Capitolo 2 - La Storia

La nostra conoscenza delle correnti, venti, onde e maree dell'Oceano risale a migliaia di anni fà. I navigatori polinesiani commerciavano su grandi distanze nel Pacifico già prima del 4000 AC (Service, 1996). Pytheas esplorò l'Atlantico dall'Italia alla Norvegia intorno al 325 AC. I commercianti Arabi usarono le loro conoscenze delle brezze e delle correnti dell'Oceano Indiano per stabilire rotte commerciali con la Cina nel Medio Evo e più tardi con Zanzibar lungo la costa africana. Inoltre, la connessione tra le maree ed il sole e la Luna sono descritti nella Samaveda dell'India durante il periodo Vedic, che si estende dal 2000 al 1400 AC (Pugh, 1987). Gli oceanografi che tendono ad accettare come vero soltanto quello che é stato misurato dagli strumenti, hanno molto da imparare da coloro che hanno passato la loro vita sul Mare.

La conoscenza dell'Oceano dei Moderni Europei comincia con i viaggi di scoperta di Bartholomew Dias (1487-1488), Christopher Columbus (1492-1494), Vasco da Gama (1497-1499), Ferdinand Magellan (1519-1522)in itailiano? , e molti altri. Essi gettano le basi delle rotte commerciali globali, che all'inizio del 16.mo secolo si estendevano dalla Spagna alle Filippine. Le rotte erano basate su una buona conoscenza pratica dei trade-winds, westerlies e della corrente occidentale nell'Atlantico e nel Pacifico (Couper, 1983: 192-193).

I primi esploratori Europei furono presto seguiti da spedizione scientifiche comandate tra gli altri da James Cook (1728-1779) con le navi Endeavour, Resolution, e Adventure, da Charles Darwin (1809-1882) con il Beagle, da Sir James Clark Ross and Sir John Ross che studiarono l'Artico e l'Antartico con la Victory, l'Isabella e con l' Erebus, ed da Edward Forbes (1815-1854) che indagò sulla distribuzione verticale della vita nell'Oceano. Altri collezionarono osservazioni dell'Oceano e produssero mappe molto utili, tra questi Edmond Halley che tracciò i trade-winds ed i monsoni e Benjamin Franklin che tracciò la corrente del Golfo.

Le lente navi del 19 e 20 secolo sono state sostituite alla fine del 20 secolo dai satelliti, boe e strumenti autonomi. I satelliti ora controllano l'oceano, l'atmosfera e la terra. Migliaia di boe osservano i primi due kilometri dell'Oceano. I dati di questi sistemi sono inseriti nei modelli numerici che permettono di studiare la Terra come un unico sistema. Per la prima volta possiamo studiare i sistemi biologici, chimici e fisici che interagiscono per influenzare il nostro ambiente.

2.1 Definizioni

La lunga storia dello studio dell'Oceano ha portato allo sviluppo di varie discipline specializzate, ognuna con i suoi obiettivi e vocabolari. Le più importanti discipline sono:

Oceanografia é lo studio dell'Oceano, visto come unico ambiente. L'obiettivo é di ottenere una descrizione sufficientemente quantitativa da essere usata per fare previsioni abbastanza certe.
Su Wikipedia troviamo una descrizione simile con in più le sottodiscipline: Fisica, Chimica, Biologica, Geologica ed Ingegneria marina.

Geofisica é lo studio della fisica della Terra.

Oceanografia Fisica é lo studio delle propietà fisiche e dinamiche dell'Oceano. L'interesse principale sono le interazioni dell'Oceano con l'atmosfera, il bilancio del calore oceanico, la formazione delle masse d'acqua, le correnti e la dinamica costiera. Questa disciplina é da molti considerata essere una branca della Geofisica.

Geophysical Fluid Dynamics (Dinamiche dei fluidi geofisici) é lo studio della dinamica del movimento dei fluidi a scale influenzate dalla rotazione delle Terra. La Metereologia e l'Oceanografia usano questa disciplina per calcolare i campi di flusso planetari.

Idrografia é la preparazione di carte nautiche, incluse le carte delle profondità, delle correnti e delle maree.

