Le maree

Da Commissione Divulgazione - Unione Astrofili Italiani.

Versione delle 13:14, 3 ott 2009

Anticamente le maree erano paragnate al respiro del mare: si riteneva infatti che voragini sottomarine avrebbero risucchiato l’acqua del mare, risputandola fuori a intervalli regolari, causando il fenomeno della marea. Una variante di questa idea, che ebbe molta fortuna nel Rinascimento, individuava nel flusso e riflusso una manifestazione vitale, analoga alla respirazione di un animale, e che perciò dimostrava la natura di organismo vivente della Terra.

L’approccio al fenomeno ebbe alterne vicende.

Il filosofo Posidonio di Apamea, nato nel II secolo dC, intuì il legame fra le maree e la Luna, ipotizzando una remota interazione fra la Luna e la Terra – ma il concetto di attrazione gravitazionale era ancora lontano dall’essere formulato. Questa nozione si perse abbastanza rapidamente, e già nel II secolo l’astronomo Tolomeo scriveva delle maree non nell’Almagesto, la sua opera astronomica, ma nel Tetrabiblos – dedicato all’astrologia – spiegando che la Luna, fonte di umidità, gonfiava i corpi umidi che, in quanto tali, erano sotto al suo dominio.

Diogene Laerzio nel III secolo dC, si limitava semplicemente a includere le maree fra i fenomeni inspiegabili.

Oggi i fenomeni naturali raramente suscitano curiosità: di solito ci si accontenta di sapere che hanno tutti una spiegazione che potrebbe essere trovata a poca spesa in una enciclopedia o su Internet.

Non stupisce quindi che le maree abbiano perso completamente il loro fascino e lo stesso destino abbiano subito anche altri fenomeni, come ad esempio l’arcobaleno.

Le aurore boreali resistono un po’ di più perché non sono diffuse su tutto il pianeta, per cui il solo fatto di dover affrontare un viaggio per vederle le rende già più appetibili.

In passato l’alternarsi di flusso e riflusso, ossia il periodico sollevarsi e abbassarsi del mare, ha costituito invece a lungo fonte di meraviglia, soprattutto là dove i dislivelli raggiungono dimensioni importanti.

Un esempio, famoso nell’antichità, della complessità che possono assumere i fenomeni provocati dalla marea è fornito dalla corrente dello stretto di Euripo (in Grecia, tra l’isola di Eubea e la terraferma), che inverte la direzione del proprio moto fino a 14 volte al giorno. Eubea è la seconda isola greca: situata a nord di Atene, ha forma allungata, ed è disposta da sud est a nord ovest, e il canale di Euripo, o Evripos, la separa dalla terraferma. Ma le sue coste sono molto vicine al resto della Grecia: circa 28 metri! Guardando distrattamente la cartina della Grecia, Eubea non appare come un'isola, ma come una strana penisola, unita al suo centro alla terraferma. E invece, la modestissima "larghezza" dello stretto di Evripos, la cataloga come isola, un caso rarissimo di grande isola distante solo pochi metri dal continente.

La marea, difficilmente avvertibile a Taranto, dove si raggiunge un dislivello massimo di pochi centimetri, trova il suo massimo assoluto nella Baia di Fundy, in Nuova Scozia, dove il dislivello arriva ai 15 metri.

Un altro luogo molto interessante per le maree che vi si verificano è Mont Saint-Michel, un isolotto roccioso situato presso la costa settentrionale della Francia.

Sull'isolotto c’è il santuario in onore di San Michele Arcangelo.

La notevole architettura del santuario e la baia nel quale l'isolotto sorge con le sue maree (circa 14 metri di dislivello) ne fanno il sito turistico più frequentato della Normandia e uno dei primi dell'intera Francia, con circa 3.200.000 visitatori ogni anno. L’intero sito fa parte dal 1979 dei Patrimoni mondiali dell'umanità dell'UNESCO.

A causa dell'andamento piatto, le alte maree montano con grande rapidità (si dice con la velocità di un cavallo al galoppo).

