UNIVERSO ACQUAUNIVERSO ACQUA

Una sostanza per la TerraUna sostanza per la TerraUna sostanza per la vitaUna sostanza per la vita

Parte I

L’acqua e le sue proprietà chimico-fisicheIl ciclo dell’acquaLa distribuzione dell’acqua sulla TerraGli oceani: correnti, maree, onde

• L’acqua è un composto diL’acqua è un composto di idrogeno idrogeno HH e e ossigeno Oossigeno O • Per ogni grammo di idrogeno ci sono 8 grammi di Per ogni grammo di idrogeno ci sono 8 grammi di ossigeno (1 atomo O pesa quanto 16 atomi H)ossigeno (1 atomo O pesa quanto 16 atomi H)• ogni atomo di ossigeno è legato a 2 atomi di ogni atomo di ossigeno è legato a 2 atomi di

idrogeno idrogeno a formare la molecola a formare la molecola HH22OO• I 3 atomi sono tenuti assieme da legami covalentiI 3 atomi sono tenuti assieme da legami covalenti• i nuclei degli atomi O e H attirano gli stessi elettronii nuclei degli atomi O e H attirano gli stessi elettroni• ma quello di O li attira con una forza maggiore!ma quello di O li attira con una forza maggiore!• La molecola HLa molecola H22O non presenta una carica elettrica, O non presenta una carica elettrica, • ma la disomogenea distribuzione degli ma la disomogenea distribuzione degli elettronielettroni ( () ) attorno i attorno i nucleinuclei ( (+) la rende+) la rende polarepolare• La La polaritàpolarità della molecola della molecola HH22OO è alla base è alla base delle eccezionali proprietà dell’acquadelle eccezionali proprietà dell’acqua

Caratteristiche chimiche Caratteristiche chimiche dell’acquadell’acqua

O

H H

---

- -

-

δ

δ+

-

Il legame a Il legame a idrogenoidrogeno

Gli atomi di H di una molecola Gli atomi di H di una molecola vengonovengono

attirati da un atomo Oattirati da un atomo O di un’altra molecoladi un’altra molecola

-Il -Il legame a idrogenolegame a idrogeno è debole, è debole, si forma e si scinde in continuazione si forma e si scinde in continuazione liquidoliquido-per scindere i legami a idrogeno occorre fornire -per scindere i legami a idrogeno occorre fornire energia energia -le molecole si agitano -le molecole si agitano vaporevapore-quando il vapore condensa, si libera l’energia -quando il vapore condensa, si libera l’energia calore latentecalore latente

OH H

δ

δ+

OH

H

δ δ+

δ+

O

H

Hδ

capacità termicacapacità termical’acqua ha una elevatissimacapacità termica

0,736vetro, Pyrex

0,24argento

0,45ferro

0,90alluminio

0,71carbonio, grafite

0,51carbonio, diamante

1,86acqua,vapore

2,03acqua, ghiaccio

4,184acqua, liquida

Calore specifico( J/g C)

sostanza

per elevare di 1°C 1 g di acqua- da 14° a 15°- occorrono4,184 joule, ossia 1 caloria

questa proprietà dipende dai legami a idrogeno:l’agitazione termica dellemolecole viene contrastatadalle forze di attrazione

può immagazzinare grandi quantità di calore senza che la sua temperatura aumenti di molto e lo cede gradualmente

azione calmieratrice sul clima

Le forme dell’acqua sulla Le forme dell’acqua sulla TerraTerra

• L’acqua si trova nei 3 L’acqua si trova nei 3 stati fisicistati fisici

• Liquida Liquida -mari, fiumi, -mari, fiumi, laghi, falde laghi, falde sotterranee-sotterranee-

• Gassosa Gassosa o o vapor vapor d’acqua d’acqua ––atmosfera-atmosfera-

• Solida Solida o o ghiaccioghiaccio – –ghiacciai, banchisa ghiacciai, banchisa polare, iceberg-polare, iceberg-

Gli stati fisici dipendono dall’energiacinetica delle molecole di acqua:bassa nel ghiaccio, media nell’acqua liquida, alta nel vapore