Earth-system Science (Scienza del sistema Terra) é lo studio della Terra come singolo sistema comprendente molti sottosistemi che interagiscono fra loro (Oceano, atmosfera, criosfera e biosfera) ed i cambiamenti in questi sistemi dovuti all'attività umana.

2.2 L'Era delle Esplorazioni Oceanografiche

Le esplorazioni dell'Oceano possono essere divise, talvolta arbitrariamente, in varie ere (Wust, 1964). Io le ho estese fino alla fine del 20-esimo secolo.

Era dell'Oceanografia di superfice: fino al 1873. Questa Era é caratterizzata dalle sistematiche collezioni delle osservazioni dei naviganti sul vento, le correnti, le onde, la temperatura ed altri fenomeni osservabili dal ponte delle navi a vela. Esempi degni di nota sono le mappe del trade-winds di Halley, la mappa della corrente del Golfo di Franklin e Physical Geography for the Sea di Matthew Fontaine Maury.

Era dell'Esplorazione di profondità : 1873-1914. Questo periodo é caratterizzato da un ampio numero di spedizioni che hanno analizzato le condizioni superficiali e sotto superficiali vicine alle concessioni coloniali. I maggiori esempi sono la spedizione del Challenger (Figura 2.1), ma anche le spedizioni del Gazelle and Fram.

Figura 2.1 Esempio dell'Era di esplorazione di profondità: Rotta del H.M.S. Challenger durante la Spedizione Britannica 1872-1876. Da Wust (1964).

Era delle crociere nazionali sistematiche e di esplorazione : 1925-1940. Caratterizzata da crociere sistematiche dettagliate nelle aree coloniali. Tipico esempio la crociera Meteor dedicata all'Atlantico (Figura 2.2), e la spedizione Discovery.

Figura 2.2 Esempio di campagna nell'era delle spedizioni nazionali. Rotta della R/V Meteor durante la spedizione tedesca. da Wust (1964).

Era dei nuovi metodi: 1947-1956. Caratterizzata da lunghe campagne usando nuovi strumenti (Figura 2.3). Gli esempi includono crociere sismische dell'Atlantico come Vema che producono le mappe del fondo marino di Heezen.

Figura 2.3 Esempio dall'Era dei nuovi metodi. La crociera del R/V Atlantis del Woods Hole Oceanographic Institution. From Wust (1964).

Era delle Cooperazioni Internazionali : 1957-1978.Caratterizzata da campagne di studio dell'oceano e dei processi oceanici multi-nazionali. Esempi includono i programmi Atlantic Polar Front, le crociere NORPAC, le crociere dell'International Geophysical Year e le crociere durante l'International Decade of Ocean Exploration (Figura 2.4). Studi di processi oceanici, condotti con più navi simultaneamente, includono i progetti MODE, POLYMODE, NORPAX, and JASIN.

Figura 2.4 Esempio dell'Era delle cooperazioni Internazionali. Le sezioni dell'International Geophysical Year Atlantic Program 1957-1959. Da Wust (1964).

Era dei Satelliti: 1978-1995. Caratterizzata da campagne globali dei processi oceanici dallo spazio. Gli esempi includono Seasat, NOAA 6-10, NIMBUS-7, Geosat, Topex/Poseidon, ed ERS-1.

Era della Scienza del Sistema terra : 1995 - Caratterizzata da studi globali dei processi di interazione biologici, chimici e fisici nell'oceano, nell'atmosfera e nelle terre emerse, usando misure in situ(cioé fatte sul posto) e da satellite date in pasto a modelli numerici. Ne sono esempi i progetti World Ocean Circulation Experiment (WOCE) (Figura 2.5) e Topex/Poseidon (Figura 2.6), the Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS), and the Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE), ed ancora i progetti collegati ai satelliti SeaWiFS, Jason, QuikScat, Aqua, e Terra.

Figura 2.5 World Ocean Circulation Experiment: Rotte delle navi da ricerca che conducono simultaneamente una indagine dell'Oceano su scala globale. Dal World Ocean Circulation Experiment.