Le spettacolari maree della baia hanno molto contribuito all'inespugnabilità del monte, rendendolo accessibile solo al minimo della bassa marea (via terra) o al massimo dell'alta marea (via mare).

La variabilità geografica delle maree coesiste con la notevole uniformità di alcune loro caratteristiche. Se ci si interessa ad esempio non ai dislivelli ma ai tempi in cui si realizzano, si verifica che nella stragrande maggioranza dei casi le maree sono semidiurne: ogni giorno si alternano cioè due flussi e due riflussi. Più precisamente, il doppio ciclo si ripete a intervalli uguali, di circa 24 ore e 50 minuti. Non è difficile scoprire una correlazione fra il ciclo semidiurno e la posizione della Luna, il cui moto apparente ha proprio un periodo di circa un giorno e 50 minuti, che si ottiene combinando la rotazione della Terra con la rivoluzione della Luna.

Il giorno solare è familiare a tutti: è il tempo che occorre alla Terra per ruotare facendo in modo che il Sole torni ad occupare la stessa posizione nel cielo, ad esempio dal mezzogiorno locale al successivo. Allo stesso modo il giorno lunare è il tempo che occorre alla Terra per ruotare facendo in modo che la Luna transiti due volte sul meridiano locale. Il giorno lunare è 50 minuti più lungo del giorno solare perchè la Luna ruota attorno alla Terra nella stessa direzione in cui la Terra ruota su sè stessa, per cui ogni 24 ore occorrono 50 minuti extra (circa) per recuperare la posizione della Luna.

Una caratteristica pressoché generale è inoltre la dipendenza dell’entità del fenomeno dalla fase della Luna: quasi sempre i dislivelli massimi si verificano attorno ai pleniluni e ai noviluni, e quelli minimi un paio di giorni dopo che la Luna è in quadratura (quando appare cioè illuminata a metà).

Quando nel Rinascimento si cercò di estendere ai fenomeni fisici terrestri le previsioni matematiche allora considerate tipiche dell’astronomia, le maree assunsero un’importanza cruciale, in quanto sembravano offrire un ponte fra cielo e Terra. Sono fenomeni del nostro mondo, ma le regolarità che presentano hanno una natura così chiaramente astronomica che l’esempio del flusso e riflusso del mare divenne un luogo comune a disposizione degli astrologi per provare in modo inconfutabile l’esistenza di influenze astrali sul nostro mondo.

I massimi scienziati della prima età moderna, si occuparono attivamente del flusso e riflusso del mare, fornendo spiegazioni diverse e dando vita ad accesi dibattiti sull’argomento. Il problema fu inquadrato definitivamente da Newton, nei suoi “Principia”, e la sua teoria rimase la base degli sviluppi successivi.

In sostanza la marea è un’onda che si muove attraverso gli Oceani, ed è causata delle forze esercitate dalla Luna e dal Sole: si origina in mare aperto e procede verso le coste, dove si manifesta come un abbassarsi e alzarsi del livello dell’acqua.

La gravità è la forza principale che causa le maree. La legge di gravitazione universale, formulata da Newton, afferma che due corpi si attraggono in maniera direttamente proporzionale al prodotto della masse e in maniera inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Perciò, tanto più grande è la massa e tanto minore è la distanza, tanto più due oggetti si attraggono con maggior forza.

Con la sola legge di gravitazione, oltre alle maree, si spiegano anche fenomeni come il moto dei pianeti e della Luna, e la caduta della famosa mela (un episodio di fantasia ma tramandato da una schiera di biografi e citato, fra gli altri, anche da Voltaire).

