalla salinità. La conduttività e la pressione osmotica sono due proprietà determinate dalla quantità di sale negli oceani.

In teoria, la salinità dovrebbe essere la somma delle concentrazioni di tutti i sali disciolti nell'acqua di mare (misurata in grammi di sale/chilogrammi d'acqua). Questo però è difficile da misurare nella pratica. Il fatto che i vari componenti contribuiscono alla salinità secondo un rapporto costante (indipendentemente dalla quantità di sale contenuta nel mare) aiuta a superare questa difficoltà. Infatti è possibile determinare il contenuto di sale attraverso la misura di una grandezza differente, e calcolare la totalità del materiale disciolto con una sola misura.

Quindi, la salinità dovrebbe essere determinata dalla misurazione del componente principale: il cloruro. Il contenuto di cloruro fu definito nel 1902 come la somma totale in grammi degli ioni di cloro contenuti in un chilo di acqua di mare quando tutti gli alogeni sono rimpiazzati da cloruri. Questa definizione deriva dal processo chimico chiamato Titolazione, usato per la determinazione del contenuto di cloruri, ed è ancora importante quando si studiano dati storici.

La salinità fu definita come la quantità totale in grammi di sostanze disciolte contenute in un chilogrammo di acqua di mare quando tutti i carbonati sono convertiti in ossidi, tutti i bromuri e gli ioduri in cloruri, e tutte le sostanze organiche ossidate. La relazione tra la salinità e la concentrazione di cloruri è stata determinata attraverso una serie di misure di laboratorio eseguite su campioni dell'acqua di mare provenienti da tutti gli oceani del mondo ed è stata data dalla seguente formula:

\[ S(\text{‰}) = 0.03 + 1.805\;Cl\;(\text{‰}) \quad (1902) \]

Il simbolo $\text{‰}$ sta per "parti per migliaia" o "per mille"; un contenuto di sale pari a 3.5% è equivalente a $35\;\text{‰}$, o 35 grammi di sale per chilogrammo di acqua di mare.

Il fatto che l'equazione del 1902 dia una salinità di $0.03\;\text{‰}$ per valori di clorinità pari a zero ha causato perplessità. Sta ad indicare un problema nei campioni di acqua usati per le misure di laboratorio. La United Nations Scientific, Education and Cultural Organization (UNESCO) decise di ripetere la determinazione di base della relazione tra la clorinità e la salinità introducendo una nuova definizione, nota come salinità assoluta:

\[ S(\text{‰}) = 1.80655\;Cl\;(\text{‰}) \quad (1969) \]

Le definizioni del 1902 e del 1969 danno risultati identici per un valore di salinità del $35\text{‰}$ e non divergono significativamente per la maggior parte delle applicazioni.

La definizione di salinità fu rivisita di nuovo quando fu sviluppata una tecnica per poterla determinare dalle misure di conduttività, temperatura e pressione. Dal 1978, la "Scala Pratica della Salinità" la definisce in termini di rapporto della conduttività:

La salinità pratica (S) di un campione di acqua di mare, è definita in termini del rapporto K della conduttività elettrica del campione di acqua di mare a 15º C sottoposto alla pressione di una atmosfera, rispetto a quella di una soluzione di cloruro di potassio (KCl) nella quale la frazione della massa di KCl è 0.0324356, alle stesse condizioni di temperatura e pressione. Il valore K esattamente pari a 1 corrisponde, per definizione, ad una salinità pratica pari a 35. La relativa equazione è:

\[ S = 0.0080 - 0.1692\;K^{1/2} + 25.3853\;K + 14.0941\;K^{3/2} - 7.0261\;K^2 + 2.7081\;K^{5/2} \]

Notare che in questa definizione, la salinità è un coefficiente e pertanto il simbolo $\text{‰}$ non è usato ed al vecchio valore di $35\text{‰}$ corrisponde il numero 35. Alcuni oceanografi non sono abituati ad usare numeri senza unità di misura per definire la salinità e quindi scrivono 35 psu che significa "practical salinity unit". Ma siccome è un coefficiente, la salinità pratica è adimensionale, quindi l'utilizzo dell'unità psu è insensato e pertanto fortemente sconsigliato. Tra la vecchia e la nuova definizione di salinità esistono dunque piccole differenze, ma ai fini pratici sono trascurabili.