Molecola

ghiaccio acqua vapore

capillaritàcapillaritài legami a idrogeno permettono alle molecole di“arrampicarsi” lungo le pareti del contenitorese questo è sottile come un capello, la “cordata” può raggiungere altezze notevoli

così l’acqua puòarrivare anche allefoglie più alte diun albero e partecipare alla fotosintesi!

ma anche raggiungere, arrampicandosi lungo un muro,un piano alto dell’abitazione!

o, ancora, da una falda sotterranea, raggiungere le radicidelle piante mantenendole in vita

L’ acqua: il migliore solventeL’ acqua: il migliore solvente• L’acqua sul nostro pianeta e nel nostro L’acqua sul nostro pianeta e nel nostro

corpo contiene disciolte altre sostanzecorpo contiene disciolte altre sostanze• Le molecole di acqua disperdono le Le molecole di acqua disperdono le

molecole e gli ioni di altre sostanze molecole e gli ioni di altre sostanze polaripolari

• tiene in sospensione particelle più tiene in sospensione particelle più grandigrandi

• modifica le sue proprietà:modifica le sue proprietà:punto di ebollizionepunto di ebollizionepunto di solidificazionepunto di solidificazionepressione osmoticapressione osmoticaaciditàacidità

Oceani

97%

altro 3% altro 1%

acqua Sotterranea22%

calottepolari

ghiacciai

iceberg

77 %

Fiumi< 4-10%

Distribuzione dell’acqua sulla Distribuzione dell’acqua sulla TerraTerra

Laghi

61 %

atmosfera

umiditàsuolo

39 %

Il cicloIl ciclo dell’acquadell’acqua• L’acqua si muove incessantemente dall’oceano all’atmosfera L’acqua si muove incessantemente dall’oceano all’atmosfera

ai fiumi, ai laghi, ai ghiacciai e da questi ancora ai fiumi, ai fiumi, ai laghi, ai ghiacciai e da questi ancora ai fiumi, all’atmosfera, al mare, liquida, gassosa, solida…all’atmosfera, al mare, liquida, gassosa, solida…

• E poi penetra nel suolo, entra nei viventi e torna ai fiumi, al E poi penetra nel suolo, entra nei viventi e torna ai fiumi, al suolo, al mare, all’atmosfera da cui torna al mare, al suolo… suolo, al mare, all’atmosfera da cui torna al mare, al suolo…

il mareil mare

ComponentiComponenti

tutti gli elementi naturali (in percentuali tutti gli elementi naturali (in percentuali molto diverse rispetto rocce): molto diverse rispetto rocce):

• sali inorganici in forma ionica: Nasali inorganici in forma ionica: Na++, Cl, Cl-- MgMg++++, Ca, Ca++++ K K++,B,Brr- SO- SO44

- -- -, BO, BO33- -- - , HCO , HCO33

--

• gas (Ogas (O2:2: 7/8 cm7/8 cm33/1 nei mari freddi e di ca. 4 /1 nei mari freddi e di ca. 4

cmcm33/1 in quelli caldi , /1 in quelli caldi , COCO22) )

• sostanze organichesostanze organiche

• catione più abbondante sodio catione più abbondante sodio NaNa++, , anione cloro anione cloro ClCl--

COMPOSIZIONE CHIMICACOMPOSIZIONE CHIMICA

costituzione chimicacostituzione chimica complessa e variabile per :complessa e variabile per :• apporto delle acque continentali, apporto delle acque continentali, • scambi e interazione tra superficie mari e scambi e interazione tra superficie mari e

atmosfera, atmosfera, • processi chimico -fisici tra ioni in soluzione processi chimico -fisici tra ioni in soluzione

e minerali dei sedimenti e in sospensione,e minerali dei sedimenti e in sospensione,• processi biochimici, ( fotosintesi e metabolismo processi biochimici, ( fotosintesi e metabolismo

degli organismi marini) degli organismi marini) • apporto di scarichi di acqua e materiali attività apporto di scarichi di acqua e materiali attività

umane.umane.

