Capitolo 1 - Un Viaggio di scoperta

Il ruolo dell'Oceano sul Tempo e sul Clima è spesso trattato nei notiziari. Chi non ha sentito del El Niño e delle previsioni meteorologiche, la stagione degli uragani Atlantici e degli Tsunami? Ancora, qual'è esattamente il ruolo dell'Oceano? E perchè ce ne preoccupiamo?

1.1 Perchè studiare la Fisica dell'Oceano?

La risposta dipende dal nostro interesse, che è poi l'uso che facciamo del mare. Tre grandi temi sono importanti:

1. L'Oceano fornisce alimenti all'umanità. Perciò, siamo interessati ai processi che influenzano il mare, proprio come gli agricoltori sono interessati al Tempo e al Clima. L'Oceano non ha soltanto cambiamenti di temperatura e correnti, ma l'atmosfera fertilizza il mare. Il tempo atmosferico talvolta fertilizza i campi eccetto una piccola quantità di azoto fissato dai fulmini.
2. Noi usiamo l'Oceano. Costruiamo strutture sulle rive ed a largo. Usiamo il mare per trasporto. Estraiamo petrolio e gas da sotto il mare. Ed infine usiamo l'Oceano per ricreazione : nuoto, vela, pesca sportiva, surf ed immersioni.Perciò siamo interessati ai processi che influenzano queste attività, in particolare Onde, Vento, Correnti e Temperatura.
3. L'Oceano influisce fortemente sul Tempo e sul Clima. L'Oceano influenza la distribuzione delle piogge, siccità, allagamenti, clima regionale e la nascita ed il percorso di tempeste, uragani e tifoni. Domina i processi di riscaldamento globale. Perciò siamo interessati alle interazioni aria-mare, specialmente ai flussi di calore attraverso la superficie marina, il trasporto del calore e l'influenza dell'Oceano sul Clima e sul Tempo.

Questi temi influenzano la nostra selezione degli argomenti da studiare. Gli argomenti determinano cosa noi misuriamo, come le misure sono fatte e le aree geografiche di interesse. Alcuni processi sono locali, come la rottura delle onde sulle spiagge, alcuni sono regionali, come l'influenza del nord Pacifico sul Tempo dell'Alaska e alcune sono globali, come l'influenza dell'oceano sui cambiamenti del Clima e sul riscaldamento globale.

Se infine queste ragioni per lo studio dell'Oceano sono importanti, cominciamo questo viaggio di scoperta.
Ogni viaggio ha bisogno di una destinazione. Quale è la nostra ?

1.2 Obiettivi

Spero che gli studenti che stanno leggendo questo testo, siano consapevoli di alcuni maggiori schemi (o teorie) concettuali che formano le basi dell'oceanografia fisica, come ci siamo arrivati e perchè sono ampiamente accettate, come gli oceanografi le hanno ordinate dal confuso oceano, e qual' è il ruolo della sperimentazione in oceanografia (per parafrasare Shamos, 1995: p. 89).

Più particolarmente, mi aspetto che sia possibile agli studenti descrivere i processi fisici che influenzano l'oceano e le regioni costiere: le interazioni dell'oceano con l'atmosfera, e la distribuzione dei venti, delle correnti, dei flussi di calore, e delle masse d' acqua. Il testo enfatizza le idee piuttosto che le tecniche matematiche. Proveremo a rispondere alle seguenti domande:

1. Quali sono le basi della nostra comprensione della fisica dell'oceano ?
   1. Quali sono le propietà fisiche dell'acqua marina ?
   2. Quali sono i principali processi termodinamici e dinamici che influenzano l'oceano ?
   3. Quali equazioni descrivono i processi e come sono state derivate ?
   4. Quali approssimazioni sono state usate nelle derivazioni ?
   5. Le equazioni hanno soluzioni utili ?
   6. Con quale errore le soluzioni descrivono il processo ? Cioè , quali sono le basi sperimentali per le teorie ?
   7. Quali processi sono scarsamente capiti ? Quali quelli ben compresi ?
2. Quali sono le sorgenti delle informazioni delle variabili fisiche ?
   1. Quali strumenti sono usati per ogni variabile ?
   2. Quale è la sua accuratezza ed i suoi limiti ?
   3. Quali dati storici esistono ?
   4. Quali piattaforme sono usate ? Satelliti, navi, boe alla deriva, boe fisse ?
3. Quali processi sono importanti ?
   1. Il calore immagazinato e trasportato nell'oceano.
   2. Lo scambio di calore con l'atmosfera ed il ruolo dell'oceano nel clima
   3. Il forzante del vento ed il fozante termico sulla superfice del mixed layer.
   4. La circolazione guidata dal vento, inclusa la circolazione di Ekman, la pompa di Ekman sulla circolazione profonda e l'upwelling.
   5. La dinamica delle correnti, inclusa la corrente geostrofica ed il ruolo della vorticità.
   6. La formazione dei tipi e delle masse di acqua.
   7. La circolazione termoalina dell'oceano.
   8. La dinamica equatoriale ed il fenomeno del El Niño.
   9. La circolazione osservata dell'oceano più la corrente del Golfo.
   10. I modelli numerici di circolazione.
   11. Le onde nell'oceano incluse le onde di superfice, le oscillazioni inerziali, le maree e gli tsunami.
   12. Le onde in acque basse, i processi costieri e la predizione delle maree.
4. Quali sono le maggiori correnti e masse d'acqua nell'oceano, cosa governa la loro distribuzione e come l'oceano interagisce con l'atmosfera ?

1.3 Organizzazione

Prima di cominciare un viaggio, generalmente cerchiamo di sapere qualcosa del posto che visiteremo. Guardiamo le mappe e consultiamo le guide turistiche. In questo libro la nostra guida saranno gli articoli ed i libri pubblicati dagli oceanografi. Cominceremo con una breve descrizione dei bacini oceanici, perchè la forma degli oceani ne influenza i processi fisici. Poi studieremo le forze esterne, vento e calore che agiscono sull'oceano, e la risposta dell'oceano. Naturalmente entreremo nella teoria e nelle osservazioni quando necessario.

Quando arriveremo al capitolo 7, dovremo comprendere le equazioni che descrivono la risposta dinamica dell'oceano. Consideremo le equazioni del moto, l'influenza della rotazione terrestre, l'approssimazione geostrofica e l'utilità della conservazione della vorticità.

Verso la fine, consideriamo alcuni esempi particolari: la circolazione profonda, l'oceano equatoriale, il fenomeno del El Niño e la circolazione di particolari aree dell'oceano. Poi tratteremo del ruolo dei modelli numerici nel descrivere l'oceano. Alla fine studieremo i processi costieri: onde, maree, predizione delle onde e delle maree, tsunami ed innalzamento del livello.

1.4 Il grande Quadro

L'oceano fà parte del sistema Terra. Agisce da intermediario nei processi di trasferimento di massa, momento ed energia attraverso la superfice marina. Riceve acqua e sostanze disciolte dalle terre emerse, depone sul fondo sedimenti che un giorno diventeranno rocce sulla terra. Quindi una comprensione del mare è importante per la comprensione della terra come sistema, specialmente per la comprensione di importanti problemi come il cambiamento globale ed il riscaldamento globale. Ad un livello più basso l' oceanografia fisica e la meteorologia si stanno fondendo. L'oceano fornisce il feedback che guida i lenti cambiamenti nell'atmosfera.

Come noi studiamo l'oceano, spero che si noterà che stiamo usando teoria, osservazioni e modelli numerici per descrivere le dinamiche dell'oceano. Niente è sufficiente da solo.