Figura 2.6 Esempio dall'Era dei Satelliti. Traccie del satellite Topex/Poseidon nell'Oceano Pacifico durante 10 giorni di orbite. Dal Progetto Topex/Poseidon

2.3 Le Tappe Fondamentali nella Comprensione dell'Oceano

Che cosa ci hanno insegnato tutti questi programmi e spedizioni? Guardiamo ad alcune pietre miliari della nostra comprensione dell'oceano cominciando dalle prime investigazioni scientifiche del 17-esimo secolo. Inizialmente i progressi furono lenti. I primi progressi vennero da osservazioni molto semplici e di poco importanza di scenziati che non si consideravano oceanografi, se poi il termine stesso era stato coniato. Più tardi vennero descrizioni ed esperimenti oceanografici più dettagliati fatti da scienziati che si specializzavano nello studio dell'oceano.

1685 Edmond Halley, indagando sui sistemi di venti oceanici e le correnti, pubblicò "An Historical Account of the Trade Winds, and Monsoons" osservabili nei mari tra e vicino i tropici, con un tentativo di assegnare la causa fisica dei suddetti venti. Philosophical Transactions, 16: 153-168.

1735 George Hadley espose la sua teoria sui trade-winds, basata sulla conservazione del momento angolare, pubblicata in "Concerning the Cause of the General Trade-Winds" Philosophical Transactions, 39: 58-62.

1751 Henri Ellis fece la prima misura di temperatura nelle profondità dei tropici, trovando acqua fredda sotto uno strato di acqua calda superficiale, indicando quell'acqua come proveniente dalle regioni polari.

Figura 2.7 La mappa della Corrente del Golfo di Franklin-Folger versione del 1786.

1769 Benjamin Franklin, direttore dell'ufficio Idrografico, fece la prima mappa della Corrente del Golfo utilizzando le informazioni delle navi che commerciavano tra il New England e l'Inghilterra, collezionate da suo cugino Timothy Folger (Figura 2.7).

1775 Laplace pubblicò la sua teoria sulle maree.

1800 Il Conte Rumford propose una circolazione meridionale dell'oceano con l'acqua che si inabissava ai poli e risaliva all'equatore.

1847 Matthew Fontain Maury publicò la sua prima mappa dei venti e delle correnti basata sui giornali di bordo delle navi. Maury instaurò la pratica dello scambio internazionale dei dati ambientali,
trading logbooks for maps and charts derived from the data.

1872-1876 La Spedizione del Challenger marca l'inizio dello studio sistematico della biologia, della chimica e della fisica dell'oceano nel mondo.

1885 Pillsbury's fece misure dirette della Corrente della Florida usando correntometri calati da una nave ancorata nella corrente.

1903 Viene fondato il Marine Biological Laboratory dell'Università della California. diventerà in seguito lo Scripps Institution of Oceanography.

1910-1913 Vilhelm Bjerknes pubblica Dynamic Meteorology and Hydrography getta le fondamenta della Fluido dinamica geofisica. Nel testo sono sviluppate le idee di fronte, metro dinamico, flusso geostrofico , interazione aria-mare, e ciclone.

1930 Viene fondato il Woods Hole Oceanographic Institution.

Dopo la II Guerra Mondiale la necessità di rilevare i sottomarini porta le Marine Militari ad espandere i loro studi del mare. Di conseguenza, presso le università statali vengono aperti i dipartimenti oceanografici come: Oregon State, Texas A&M University, University of Miami, University of Rhode Island e la fondazione di laboratori marini nazionali come i vari Istituti di scienza Oceanografica.

1942 La pubblicazione di The Oceans da Sverdrup, Johnson, and Fleming, La prima comprensiva raccolta di conoscenze oceanografiche.

1947-1950 Sverdrup, Stommel, and Munk pubblicano le loro teorie sulla circolazione dell'oceano guidata dal vento. I tre articoli gettano le fondamenta della nostra comprensione della circolazione dell'Oceano.

1949 Inizia la California Cooperative Fisheries Investigation della Corrente della California. Lo studio più completo mai intrapreso su una corrente costiera.

1952 Cromwell and Montgomery riscoprono La Undercurrent Equatoriale del Pacifico.

1955 Bruce Hamon and Neil Brown sviluppano la sonda CTD per misurare la conducibilità e la temperatura dell'acqua marina in funzione della profondità.