La conducibilità elettrica

La conducibilità dell'acqua di mare dipende dal numero di ioni disciolti per unità di volume (cioè dalla salinità) e dalla mobilità degli stessi (cioè dalla temperatura e dalla pressione). La sua unità di misura è mS/cm (milli-Siemens per centimetro). La conducibilità cresce della stessa quantità con un aumento di salinità di 0.01, un aumento di temperatura di 0.01º C o un aumento di profondità (quindi di pressione) di 20 m.

Densità

La densità è uno dei parametri piú importanti nello studio della dinamica degli Oceani. Piccole differenze di densità in direzione orizzontale (causate per esempio da piccole differenze nel riscaldamento di superficie) possono produrre correnti molto forti. La determinazione della densità è stato uno dei compiti piú importanti dell'oceanografia. Il simbolo greco per la densità è la lettera ρ (rho).

La densità del mare dipende dalla temperatura T, dalla salinità S e dalla pressione p. Questa dipendenza è conosciuta come Equazione di stato dell'acqua di mare.

L'equazione di stato di un gas ideale è data da:

\[ p = \rho\;R\;T \]

dove R è la costante universale dei gas. L'acqua di mare non è un gas ideale, ma rispetto a piccole variazioni di temperatura vi si avvicina molto. L'equazione esatta per gli interi intervalli di temperatura, salinità e pressione che si hanno negli oceani

\[ \rho = \rho (T, S, p) \]

(dove S è la salinità) è il risultato di molte accurate determinazioni di laboratorio. Le prime determinazioni fondamentali per stabilire l'equazione furono fatte nel 1902 da Knudsen e Ekman. La loro equazione determinò in g/cm³. Nuove determinazioni fondamentali, basate su dati in un intervallo di pressione e salinità piú ampio, portarono a una nuova equazione, conosciuta come "Equazione internazionale di Stato (1980)". Questa equazione utilizza la temperatura in º C, la salinità pratica standard, la pressione in dbar (1 dbar = 10.000 pascal = 10.000 N m^-2) ed esprime la densità in kg/m³. Dunque, ad una densità di 1.025 g/cm³ nella vecchia formula, corrisponde una densità di 1025 kg/m³ nella Equazione internazionale di stato.

La densità aumenta al crescere della salinità e al diminuire della temperatura, tranne che per temperature al di sotto di quella corrispondente al valore massimo di densità (linea rossa, Figura 3.4). La densità degli oceani è prossima ai 1025 kg/m³ (quella dell'acqua dolce è prossima a 1000 kg/m³). Gli oceanografi solitamente usano per la densità il simbolo $\sigma_t$ (la lettera greca sigma con il pedice t), che si pronuncia "sigma-t". Questa grandezza si definisce come $\sigma_t = ρ - 1000$ e solitamente non ha unità di misura (dovrebbe avere le stesse unità di ρ). Una densità di acqua di mare tipica è $\sigma_t = 25$ (Figura 3.5).

Un'utile regola pratica è che $\sigma_t$ cambia della stessa quantità quando $T$ varia di 1ºC, $S$ di 0.1 e $p$ della quantità equivalente a un cambio di 50 m di profondità.

Si noti che per salinità al di sotto di 24.7 il massimo valore di densità è al di sopra del punto di congelamento, ma per valori di salinità superiori a 24.7 al di sotto di esso. Questo controlla la convezione termica:

• $S < 24.7$: L'acqua raffredda fino a quando non raggiunge il valore massimo di densità; poi, quando l'acqua superficiale diventa piú leggera (cioè dopo che il massimo della densità è stato superato) il raffreddamento è confinato allo strato miscelato dal vento, che alla fine congela in superficie. I bacini profondi contengono acqua alla densità massima.
• $S > 24,7$: La convezione interessa sempre l'intera massa d'acqua. Il raffreddamento rallenta perché una grande quantità di calore è immagazzinata nella massa d'acqua stessa. Questo si verifica in quanto il punto di congelamento viene raggiunto prima del valore massimo di densità.

Se il vostro browser supporta JavaScript, con il seguente programma potete calcolare la densità dell'acqua di mare in funzione della sua temperatura e salinità alla pressione di superficie. Inserite un valore di temperatura e di salinità e fate girare il programma. Verificate poi i risultati rispetto al diagramma TS appropriato (Figura 3.4 o Figura 3.5).

Calcolo basato su Fofonoff, P. and R. C. Millard Jr (1983)