Newton spiegò che le maree derivano principalmente dall’attrazione gravitazionale del Sole e della Luna sulle acque degli oceani. L’idea in sé non era una novità assoluta. Ma se esisteva una forza che faceva in modo che le acque fossero attratte dalla Luna,e quindi deformate verso di essa, la rotazione diurna della Terra avrebbe fatto passare un punto sotto al rigonfiamento degli oceani (e quindi gli avrebbe fatto sperimentare il fenomeno dell’alta marea) una sola volta al giorno. Questa idea, nell’antichità, venne presto archiviata, dato che in moltissime località si verifica un ciclo semidiurno, cioè un’alta e una bassa marea ogni circa 6 ore. Oltre alla gravità bisogna chiamare in causa un altro fenomeno. Considerando il sistema costituito dalla Terra e dalla Luna, non è esattamente vero dire che la Luna compie un giro attorno alla Terra in un mese lunare. La Terra e la Luna, come se fossero i pesi disuguali del manubrio di un pesista, ruotano insieme attorno al baricentro comune del sistema. L’effetto della sola rotazione (ignorando la forza di gravità) è quello di far sì che le acque situate dal lato opposto rispetto alla Luna, tendano a sollevarsi per effetto della cosiddetta forza centrifuga. (La forza centrifuga, ricordiamo, è una forza apparente che si manifesta quando un corpo, che naturalmente tenderebbe a muoversi in linea retta, compie una traiettoria circolare o comunque curvilinea.)

In conclusione, l’effetto gravitazionale fra la Terra e la Luna è più intenso dal lato della Terra che è affacciato verso la Luna, dato che la Luna è più vicina, e questa attrazione fa avvicinare le acque verso la Luna e crea un “rigonfiamento mareale” verso la Luna. La Terra d’altra parte sperimenta un’attrazione centripeta che la costringe, si fa per dire a ruotare attorno al baricentro del sistema Terra-Luna. La differenza fra queste due forze, in sostanza la combinazione di gravità e inerzia, crea due rigonfiamenti mareali: uno si forma nel punto più vicino alla Luna, l’altro nel punto diametralmente opposto. Questi rigonfiamenti, per forza di cose, rimangono allineati lungo la direzione Terra-Luna.

Si potrebbe fare lo stesso tipo di ragionamento per il sistema Terra-Sole e il risultato sarebbe lo stesso: tuttavia il Sole, pur avendo una massa enormemente più grande di quella della Luna, è anche molto più lontano. L’effetto complessivo è che il contributo del Sole alla marea è circa la metà di quello della Luna, cioè un terzo dell’effetto di marea totale.

Dato che Sole e Luna, rispetto alla Terra, sono allineati solo durante le fasi di Luna Piena e Luna Nuova, in corrispondenza di queste fasi i rigonfiamenti mareali causati dai due astri si sommano, dando luogo ad una maggior forza mareale complessiva. In questi casi la marea solare ha un effetto di amplificazione della marea lunari, e le alte e le basse maree sono più pronunciate (sono dette in inglese “spring tides”). Dopo circa una settimana, quando il Sole e la Luna sono ad angolo retto uno rispetto all’altro, l’effetto del Sole cancella parzialmente l’effetto della Luna e si producono maree di entità minore (dette in inglese “neap tides”).

Oltre alla distanza della Luna dal Sole in termini di angolo, anche la distanza dei due astri ha un effetto importante. La Luna percorre un’orbita ellittica attorno alla Terra, e la sua distanza varia da 406700 km (apogeo) a 356000 km (perigeo). Una volta al mese, quando la Luna è più vicina alla Terra (al perigeo), le forze di marea sono più intense del normale, e producono maree superiori alla media. Dopo due settimane circa, quando la Luna si trova nel punto più lontano dalla Terra (all’apogeo) l’effetto dell’attrazione lunare è minore e le maree sono inferiori alla media. Una situazione simile avviene per il sistema Terra-Sole, anche se la variazione relativa della distanza è inferiore. Mentre le date di perielio e afelio sono fisse, le date del perigeo e apogeo lunare sono variabili, per cui il ciclo combinato è abbastanza complesso.

Questa periodicità complicata dei moti lunari fu scoperta dagli antichi astronomi Caldei , più di 2500 anni fa, che notarono che il sistema Luna-Terra-Sole tornava nella stessa configurazione all’incirca ogni 6585.3 giorni, cioè ogni 18 anni e 10 giorni, che è anche il ciclo, detto di Saros, con cui si ripetono le esclissi.