1. I processi oceanici sono non lineari e turbolenti. Non abbiamo ancora interamente capito la teoria di un flusso non lineare e turbolento in un bacino complesso. Le teorie usate per descrivere l'oceano sono approssimazioni molto semplificate della realtà.
2. Le Osservazioni sono sparse nel tempo e nello spazio. Forniscono una rozza descrizione del flusso mediato nel tempo, inoltre molti processi in molte regioni sono scarsamente osservati.
3. I modelli numerici includono idee teoriche molto più realistiche, possono aiutare ad interpolare le osservazioni sia nel tempo che nello spazio e sono usati per predire cambiamenti climatici, correnti ed onde. Tuttavia, le equazioni numeriche sono approssimazioni alle equazioni analitiche continue che descrivono il flusso del fluido, non contengono informazioni sul flusso tra i punti della griglia, e non possono essere usati per descrivere interamente il flusso turbolento osservato nell'oceano.

Figura 1.1 Approccio combinato: i dati, i modelli numerici e la teoria sono tutti necessari a capire l'oceano. Alla fine, una comprensione del sistema terra-atmosfera-oceano porterà a predizioni dei futuri stati del sistema.

Nel combinare la teoria e le osservazioni in modelli numerici, evitiamo alcune delle difficoltà associate con ciascuno degli approcci usato separatamente (Figura 1.1). I continui raffinamenti dell'approccio combinato porta ad una descrizione sempre più precisa dell'oceano. L'ultimo obiettivo è conoscere abbastanza bene l'oceano da predirne i cambiamenti futuri nell'ambiente, inclusi i cambiamenti climatici e la risposta ai pescatori per l'overfishing.

La combinazione di teoria, osservazioni e modelli numerici è relativamente nuova. Quattro decadi di crescita esponenziale nella potenza di calcolo ha reso i computer da tavolo capaci di simulare importanti processi fisici e dinamici dell'oceano.

Tutti noi che siamo coinvolti nella scienza sappiamo che il computer è diventato un essenziale mezzo per la ricerca....scientifica, il calcolo ha raggiunto un punto tale che è alla pari, come mezzo per ricerche nella scienza ed ingegneria, con gli esperimenti da laboratorio o con la teoria matematica. - Langer (1999).

La combinazione di teoria, osservazioni e modelli numerici implica anche un nuovo modo nel fare oceanografia. In passato, un oceanografo progettava una teoria, collezionava dati per provare la teoria, pubblicava i risultati. Ora i compiti sono diventati cosi specializzati che pochi possono fare tutto ciò. Alcuni eccellono nella teoria, altri nel collezionare dati, altri ancora nel simulare numericamente. Come risultato, il lavoro è fatto sempre più da gruppi di scienziati ed ingegneri.

1.5 Ulteriori Letture

Se conosci poco l'oceano e l'Oceanografia, ti suggerisco di cominciare dalla lettura del libro di MacLeish, specialmente il capitolo 4 sulla "Reading the Ocean". Penso sia di gran lunga la migliore descrizione non-tecnica di come gli oceanografi cercano di capire l'oceano. Puoi anche avere beneficio dalla lettura di capitoli pertinenti e da ogni testo oceanografico per iniziati. Per esempio quelli di Gros, Pinet oppure Thurman sono particolarmente utili. I testi prodotti dalla Open University forniscono un trattamente un pò più avanzato.

• Gross, M. Grant and Elizabeth Gross (1996) Oceanography A View of Earth. 7th Edition. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall.
• MacLeish, William (1989) The Gulf Stream: Encounters With the Blue God. Boston: Houghton Mifflin in Company.
• Pinet, Paul R. (2000) Invitation to Oceanography. 2nd Edition. Sudbury, Massachusetts: Jones and Bartlett Publishers.
• Open University (1989) Ocean Circulation. Oxford: Pergamon Press.
• Open University (1989) Seawater: Its Composition, Properties and Behavior. Oxford: Pergamon Press.
• Open University (1989) Waves, Tides and Shallow-Water Processes. Oxford: Pergamon Press.
• Thurman, Harold V. and Elizabeth A. Burton (2001) Introductory Oceanography. 9th Edition. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall.
• Aggiungere qualcosa in italiano? Visto che sono ulteriori letture, potrebbero essere utili le presentazioni power point