1958 Stommel pubblica la sua teoria della circolazione profonda dell'oceano.

1963 La Sippican Corporation (Tim Francis, William Van Allen Clark, Graham Campbell, and Sam Francis) inventano the Expendable Bathy Thermograph XBT ora forse il più usato strumento oceanografico.

1969 Kirk Bryan and Michael Cox sviluppano il primo modello numerico della circolazione oceanica.

1978 NASA lancia il primo satellite oceanografico: Seasat. Il progetto sviluppa tecniche usate da generazioni di satelliti per "remote sensing".

1979-1981 Terry Joyce, Rob Pinkel, Lloyd Regier, F. Rowe and J. W. Young sviluppano le tecniche che portano alla nascita del profilatore acustico ad effetto Doppler per misurare le correnti superficiali da navi in movimento, uno strumento largamente usato in oceanografia.

1988 la NASA Earth System Science Committee diretto da Francis Bretherton sottolinea come tutti i sistemi della Terra sono interconessi, rompendo così le barriere che separano le scienze tradizionali: astrofisica, ecologia, metereologia ed oceanografia.

1991 Wally Broecker propose che cambiamenti nella circolazione profonda dell'oceano modulano le ere glaciali, e che la circolazione profonda dell'Atlantico potrebbe collassare, gettando l'emisfero nord in una nuova era glaciale.

1992 Russ Davis and Doug Webb inventano la boa pop-up, autonoma, alla deriva che misura le correnti a profondità di 2 km.

1992 la NASA ed il CNES sviluppano e lanciano il Topex/Poseidon, un satellite che mappa le correnti, le onde e le maree ogni 10 giorni.

1993 I menbri del progetto Topex/Poseidon pubblicano le prime mappe accurate delle maree globali

Ulteriori informazioni sulla storia della oceanografia fisica si trovano nell'appendice A di W. S. von Arx's An Introduction to Physical Oceanography.

Figura 2.8 La circolazione superficiale dell'oceano mediata nel tempo e dedotta da circa un secolo di spedizioni oceanografiche. Da Tolmazin (1985).

I dati raccolti dalle spedizioni oceanografiche sono stati usati per descrivere l'oceano. Molto del lavoro descrive lo stato stazionario dell'oceano, le sue correnti dal fondo alla superfice e le sue interazioni con l'atmosfera. La descrizione di base é stata per lo più completata fin dai primi anni 1970. La figura 2.8 mostra un esempio di quel tempo, la circolazione superficiale dell'oceano. Lavori più recenti hanno cercato di fornire una descrizione dell'oceano sufficiente a predirre la variabilità annuale ed interannuale, e a capire il ruolo dell'oceano nei processi globali.

2.4 Evoluzioni di alcune Idee Teoriche

Una comprensione teorica dei processi oceanici é basata sulla fisica classica con una evolvente comprensione dei sistemi caotici e la applicazione alla teoria della turbolenza. Le date mostrate di seguito sono approssimative.

19-esimo Secolo Sviluppo dell'Idrodinamica analitica. Hydrodynamics di Lamb é il culmine di questo lavoro. Bjerknes sviluppa il metodo geostrofico largamente usato in metereologia ed oceanografia.

1925-40 Sviluppo delle teorie per la turbolenza basate sull'aerodinamica e sulle idee del mixing-length. Lavori di Prandtl e Von Karmen.

1940-1970 Raffinamenti delle teorie della turbolenza basate su correlazioni statistiche ed sull'idea di turbolenza omogenea e isotropica. Libri di Batchelor (1967), Hinze (1975), ed altri.

1970 Investigazioni numeriche della dinamica di un fluido geofisico turbolento basate su computer digitali ad alta velocita di calcolo.

1985 Meccanica dei processi caotici. Le applicazioni alla idrodinamica sono solo agli inizi. Molti moti dell'atmosfera e dell'oceano possono essere intrisecamente non predicibili.

