Interrelazioni litosfera, atmosfera e idrosfera
Nel Carso triestino i fiumi scompaiono sottoterra, in Sicilia si trovano miniere di sale e di gesso e l'Europa nord-occidentale ha inverni più miti di quanto la sua latitudine farebbe pensare. Cosa lega fenomeni così diversi? La risposta è che litosfera, atmosfera e idrosfera non sono compartimenti separati: scambiano continuamente acqua, energia e materia. Alla fine della pagina tornerai a queste tre domande.
Il ciclo dell'acqua
L'acqua della Terra non sta ferma: evapora, sale in quota, condensa, ricade e torna al mare. Questo percorso è il ciclo idrologico, e coinvolge tutte e tre le sfere.
La sua energia viene dal Sole, che riscalda mari, laghi e suolo e fa evaporare l'acqua. La gravità fa invece scendere l'acqua verso il basso (pioggia, ruscellamento, infiltrazione).
I passaggi principali:
-
Evaporazione: l'acqua liquida (mari, laghi, suolo, traspirazione delle piante) diventa vapore.
-
Condensazione: salendo il vapore si raffredda e forma goccioline, cioè le nuvole.
-
Precipitazione: pioggia, neve o grandine riportano l'acqua al suolo.
-
Ruscellamento: parte dell'acqua scorre in superficie e raggiunge fiumi, laghi e mare.
-
Infiltrazione: parte penetra nel suolo e nelle rocce permeabili, fino a raggiungere uno strato impermeabile.
Una falda acquifera è un volume di rocce o sedimenti permeabili saturi d'acqua, che poggia su uno strato impermeabile. È un serbatoio della litosfera alimentato dall'infiltrazione, da cui si captano pozzi e sorgenti.
Il ciclo dell'acqua collega atmosfera, idrosfera e litosfera. a) Descrivi i passaggi principali: evaporazione, condensazione, precipitazione, infiltrazione e…
Il ciclo dell'acqua collega atmosfera, idrosfera e litosfera.
- a) Descrivi i passaggi principali: evaporazione, condensazione, precipitazione, infiltrazione e ruscellamento.
- b) Quale fonte di energia alimenta il ciclo?
- c) Che cos'è una falda acquifera?
Rocce, acqua e CO₂: alterazione, carsismo ed erosione
Quando piove, l'acqua assorbe $\text{CO}_2$ dall'atmosfera e diventa leggermente acida: $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3$. Questa acqua attacca le rocce: è l'alterazione chimica, in cui i minerali reagiscono con acqua e gas atmosferici e si trasformano in altri minerali o in ioni disciolti.
Le rocce carbonatiche (calcari e dolomie) sono le più vulnerabili. La reazione chiave è:
$$\text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2\,\text{HCO}_3^-$$cioè il carbonato di calcio, praticamente insolubile, diventa idrogenocarbonato di calcio $\text{Ca(HCO}_3)_2$, solubile e trasportato via dall'acqua.
Il ruolo dell'atmosfera è dunque fornire la $\text{CO}_2$, quello dell'acqua fare da solvente e da reagente. La litosfera mette a disposizione il carbonato.
Erosione e trasporto
L'erosione asporta materiale dalle rocce alterate e lo trasporta (fiumi, vento, ghiacciai). Si misura spesso come massa asportata per unità di superficie e di tempo. Tre fattori la controllano:
-
la pioggia: dilava il suolo e alimenta i fiumi che trasportano i sedimenti;
-
il gelo-disgelo: l'acqua nelle fratture gela e aumenta di volume (circa 9%), spaccando la roccia;
-
la vegetazione: le radici trattengono il suolo e la copertura vegetale riduce l'impatto delle gocce; dove manca, l'erosione cresce.
Il carsismo è tipico di aree come il Carso triestino. a) Scrivi la reazione fra carbonato di calcio, acqua e anidride carbonica che produce idrogenocarbonato di calcio.…
Il carsismo è tipico di aree come il Carso triestino.
- a) Scrivi la reazione fra carbonato di calcio, acqua e anidride carbonica che produce idrogenocarbonato di calcio.
- b) Spiega come si formano grotte, stalattiti e stalagmiti.