A complicare ulteriormente le cose, l’orbita della Luna non è sullo stesso piano dell’orbita della Terra, e inoltre la Terra ha l’asse di rotazione che è inclinato a sua volta rispetto al piano dell’orbita. Man mano che la Luna ruota attorno alla Terra, il suo angolo rispetto al piano dell’equatore terrestre cambia, cambia cioè la sua Declinazione. Anche gli apici dei rigonfiamenti mareali seguono questa variazione, aumentando o diminuendo la loro inclinazione rispetto all’equatore. Anche la declinazione del Sole cambia nel corso dell’anno, e anche la componente solare della marea è affetta da una certa inclinazione. Questa inclinazione del rigonfiamento mareale tende a creare zone che sperimentano cicli di marea differenti: - un ciclo semidiurno, caratterizzato da due alte e due basse maree ogni giorno lunare - se le alte e le basse maree sono fra loro molto differenti, il ciclo viene detto di tipo misto - infine il ciclo diurno, con una sola alta marea e una sola bassa marea al giorno

Riepilogando: - ci sono due doppi rigonfiamenti mareali, uno di origine lunare e uno di origine solare - hanno durate cicliche diverse e si combinano dando luogo a cicli complessi - ogni rigonfiamento mareale ha una sua inclinazione (variabile) rispetto all’equatore La loro combinazione dà luogo a una marea i cui massimi e minimi variano in continuazione, come intensità e come orario. Inoltre l’inclinazione provoca diversi tipi di cicli di marea in diverse zone del globo terrestre.

Altri fattori.

Se la Terra fosse una sfera perfetta senza grandi continenti, le onde di marea viaggerebbero abbastanza liberamente sul globo terrestre. Invece le grandi masse continentali bloccano il transito verso Ovest dei rigonfiamenti mareali, man mano che la Terra ruota. L’onda di marea induce fenomeni complessi e molto diversi da un bacino oceanico all’altro.

La forma delle coste ha grande influenza.

Baie a forma di imbuto, in particolare, possono cambiare in modo notevole l’escursione della marea, come accade nella famigerata Baia di Fundy, in cui hanno luogo le maree più intense del mondo con un’escursione di 15 metri.

Passaggi molto stretti e acque poco profonde tendono a dissipare l’intensità dell’onda di marea, e località come Pamlico Sound, in North Carolina sono classificate come aree prive di marea, anche se sono in comunicazione diretta con l’oceano. Pamlico Sound è la laguna più grande lungo la costa orientale: è lunga 129 km, separata dall’Oceano Atlantico da una lunga serie di isole e barriere naturali sabbiose - pare che l’esploratore Giovanni da Verrazzano avesse scambiato la laguna per l’Oceano Pacifico. Questa barriera naturale smorza completamente l’onda di marea dell’Oceano Atlantico.

I venti locali e le caratteristiche meteorologiche possono influenzare le maree. Forti venti di terra possono allontanare l’acqua dalle coste, incrementando l’effetto della bassa marea, e viceversa. Zone di alta pressione, possono far diminuire il livello del mare, dando luogo a giorni di bel tempo con maree eccezionalmente basse, mentre le zone di bassa pressione, possono essere associate a maree più alte del previsto.

La previsione delle maree è molto importante per le persone per cui il mare è la prima fonte di sussistenza, e per tutti colori che vivono o amano trascorrere il loro tempo libero a contatto con il mare.

Sicuramente erano state prese ottime informazioni sulla marea per far passare una serie di gru portuali al di sotto di un ponte nella baia di S.Francisco nel 2002: il passaggio sotto all’Oakland Bridge era di circa 1,5 m con la bassa marea.

In passato i sistemi per registrare il livello delle acque utilizzavano un registratore a carta in cui una punta scrivente viene mossa da un galleggiante che segue il livello dell’acqua. Il galleggiante di solito si muove dentro un cosiddetto tubo di calma, che riduce le oscillazioni e i disturbi causati dalle onde e da piccoli movimenti del livello dell’acqua. I dati sono curve tracciate su un registratore a carta, da raccogliere e da elaborare manualmente. Un grosso vantaggio è dato dal fatto che i movimenti sono ad orologeria: il meccanismo è immune da blackout elettrici, uno svantaggio è il tempo per tradurre i dati in forma di numeri da elaborare.