2.5 Il Ruolo delle Misure in Oceanografia

Il breve tour sulle idee teoriche suggerisce che le osservazioni sono essenziali nella comprensione dell'oceano. La teoria che descrive un fluido convettivo, spinto dal vento, turbolento in un sistema rotante di coordinate non é stato mai conosciuto bene affinché le caratteristiche importanti della circolazione oceanica possano essere predette prima di essere state osservate. In quasi tutti i casi, gli oceanografi ricorrono alle osservazioni per capire i processi marini.

A prima vista, possiamo pensare che le numerose spedizioni organizzate fin dal 1873 dovrebbero dare una buona descrizione dell'Oceano. I risultati sono davvero impressionanti. Centinaia di spedizioni sono state fatte in tutti gli oceani. Ma ancora molto dell'oceano é scarsamente esplorato.

La mancanza di osservazioni ha portato ad un errore concettuale molto importante e molto diffuso:

L'Assenza della Evidenza é considerata come Evidenza dell'Assenza. La grande difficoltà nell'osservare l'oceano porta a dire che quando un fenomeno non é stato osservato, si assume che non é presente. Più uno é capace di osservare l'oceano, più la complessità e le sottigliezze appaiono –Wunsch (2002a).

Come risultato, la nostra comprensione dell'oceano é spesso troppo semplice per essere corretta.

Selezione dei Data Set oceanici
Molti dei dati oceanici sono stati organizzati in enormi data-set. Per esempio, i dati da satellite sono trattati e distribuiti da gruppi che lavorano con la NASA. I dati dalle navi sono raccolti ed organizzati da altri gruppi. Gli oceanografi ora fanno affidamento sempre di più a tali raccolte di dati prodotti da altri.

L'uso di dati prodotti da altri introduce dei problemi:

1. Quanto sono accurati i dati nel set?
2. Quali sono le limitazioni del data-set?
3. Come il set é comparabile con set similari?

Chiunque usa data-set pubblici o privati deve essere così saggio da avere risposte a queste domande.

Se hai intenzione di usare i dati di altri, di seguito trovi alcune linee guida.

1. Usare data-set ben documentati. La documentazione descrive completamente la sorgente delle misure originali, tutti i passi usati per trattare i dati, e tutti i criteri per escludere dati? Il data-set include il numero di versione per identificare i cambiamenti al set?
2. Usare dati validati. L'accuratezza dei dati é ben documentata? L'accuratezza é stata determinata comparandola con misure differenti della stessa variabile? La validazione é stata globale oppure regionale?
3. Usa set che sono stati usati da altri e referenziati in articoli scientifici. Alcuni data-set sono largamente usati per ottime ragioni. Quelli che hanno prodotto i dati, li hanno usati nelle proprie pubblicazioni ed altri credono a quei dati.
4. Viceversa, non usare un data-set solo perché é comodo.. Puoi documentare la sorgente del set? Per esempio, molte versioni delle mappe digitali del fondo a 5 minuti sono largamente disponibili. Alcune mostrano date del primo set prodotto dalla US Defense Mapping Agency, altre provengono dal set di ETOPO-5. Non fidarti di una asserzione di un collega sulla sorgente, Trova la documentazione. Se manca, trova un altro data-set.

Progettazione di Esperimenti Oceanici
Le Osservazioni sono estremamente importanti per l'Oceanografia. Putroppo le osservazioni sono costose perché il tempo nave ed i satelliti sono costosi. Come risultato, gli esperimenti oceanografici devono essere pianificati con molta cura. Probabilmente la progettazione di esperimenti non é inserita bene dentro un capitolo che parla di storia dell'oceanografia, ma l'argomento merita qualche breve commento perché é raramente trattato nei libri di testo di oceanografia, sebbene sia descritto in maniera importante nei testi di altre discipline scientifiche. La progettazione é particolarmente importante perché esperimenti scarsamente pianificati portano a risultati ambigui, si possono misurare variabili sbagliate, oppure produrre dati completamente inutili.

Il principale e il più importante aspetto della progettazione di ogni esperimento é determinare perché vorresti fare una misura prima di decidere come la farai o cosa misurerai.

1. Qual' é lo scopo dell'osservazione? Vuoi provare una ipotesi oppure vuoi descivere un processo?
2. Che accuratezza dell'osservazione é richiesta?
3. Quale risoluzione temporale e spaziale é necessaria? Che durata hanno le misure?

