marèa (geofisica e astronomia)
Indice
Descrizione generale
Attrazione luni-solare sulla massa acquea che produce in questa una deformazione periodica e regolare che in generale si manifesta col ripetersi nell'arco di 24h50m, corrispondente al giorno lunare medio, di due innalzamenti (flusso o alta marea) e due abbassamenti (riflusso o bassa marea) del livello marino. I due flussi e i due riflussi si alternano circa ogni sei ore generando due correnti di senso opposto (correnti di marea). Le maree possono essere considerate come onde estese con periodo di 12h 25m e lunghezza d'onda pari a circa una semicirconferenza terrestre. L'altezza dell'onda di marea, o ampiezza di marea, è data dal dislivello tra alta e bassa marea e dipende dalle reciproche posizioni Terra-Luna-Sole: raggiunge il valore massimo quando i tre corpi celesti sono allineati sia in congiunzione sia in opposizione (sizigie: fasi di Luna nuova e di Luna piena); è al minimo quando la Luna si trova a 90º con l'allineamento Terra-Sole (quadratura: fasi di primo e ultimo quarto) .
Teoria statica e teoria dinamica
Già nell'antichità era noto il rapporto intercorrente tra oscillazioni di marea e fasi lunari, ma una spiegazione razionale del fenomeno fu possibile solo dopo l'enunciazione della teoria newtoniana sulla gravitazione universale. Dopo i primi tentativi di spiegazione dello stesso Newton, il problema teorico delle maree fu affrontato da vari studiosi, tra cui Laplace, Poincaré, G. H. Darwin, Harris. In prima approssimazione lo studio delle maree si può compiere quantitativamente adottando le semplificazioni della teoria statica che suppone la Terra ricoperta uniformemente da una coltre di acqua di spessore costante e ne trascura il movimento di rotazione. Più aderente alla realtà è la teoria dinamica che tiene conto della non omogeneità della massa oceanica, della forma e della profondità dei bacini, delle mutue azioni tra bacino e bacino, dei complessi effetti che riguardano gli spostamenti delle masse d'acqua sulla superficie della Terra in rotazione. Le due teorie ottengono gli stessi risultati per quanto riguarda i periodi delle onde di marea; per le fasi e l'ampiezza la teoria dinamica giustamente abbandona le considerazioni teoriche e ricorre all'osservazione. L'oscillazione di marea è determinata dalla differenza tra l'attrazione newtoniana esercitata da un astro sui punti della superficie terrestre e il centro di massa della Terra. L'attrazione esercitata sul centro di massa della Terra viene equilibrata necessariamente dalla forza centrifuga originata dal movimento di rivoluzione dei corpi in gioco attorno al centro di massa del sistema; lo stesso non è però possibile per tutti gli altri punti. Tale differenza di attrazione costituisce la forza di marea, che risulta direttamente proporzionale alla massa dell'astro e inversamente al cubo della distanza tra il centro dell'astro e i punti della superficie terrestre: ciò spiega perché la Luna, nonostante abbia una massa notevolmente inferiore rispetto a quella solare, abbia per la sua relativa vicinanza un effetto di marea superiore di circa 2,2 volte a quello prodotto dal Sole. Facendo riferimento al sistema Terra-Luna, in equilibrio meccanico (ma i concetti si estendono senza sostanziali modifiche a tutti gli altri fenomeni mareali che possano intercorrere fra pianeti e loro satelliti, fra coppie ravvicinate di stelle, ecc.), vediamo i due corpi muoversi rivoluendo attorno al centro di massa G del sistema, a distanze inversamente proporzionali al rapporto delle loro masse. Fissando l'attenzione alla Terra, va constatato che soltanto gli elementi di massa distanti quanto CG da G, risultano rigorosamente in equilibrio fra la forza centrifuga, che tende ad allontanarli da quel punto, e la forza gravitazionale che tende ad avvicinarveli. In effetti, la puntuale applicazione delle leggi di Keplero impone che i punti più distanti (per esempio P´), se posti in libera gravitazione, debbano rivoluire con velocità angolari inferiori rispetto a quelli situati a distanza più ravvicinata (per esempio P). Peraltro, i punti in questione sono assoggettati a seguire rigidamente il movimento di rivoluzione dell'intero globo terracqueo (ossia di C). Ne consegue che P´ si trova animato da una velocità (angolare) superiore a quella che gli competerebbe in virtù delle leggi kepleriane e perciò, tendendo a portarsi su di un'orbita più larga, risulta soggetto ad uno sforzo centrifugo. Anche in P si sviluppa una forza centrifuga, poiché la sua velocità angolare di rivoluzione è troppo bassa ed il punto tenderebbe a portarsi su di un'orbita più ristretta. Ma se P e P´ sono elementi acquei, parzialmente liberi di muoversi, il risultato netto si manifesta