- c) Spiega il ruolo dell'atmosfera e dell'acqua in questo processo.
Un fiume alpino trasporta ogni anno $2{,}4\times10^{5}\ \text{t}$ di sedimenti verso la pianura, con un bacino di $1.200\ \text{km}^2$. a) Calcola l'erosione media annua…
Un fiume alpino trasporta ogni anno $2{,}4\times10^{5}\ \text{t}$ di sedimenti verso la pianura, con un bacino di $1.200\ \text{km}^2$.
- a) Calcola l'erosione media annua in tonnellate per $\text{km}^2$.
- b) Con densità media delle rocce $2{,}6\ \text{t/m}^3$, stima l'abbassamento medio in mm all'anno (arrotonda al decimo di mm).
- c) Spiega il ruolo di pioggia, gelo-disgelo e vegetazione nell'erosione.
Oceano e atmosfera: correnti, El Niño e circolazione termoalina
Atmosfera e oceano formano un unico sistema che ridistribuisce il calore dall'equatore ai poli.
Le correnti superficiali
I venti dominanti (alisei e venti occidentali) trascinano l'acqua superficiale per attrito; la rotazione terrestre (forza di Coriolis) e la forma dei continenti la curvano, creando grandi vortici oceanici. La Corrente del Golfo nasce nel Golfo del Messico, risale lungo le coste degli Stati Uniti e poi, come Deriva Nord-Atlantica, attraversa l'oceano verso l'Europa. Trasporta enormi quantità di acqua calda tropicale. Cedendo calore all'aria, che poi i venti occidentali portano sul continente, rende miti inverni e coste dell'Europa nord-occidentale, a latitudini dove in Canada il mare gela.
El Niño
Nel Pacifico equatoriale, in condizioni normali, gli alisei soffiano da est a ovest e spingono l'acqua calda superficiale verso l'Indonesia e l'Australia. Lungo le coste del Perù l'acqua superficiale richiamata via è sostituita da acqua profonda, fredda e ricca di nutrienti (upwelling), che sostiene la pesca. Il Pacifico occidentale è caldo, con molte piogge; quello orientale più freddo e secco.
Durante El Niño gli alisei si indeboliscono. L'acqua calda ritorna verso est, l'upwelling si riduce e la temperatura superficiale del Pacifico orientale sale. Cambiano anche le zone di piogge intense, che si spostano verso il Pacifico centrale e orientale.
| Condizione normale | El Niño | |
|---|---|---|
| Alisei | forti, da est a ovest | indeboliti |
| Acqua calda | accumulata a ovest | si estende verso est |
| Upwelling peruviano | intenso | ridotto |
| Piogge | Indonesia, Pacifico occidentale | Pacifico centrale e orientale |
Conseguenze globali tipiche: piogge e inondazioni in Perù ed Ecuador, siccità in Indonesia e Australia, crollo della pesca di acciughe, perturbazioni delle stagioni in molte regioni del mondo.
La circolazione termoalina
Le correnti profonde sono guidate dalla densità dell'acqua, che dipende da temperatura e salinità (da cui «termo-alina»). Nel Nord Atlantico, vicino a Groenlandia e Labrador, l'acqua della Corrente del Golfo si raffredda. Inoltre, quando si forma il ghiaccio marino, il sale resta nell'acqua liquida, che diventa più salata. Acqua fredda e salata è densa: sprofonda, formando l'acqua profonda nord-atlantica, che scorre verso sud negli abissi, mentre in superficie altra acqua calda sale a rimpiazzarla. È il «nastro trasportatore» oceanico, che dura secoli.
Se per lo scioglimento dei ghiacci arrivasse molta acqua dolce, la superficie diventerebbe meno densa e sprofonderebbe con più difficoltà: la circolazione si indebolirebbe. Meno acqua calda trasportata verso nord significherebbe, in ipotesi, un raffreddamento dell'Europa nord-occidentale, nonostante il riscaldamento globale. L'oceano agisce quindi da regolatore termico del pianeta: accumula e trasporta calore, rallentando le variazioni del clima.
