Traccia della conferenza sulle maree tenuta in occasione del corso "Astrovela" organizzato dall'ARAR e dal Circolo Velico Riminese - primavera 2007

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.

Flussi e riflussi possono presentarsi con modalità molto diverse e verificarsi a seconda del luogo una, due o quattro volte al giorno.

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, come si vede combinando la rotazione della Terra con la rivoluzione 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).

Il ciclo mensile è tuttavia solo approssimativo: la successione di flussi e riflussi non si ripete allo stesso modo ogni mese e l’andamento reale può essere approssimato meglio (ma non descritto esattamente) con un ciclo di durata annuale.

L’elaborazione di una teoria scientifica in grado di spiegare i fenomeni elencati è stata un’impresa tutt’altro che facile: le regolarità a cui abbiamo accennato fanno escludere che le maree possano avere un’origine accidentale e suggeriscono l’esistenza di un’unica causa, che non è tuttavia facilmente identificabile.

Fu Newton che affrontò e risolse il problema delle maree nei suoi “Principia”, elaborando una teoria che rimase la base degli sviluppi successivi.

In sostanza la marea è un’onda di frequenza molto bassa che si muove attraverso gli Oceani, ed è causata delle forze esercitate dalla Luna e dal Sole.

La marea si origina in mare aperto e procede verso le coste, dove si manifesta come un abbassarsi e alzarsi del livello dell’acqua.

Newton spiegò che le maree derivano principalmente dall’attrazione gravitazionale del Sole e della Luna sulle acque degli oceani.

Oltre alla gravità bisogna chiamare in causa un altro fenomeno: considerando il sistema costituito dalla Terra e dalla Luna, esse, come se fossero i pesi disuguali del manubrio di un pesista, ruotano insieme attorno al baricentro comune del sistema.

L’effetto di questa rotazione è quello di far sì che le acque situate dal lato opposto rispetto alla Luna, tendano a sollevarsi per effetto della cosiddetta forza centrifuga.

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 fase della Luna, anche la distanza di Luna e Sole 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 produconomaree 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.

Quando la Terra è più vicina al Sole (perielio), e questo avviene ogni anno attorno al 2 gennaio, la componente solare della marea è accentuata.

Quando invece la Terra si trova nel punto più lontano dal Sole (afelio), e questo avviene ogni anno attorno al 2 luglio, l’escursione di marea solare è ridotta.

Le date di 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, e anche gli apici dei rigonfiamenti mareali seguono questa variazione, aumentando o diminuendo la loro inclinazione rispetto all’equatore.

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

Altri fattori che influenzano il flusso delle maree:

• 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 vero 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.
• Il movimento dell’onda di marea segue le leggi che regolano il moto dei fluidi. Se ad esempio la profondità dell’acqua diminuisce, l’onda di marea tende a rallentare, e quindi l’alta marea ritarda nei luoghi non ancora raggiunti da questa onda
• l’attrito dell’acqua con il fondo dei bacini e l’attrito fra le correnti di marea e altre correnti marine
• la forma delle coste è importante: baie a forma di imbuto, in particolare, possono cambiare in modo notevole l’escursione della marea, come accade nella famigerata Baia di Fundy in Nuova Scozia, in cui hanno luogo le maree più intense del mondo con un’escursione di 15 metri.
• 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. Al contrario, venti di mare possono spingere le acque verso la costa eliminando gli effetti della bassa marea o esaltando l’alta marea.
• Sistemi anticiclonici, cioè zone di alta pressione, possono far diminuire il livello del mare, dando luogo a giorni di bel tempo con maree eccezionalmente basse. Al contrario, sistemi ciclonici, cioè zone di bassa pressione, possono essere associati a maree più alte del previsto.

Esiste una forza, detta “forza di Coriolis”, che 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.

Uno degli effetti più vistosi della forza di Coriolis è il senso di rotazione della masse d’aria nell’atmosfera.

La circolazione attorno alle zone di alta pressione è oraria nell'emisfero Nord e antioraria nell'emisfero Sud, mentre le circolazioni depressionarie, i vortici di bassa pressione, ruotano in senso inverso.

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.

Inoltre proprio 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, ma è l’onda di marea indotta nel Mediterraneo che 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.

Questa 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 semidiurnepresentano 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.

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, che molto tempo fa hanno congelato la Luna nella sua rotazione sincrona attorno alla Terra (infatto la Luna ci mostra sempre la stessa faccia), rallentano la rotazione della Terra e la durata del giorno si allunga di circa 1/500 di secondo al secolo.

Quando il giorno terrestre sarà lungo quanto un mese lunare, la Terra rivolgerà uno stesso emisfero verso la Luna, e quindi metà del globo non vedrà mai il nostro satellite.

I calcoli però 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 il sistema Terra-Luna con le sue meravigliose maree ...

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