Considera, per esempio, come lo scopo delle misure cambia il modo di misurare la temperatura e la salinità in funzione della profondità.

1. Se lo scopo é descrivere le masse di acqua in un bacino, allora le misure sono richieste con spaziatura verticale di 20-50 m e 50-300 km come spaziatura orizzontale, ripetuta per 20-50 anni in acque profonde.
2. Se lo scopo é descrivere il mescolamento verticale a largo nel Pacifico equatoriale, allora 0.5-1.0mm di spaziatura verticale e 50-1000 km di spaziatura tra le stazioni ripetute ogni ora per molti giorni.

Accuratezza, Precisione e Linearità
Siamo sull'argomento centrale degli esperimenti, é il momento giusto per introdurre tre concetti necessari quando discutiamo di esperimenti: precisione, accuratezza, e linearità della misura.

Accuratezza é la differenza tra il valore misurato ed il valore vero.

Precisione é la differenza in misure ripetute.

La distinzione tra accuratezza e precisione é generalmente illustrata dal semplice esempio del tiro a segno. L'accuratezza é la distanza media tra il centro del bersaglio ed i fori sul bersaglio. La precisione é la distanza media tra i fori sul bersaglio, 10 colpi di fucile possono dentro un cerchio di 10 cm. di diametro, con il centro del cerchio posizionato a 20 cm. dal centro del bersaglio. l'accuratezza é quindi 20 cm. e la precisione circa 5 cm.(metter anche un disegno??)

Linearità richiede che l'uscita di uno strumento sia una funzione lineare dell' ingresso. Congegni non lineari rettificano la variabilità ad un valore costante. In questo modo risposte non lineari portano a valori medi sbagliati. La non-linearità può essere importante quanto la accuratezza. Per esempio se

Output = Input +0.1 (Input)²

Input = a sin ωt

allora

Output = a sin ωt + 0.1 (a sin ωt)²

Output = a sin ωt + 1/2 a² - 1/2 a² cos 2ωt

Notare che il valore medio dell'input é zero; l'uscita di questo strumento non lineare ha un valore medio di 0.5 a² più un egualmente grande termine al doppio della frequenza di entrata. In generale, se input ha frequenza ω₁ and ω₂, allora l' output di uno strumento non-lineare ha frequenza ω₁ ± ω₂.

La linearità di uno strumento é in particolar modo importante quando lo strumento deve misurare il valore medio di una variabile turbolenta. Ad esempio, si richiedono correntometri lineari quando misuriamo la corrente vicino la superfice dove vento e onde producono una grande variabilità nella corrente.

Sensibilita ad altre variabili di interesse.
Gli errori possono essere correlati con altre variabili del problema. Per esempio, le misure di conducibilità sono sensibili alla temperatura. Così, gli errori nella misura di temperatura nei salinometri portano ad errori nella misura dei valori di conducibilità e poi al calcolo della salinità.

2.6 Concetti Importanti

Da quanto detto, Spero che abbiate imparato che:

1. L'oceano non é ben conosciuto. Quello che sappiamo é basato su dati raccolti soltanto da poco più di un secolo di spedizioni oceanografiche, integrate con dati satellitari raccolti dal 1978.
   
2. La descrizione di base dell'oceano é sufficiente per descrivere la circolazione mediata nel tempo e nello spazio, e recenti lavori cominciano a descriverne la variabilità.
   
3. Le Osservazioni sono essenziali per la comprensione dell'oceano. Pochi processi sono stati predetti dalla teoria senza essere stati osservati prima. Non me ne viene in mente nessuno (Paschini).
   
4. Gli Oceanografi dipendono sempre più da grandi data-set prodotti da altri. I data-set hanno errori e limitazioni che devono essere capiti prima di usarli.
   
5. La pianificazione degli esperimenti é, al minimo, importante come l' esecuzione degli esperimenti.
   
6. Gli errori di campionamento sorgono (o crescono) quando le osservazioni o i campioni non sono rappresentativi del processo che stiamo studiando. Gli errori di campionamento sono la più grande sorgente di errore in Oceanografia.