SALINITA’SALINITA’

salinitàsalinità

residuo secco dall'evaporazione dell'acqua residuo secco dall'evaporazione dell'acqua marina: marina:

• 35 g/l35 g/l (valore medio (valore medio 35‰35‰ ) ) 30 g/l di cloruro 30 g/l di cloruro di sodio NaCl, cloruro di magnesio MgCldi sodio NaCl, cloruro di magnesio MgCl22, , carbonati, bromuri e borati. carbonati, bromuri e borati.

• mari polarimari polari: 32-33 g/1, : 32-33 g/1, mari caldimari caldi : 36-37 g/1 ; : 36-37 g/1 ;

bacini internibacini interni : variazioni più ampie per : variazioni più ampie per scarsa comunicazione con oceaniscarsa comunicazione con oceani

pHpH

tra 7,95 e 8,13 (Mediterraneo, acque tra 7,95 e 8,13 (Mediterraneo, acque superficialisuperficiali) per la presenza di carbonati) per la presenza di carbonati

Distribuzione della salinità Distribuzione della salinità Dipende da•evaporazione•precipitazioni•apporto acque dolci•scambi mari interni-oceano

Zone equatoriali <35‰

precipitazioni superanodel 40% l’evaporazione

Zone anticicloniche>36‰

evaporazione elevataprecipitazioni scarse

Mediterraneofino a 39 ‰

golfo di Botnia –Baltico<5‰

Atlantico più salato di Pacificoalisei trasportano vapore acqueo da Atlantico a Pacifico attraverso Panamaprecipitazioni anche a ridosso di Ande

Temperatura Temperatura dell’acquadell’acqua

dipende da irraggiamento solarevaria con latitudine e con stagioni

da 1°C a +25-30°Csuperficie profondità Atlantico: 2-3°CMediterraneo: 13°C

struttura dell’oceanostrato superficialestrato termoclinostrato profondo

• la luce penetra nell’acqua del mare con la luce penetra nell’acqua del mare con intensità inversamente proporzionale alla intensità inversamente proporzionale alla profonditàprofondità

• dipende anche dalla quantità di materiale dipende anche dalla quantità di materiale sospeso e dall’angolo di incidenzasospeso e dall’angolo di incidenza

• Quantità: a 10 m di profonditàQuantità: a 10 m di profondità1/10 di quella 1/10 di quella che arriva alla superficieche arriva alla superficie

• filtro selettivo filtro selettivo penetra luce azzurra e violetta penetra luce azzurra e violetta• a 50 m di profondità a 50 m di profondità solo luce artificiale fa solo luce artificiale fa

distinguere i coloridistinguere i colori• La fotosintesi può avvenire solo nei primi metri La fotosintesi può avvenire solo nei primi metri

sotto la superficiesotto la superficie

la la luceluce

• densitàdensità 1,008 - 1,030 g/cm3 1,008 - 1,030 g/cm3 • dipende da dipende da salinitàsalinità, , temperaturatemperatura e e pressionepressione (dipende da (dipende da profondità :profondità :

1 atm ogni 10 m1 atm ogni 10 m )  )  

salinità densitàtemperatura

pro

fondit

à

direttamenteproporzionale

inversamenteproporzionale

salinità - profonditàsalinità - profondità temperaturatemperatura

linee che uniscono i punti linee che uniscono i punti con uguale densitàcon uguale densità

isopicnicheisopicniche

parallele, crescenti parallele, crescenti dall'alto verso il bassodall'alto verso il basso

stabilitàstabilitàdistribuzione distribuzione diversadiversa

correnti termoalinecorrenti termoaline instabilitàinstabilità

in generein genere

densitàdensità

correnticorrenti

Correnti profonde fredde e salate

Correnti superficialicalde

Trasferimentiacqua-aria

CORRENTI DI GRADIENTE

CORRENTI DI DERIVA

differenza di densità di masse d'acqua adiacenti

attrito tra masse d'aria in movimento –alisei-e la massa d'acqua superficiale del mare

flussi di masse d’acqua con caratteristiche termiche e saline specifiche per cui si distinguono nettamente dalle acque circostanti

strato di 100-200 metri, più sottile all’equatore, più profondo verso i poli

CORRENTE TERMOALINA

contatto tra mari interni e oceani da Atlantico settentrionale

l’acqua superficiale si inabissa, l’acqua profonda risale nel Pacifico settentrionale

la spirale di la spirale di EkmanEkman

Direzione del vento

Direzione dell’acquain superficie

Direzione della massa d’acqua

l’acqua si muove perpendicolare al vento in direzione opposta alla costa si crea un vuoto risalita delle acque profonde più freddein superficie sostanze nutritive (nitrati, fosfati, carbonio organico), fioritura del fitoplancton zone di pesca abbondante.  