con il loro allontanamento dal punto C e – con essi – delle due falde oceaniche di cui simboleggiano i centri di massa. Le stesse considerazioni valgono per il sistema Terra-Sole che analogamente dà origine a due onde di marea (di altezza inferiore) che interferiscono con quelle lunari sommandosi in sizigie ed elidendosi in quadratura. La forza di marea, sia lunare sia solare, è piuttosto piccola se confrontata con la forza gravitazionale (ca. 10-7 volte). Gli ingenti spostamenti d'acqua si possono spiegare notando che la forza di marea non è diretta secondo la direzione di gravità e quindi può essere scomposta in due componenti, una verticale e una orizzontale. La componente verticale produce una variazione di gravità del tutto trascurabile, mentre quella orizzontale, anche se dello stesso ordine di grandezza, è però paragonabile alle altre sollecitazioni orizzontali (differenza di pressione tra acque di diversa densità, azione del vento, ecc.) ed è quindi in grado di imprimere un moto sensibile a una massa d'acqua. È dunque la componente orizzontale che provoca gli spostamenti orizzontali (correnti di marea) e l'accumulo e la sottrazione delle acque con le conseguenti oscillazioni di livello. La forza agisce su tutto lo strato d'acqua, relativamente sottile, cioè ugualmente a tutte le profondità .
Sviluppo armonico delle maree
Volendo conoscere l'effettiva azione della forza di marea su di un punto P comunque disposto sulla superficie terrestre bisogna tener conto dell'angolo tra la congiungente punto P-centro della Terra e la congiungente centro Terra-centro astro; è necessario inoltre considerare le variazioni di distanza nel corso del tempo tra il punto in esame, la Luna e il Sole. La variazione di livello di marea nel corso del tempo si può allora considerare come un fenomeno oscillante risultante dall'interazione di un gran numero di termini periodici semplici (maree parziali), ciascuno con periodi, ampiezze e fasi costanti. Nella rappresentazione armonica delle maree, l'evoluzione di livello è la somma di tante onde sinusoidali semplici del tipo: h=a cos (ωt+φ), in cui ω, la pulsazione di marea, dipende dalle condizioni astronomiche considerate e pertanto risulta costante nel tempo per ogni località, mentre a e φ, rispettivamente l'ampiezza e la fase, rappresentano le costanti armoniche, non prevedibili astronomicamente, variabili da luogo a luogo e deducibili solo dall'analisi di lunghe serie di osservazioni. Note le costanti armoniche è possibile prevedere (previsione armonica delle maree) l'andamento di marea nel tempo per ogni luogo. La marea si evolve col sovrapporsi di ritmi soprattutto diurni e semidiurni dovuti agli effetti delle numerose componenti che intervengono nel fenomeno. Anche componenti a periodo più elevato possono rivestire una certa importanza come le semimensili, con periodo medio di 14,16 giorni quella legata all'intervallo tra le maree sizigiali, con periodo di 13,66 giorni quella denominata lunare quindicinale, relativa al tempo occorrente alla Luna per cambiare declinazione da zero al massimo e viceversa, la lunare mensile, con periodo di 27,55 giorni (mese anomalistico), legata all'ellitticità dell'orbita lunare, la solare semiannuale, con periodo di 182,6 giorni, legata alla declinazione variabile del Sole, ecc. La marea complessiva deriva dall'interazione delle suddette componenti (e di numerose altre, ma di minore effetto) che conferiscono alla variazione di livello della superficie marina il caratteristico andamento ritmico con due alte e due basse maree al giorno, di ampiezza variabile con periodo di ca. 14 giorni. Secondo l'importanza rivestita dalle molteplici componenti di marea nelle varie parti della superficie terrestre, l'andamento della marea presenta diverse configurazioni che, per semplicità, possono essere ridotte a tre tipi fondamentali: maree diurne, caratterizzate da una sola alta e bassa marea nel corso delle 24 ore, maree semidiurne, con due alte e due basse maree pressappoco di uguale ampiezza, maree miste, sempre con due alte e due basse maree ma con ampiezza diversa in base al prevalere della tendenza semidiurna o diurna. Le maree più frequenti sono quelle a carattere semidiurno o miste di tipo semidiurno. Le maree semidiurne si sviluppano sulle coste atlantiche europee, africane e dell'America Meridionale dal Venezuela al Brasile, lungo parte delle coste atlantiche nordamericane, nel golfo del Bengala e lungo la costa sudorientale dell'Africa; lungo quasi tutte le altre coste si hanno maree miste, mentre maree diurne di carattere puro si manifestano solo in poche e ristrette aree come il golfo del Tonchino, il Mar di Ohotsk, il golfo del Messico e presso la punta sudoccidentale dell'Australia.