Questi sistemi sono affiancati da sistemi computerizzati che consentono una raccolta di dati più veloce, precisa e pronta per la successiva elaborazione al computer. Un sistema di misura consiste nell’inviare un segnale acustico verso la superficie dell’acqua all’interno di un tubo e cronometrare (con un microprocessore!) il tempo che occorre al segnale per ritornare – dal tempo si calcola la distanza del sensore dall’acqua.

Come abbiamo detto, il livello dell’acqua cambia in maniera periodica, secondo cicli semidiurni (due cicli alta-bassa marea al giorno), diurni (un solo ciclo alta-bassa marea in un giorno), o una combinazione dei due. La base dell’analisi della maree è che le oscillazioni, per quanto siamo complesse all’apparenza, possono essere rappresentate come la somma di una serie di funzioni sinusoidali semplici.

La marea può essere pensata come una oscillazione estremamente complessa, da immaginarsi suddivisa in tante funzioni periodiche più semplici che alla fine vengono sommate. Ogni funzione ha un suo periodo caratteristico di oscillazione, così come sono periodiche le forze che muovono la maree, legate al moto della Terra e della Luna, e si può dire che ogni funzione rappresenta una componente della marea. Fra le tante componenti, ne esisterà una con un periodo di 12 ore solari: è la componente semidiurna dovuta al Sole. E ci dovrà essere un’altra componente semidiurna dovuta alla Luna, con un periodo più lungo di circa 25 minuti. Con opportuni parametri delle funzioni elementari, si può ottenere per somma un qualsiasi tipo di funzione periodica

E una volta noti i parametri delle funzioni che descrivono la marea in un certo luogo, è possibile determinare le variazioni future nel tempo della marea.

Oggi disegnare funzioni con il personal computer è relativamente facile. Basta trovare i parametri della zona che ci interessa e ci possiamo calcolare da soli le maree per il nostro porto e per tutto l’anno. La matematica per fare queste analisi fu formulata molto tempo prima che fossero disponibili i computer, e naturalmente a qualcuno venne in mente di costruire un dispositivo in grado di disegnare il grafico della marea in base alla conoscenza di tutte le sue componenti.

Prima dell’elettronica digitale e anche prima dell’elettronica tout-court, il calcolo si faceva con strumenti meccanici. Furono costruiti meccanismi in cui una penna tracciava una linea su un diagramma, somma di tante sinusoidi di diversa ampiezza, periodo e fase, ognuna delle quali generata da un set di ruotismi e trasmissioni. Il meccanismo scrivente che muoveva la penna, in un certo senso raccoglieva tutti questi moti in uno solo, e si tracciava così il grafico della marea risultante. Erano realizzazioni monumentali e costose, che richiedevano abilità sia per costruirle che per farle funzionare.

Tanto per far vacillare gli ultimi neuroni, introduciamo un ulteriore concetto, quello della cosiddetta Accelerazione di Coriolis, e della conseguente Forza di Coriolis. Gaspard Gustave Coriolis, nato a Parigi nel 1792 ed ivi morto nel 1843, fu un matematico e ingegnere, direttore del prestigioso Ecole Polytecnique, che analizzò questa strana forza. La forza di Coriolis si sviluppa quando un oggetto, come la massa d’acqua che si sposta con la marea, percorre tratti considerevoli in latitudine, cioè lungo un meridiano. É un forza apparente, dovuta al fatto stesso che la Terra ruota attorno a un asse. É affine come concetto di base (anche se qualche purista mi sparerebbe) alla forza centrifuga: se il moto rotatorio si fermasse non esisterebbero più nè la forza centrifuga nè la forza di Coriolis.