trasporto di Ekman

trasmissione per attrito dell’effetto del ventoa strati sottostanti di acqua, sempre piùlenti e spostati verso destra

Circolazione negli Circolazione negli oceanioceani

maremareee

• sollevamento di masse sollevamento di masse d’acqua attirate da corpi d’acqua attirate da corpi celesti –Luna e Sole-celesti –Luna e Sole-

• 2 volte al giorno, su ogni punto 2 volte al giorno, su ogni punto allineato con la Luna e ai suoi allineato con la Luna e ai suoi antipodi(più lontani dal centro antipodi(più lontani dal centro di gravità del sistema Terra-di gravità del sistema Terra-Luna)Luna)

• se Luna e Sole sono allineatise Luna e Sole sono allineati marea sigizialemarea sigiziale

• se Sole e Luna distanti 90° se Sole e Luna distanti 90° marea di quadraturamarea di quadratura

• in Mediterraneo in Mediterraneo 50 cm circa50 cm circa

• in Atlantico in Atlantico oltre 1 metrooltre 1 metro

località Baia di Fundy (Nuova Scozia; Canada) Foce del Rio Gallegos (Argentina) Baia di Frobisher (Canada) Foce del Fiume Severn (Gran Bretagna)

Baia del Mont-Saint-Michel (Francia) Foce del Fiume Fitzroy (Australia) Saint-Malo (Francia) Bhaunagar (India) Foce del Rio Colorado (Messico)

ampiezza20.0 m18.0 m17,4 m16,3 m14,7 m14,0 m 13,3 m12,4 m 12,3 m

centro gravitàsistema Terra-Luna

marea per attrazione lunare

marea perforza centrifuga

le ondele onde• Movimenti delle molecole di acqua dovuti al vento che preme sulla Movimenti delle molecole di acqua dovuti al vento che preme sulla

superficie marina superficie marina cavicavi e e creste d’ondacreste d’onda• Le molecole compiono moti circolari e trasmettono energia a Le molecole compiono moti circolari e trasmettono energia a

quelle sottostanti quelle sottostanti oscillazionioscillazioni, , trasporto di energiatrasporto di energia non di non di materiamateria

• Il movimento si trasmette fino a una profondità=1/2 Il movimento si trasmette fino a una profondità=1/2 λλ• Presso la costa, il moto si appiattisce e interferisce con il fondalePresso la costa, il moto si appiattisce e interferisce con il fondale• Si determina un ritardo tra la superficie e il fondale Si determina un ritardo tra la superficie e il fondale frangentefrangente

l’acqua modella la terral’acqua modella la terra

Le onde si dispongono parallele alla costaLa lunghezza d’onda si modifica massima quantità di energia ceduta alla costa in corrispondenza delle sporgenzemassima quantità di energia ceduta alla costa in corrispondenza delle sporgenze

l’attrito con il fondale rallenta le particelle profonde rispetto quelle di superficie frangente di spiaggiafrangente di spiaggia

il moto diventa orizzontale onda di traslazione onda di traslazione trasporta acqua verso la spiaggiatrasporta acqua verso la spiaggia

l’acqua, si ritira ( riflusso) al di sotto della successiva onda risaccarisacca

rifrazione d’onda rifrazione d’onda cede l’energia alla costacede l’energia alla costa

costa sabbiosa erosione della spiaggiaerosione della spiaggia

costa rocciosa la compressione dell’aria da la compressione dell’aria da parte dell’acqua negli interstizi agisce come unparte dell’acqua negli interstizi agisce come unesplosivoesplosivo sbriciolamento della roccia sbriciolamento della roccia