Distribuzione delle maree
Le maree hanno in aperto oceano ampiezza modesta, valutabile in pochi decimetri (25-30 cm a Honolulu, 30-50 cm all'isola Maurizio, ecc.); valori più elevati si producono invece presso le coste per effetto della morfologia dei fondali. In media l'oscillazione di marea misurata su tutta la superficie oceanica è compresa tra 1 e 2 metri. Le più forti escursioni di livello si hanno per l'Europa sulle coste della Bretagna (Saint-Malo, Granville e altre località) con valori medi di 14 m; maree ancora più alte si registrano sulle coste canadesi atlantiche tra la Nuova Scozia e il continente (baia di Fundy) con oltre 19 m, dell'Argentina meridionale (Porto Gallegos) con 18 m, ecc. Nel Mediterraneo le oscillazioni sono modeste, dell'ordine di qualche decina di centimetri (21 cm a Marsiglia, 55 a Tunisi); fanno eccezione le maree, superiori al metro, del golfo di Gabès e di alcune località dell'alto Adriatico (Trieste). L'innalzamento del livello del mare in una zona e il conseguente abbassamento in un'altra di uno stesso bacino o tra bacini contigui implicano lo spostamento ritmico di ingenti masse d'acqua, che si manifesta con la formazione delle correnti di marea. Tra escursioni di livello e flusso di corrente si ha uno sfasamento di 1/4 di periodo; inoltre le correnti risentono sensibilmente degli attriti e dell'azione geostrofica. In genere le correnti sono unidirezionali, ma possono anche presentare carattere giratorio attorno ai punti anfidromici. La velocità di norma è dell'ordine del nodo, ma in condizioni ambientali particolari arriva anche a punte di 10-15 nodi.
Marea atmosferica
Si manifesta con variazioni periodiche della pressione atmosferica. Le maree atmosferiche dipendono, oltre che dall'azione gravitazionale lunisolare, anche dall'effetto del riscaldamento e del raffreddamento dell'aria. Per questo motivo il Sole ha per le maree atmosferiche maggiore importanza. Si hanno due minimi e due massimi di pressione al giorno di entità variabile con la latitudine del luogo. Rispetto alla pressione normale, le variazioni sono dell'ordine di 0,3 mbar ai Poli e di ca. 1,5 mbar nelle fasce tropicali.
Marea terrestre
È una conseguenza dell'attrazione lunisolare sulla crosta terrestre che, non essendo perfettamente rigida, risponde alle sollecitazioni con deformazioni elastiche. Le maree terrestri, di piccola entità e di difficile determinazione per l'esistenza della concomitante variazione di livello del mare, si manifestano con periodiche variazioni della direzione della verticale e dell'accelerazione di gravità.
Marea planetaria e stellare
È possibile riscontrare effetti mareali in varie situazioni celesti. Per esempio significativa è la fenomenologia eruttiva osservata sui satelliti gioviani Io ed Europa, sui quali la prossimità della soverchiante massa del pianeta induce significative deformazioni strutturali accompagnate da sviluppo di tensioni e di calore interni. Le azioni di marea sono poi sistematicamente presenti nell'ambito dei sistemi binari stretti di stelle (eventualmente a interazione), ove le due componenti, come la curva di luce pone in evidenza nel caso di un sistema a eclisse, sotto la reciproca influenza gravitazionale, appaiono deformate secondo profili lobiformi o piriformi, fra i quali può stabilizzarsi sovente una corrente di materiale gassoso. Ad azione perturbativa di tipo mareale possono anche ricondursi numerosi esempi di interazione fra galassie, in seguito alla quale quel tipo di formazioni siderali può deformare in modo radicale la propria struttura, con perdita, o sviluppo abnorme, delle braccia periferiche, estromissione di materiale gassoso, ecc .