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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