Uno degli effetti più vistosi della forza di Coriolis è il senso di rotazione della masse d’aria nell’atmosfera. Le circolazioni depressionarie, i cosiddetti vortici di bassa pressione, ruotano in senso antiorario nell’emisfero Nord e in senso orario nell’emisfero Sud.

Una massa d’acqua che si muove da Nord a Sud o da Sud a Nord, come può essere l’acqua che entra ed esce dal mare Adriatico a causa della marea, tenderà a ruotare come le circolazioni d’aria dell’atmosfera. Se il mare fosse come una bacinella, questo sarebbe l’effetto.

Abbiamo dovuto parlare di questo fenomeno per avvicinarci alla conclusione di questa chiacchierata e dire qualcosa delle maree del nostro mare, il mare Adriatico. L’Adriatico ha la marea più ampia di tutto il bacino del Mar Mediterraneo: nelle sue zone più settentrionali l’escursione supera il metro. Non è l’azione diretta della gravità a provocare questa marea, che in un bacino relativamente piccolo come questo sarebbe abbastanza ridotta. L’onda di marea indotta nel Mediterraneo fa sì che il livello del mare nello stretto di Otranto oscilli su e giù: questa oscillazione agisce come uno stantuffo e provoca un’onda che si propaga dentro l’Adriatico. L’onda viene ruotata dalla forza di Coriolis e si riflette contro l’estremo nord del bacino, che è chiuso. Una semplice descrizione della marea in Adriatico si ottiene considerando le linee congiungenti i punti di uguale ampiezza di marea e le linee che uniscono i punti che hanno la stessa fase, cioè in qui la marea è uguale allo stesso istante (linee cotidali). Le componenti semidiurne presentano un nodo anfridromico dove l’escursione di marea è nulla.

Attorno a questo punto le maree ruotano in senso antiorario: la marea si propaga lungo la costa orientale, riempie l’estremità settentrionale e e torna indietro lungo la costa italiana, completando il giro in circa 12 ore. Le linee di uguale ampiezza sono grosso modo circoli concentrici. Le massime ampiezze si hanno all’estremità settentrionale del bacino, in quanto l’onda di marea viene ulteriormente amplificata dall’acqua bassa.

 anticipi e ritardi della marea nell’Alto Adriatico
marea a Trieste (semidiurna) e Ancona (diurna)

Il fenomeno dell'acqua alta nell'Adriatico settentrionale avviene quando il massimo della marea meteorologica (bassa pressione e forti venti sciroccali) coincide con un'alta marea astronomica: l'elevazione complessiva del mare può superare, nei casi più vistosi, i due metri sopra il livello medio.

Le forze di marea molto tempo fa hanno congelato la Luna nella sua rotazione sincrona attorno alla Terra: la Luna ci mostra sempre la stessa faccia. L’attrito dell’acqua sul fondo degli oceani, dovuto al propagarsi dell’onda di marea, rallenta la rotazione della Terra e la durata del giorno si allunga di circa 1/500 di secondo al secolo, e la Luna si sta allontanando dalla Terra di circa 38 millimetri all’anno. Quando il giorno terrestre sarà lungo quanto un mese lunare, la Terra rivolgerà uno stesso emisfero verso la Luna. Quindi metà del globo non vedrà mai la Luna, se non andando in vacanza nell’emisfero dove questa è visibile, immobile sopra l’orizzonte.

“Se le stelle, anziché brillare continuamente sul nostro capo, non si potessero vedere che da un solo punto della Terra, gli uomini non cesserebbero di recarvisi per contemplare ed ammirare le meraviglie dei Cieli " Seneca Le maree saranno modeste, perché la Terra sarà solidale ai rigonfiamenti mareali lunari, per cui il fenomeno sarà molto ridotto come intensità.

Questo non potrà avvenire, però, perché i calcoli indicano che il rallentamento dovrà durare per 100 miliardi di anni a partire da oggi, ma fra circa 5 miliardi di anni il Sole si espanderà e sì trasformerà in una stella gigante rossa, spazzando via tutti i pianeti interni, compreso quindi il sistema Terra-Luna

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