Le correnti oceaniche influenzano il clima delle regioni costiere. a) Che cos'è la Corrente del Golfo? b) Perché porta un clima più mite sull'Europa nord-occidentale? c)…
Le correnti oceaniche influenzano il clima delle regioni costiere.
- a) Che cos'è la Corrente del Golfo?
- b) Perché porta un clima più mite sull'Europa nord-occidentale?
- c) Quale ruolo ha il vento nel generare le correnti superficiali?
Il fenomeno El Niño modifica la circolazione atmosferica e oceanica nel Pacifico. a) Descrivi la condizione normale degli alisei e della temperatura superficiale del…
Il fenomeno El Niño modifica la circolazione atmosferica e oceanica nel Pacifico.
- a) Descrivi la condizione normale degli alisei e della temperatura superficiale del mare nel Pacifico equatoriale.
- b) Descrivi che cosa cambia durante El Niño.
- c) Indica due conseguenze climatiche globali di El Niño.
La circolazione termoalina (nastro trasportatore oceanico) è guidata da differenze di temperatura e salinità. a) Spiega come si forma l'acqua profonda nord-atlantica e…
La circolazione termoalina (nastro trasportatore oceanico) è guidata da differenze di temperatura e salinità.
- a) Spiega come si forma l'acqua profonda nord-atlantica e perché è densa.
- b) Spiega perché un forte afflusso di acqua dolce da scioglimento dei ghiacci potrebbe indebolire la circolazione.
- c) Discuti le possibili conseguenze sul clima europeo e il ruolo dell'idrosfera come regolatore termico.
I vulcani e il clima
I vulcani (litosfera) immettono materiali in atmosfera e influenzano il clima. Le eruzioni emettono soprattutto vapore acqueo ($\text{H}_2\text{O}$), anidride carbonica ($\text{CO}_2$) e anidride solforosa ($\text{SO}_2$), oltre a $\text{H}_2\text{S}$, HCl e ceneri.
Gli effetti sono opposti a seconda della scala temporale:
-
Breve termine (1-2 anni): nelle eruzioni esplosive abbastanza violente da raggiungere la stratosfera, l'$\text{SO}_2$ forma aerosol di acido solforico. Questi riflettono la radiazione solare e raffreddano la superficie. Le ceneri cadono in giorni o settimane.
-
Lungo termine (milioni di anni): la $\text{CO}_2$ vulcanica, un gas serra, si aggiunge all'atmosfera e riscalda, ma in modo graduale. L'aumento è bilanciato nel tempo dal ciclo carbonati-silicati: la CO₂ viene rimossa dall'alterazione dei silicati e dalla formazione di carbonati, un regolatore a lunghissima scala del clima.
Le reazioni, semplificate, che portano dall'$\text{SO}_2$ all'acido solforico sono:
$$2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{SO}_3 \qquad \text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$$In stratosfera l'ossidazione è in realtà mediata da radicali (per esempio $\text{OH}$), ma il risultato netto è questo. Le goccioline di $\text{H}_2\text{SO}_4$ sono piccole e restano in quota per mesi, finché non vengono rimosse.
Anche l'acqua è coinvolta: nell'alterazione chimica i minerali (per esempio i feldspati) reagiscono con acqua e $\text{CO}_2$ e si trasformano in argille e ioni in soluzione. Le ceneri vulcaniche, molto fini, si alterano in fretta e formano suoli fertili: i versanti dell'Etna e del Vesuvio ne sono un esempio.
L'attività vulcanica influenza l'atmosfera. a) Cita tre gas emessi dai vulcani. b) Spiega come le ceneri e i gas vulcanici possono influire sul clima. c) Che cos'è…
L'attività vulcanica influenza l'atmosfera.
- a) Cita tre gas emessi dai vulcani.
- b) Spiega come le ceneri e i gas vulcanici possono influire sul clima.
- c) Che cos'è l'alterazione chimica delle rocce, e quale ruolo ha l'acqua?
Un'eruzione esplosiva di grande entità immette in stratosfera $2\times10^{10}\ \text{kg}$ di $\text{SO}2$. a) Scrivi le reazioni che portano alla formazione di aerosol…
Un'eruzione esplosiva di grande entità immette in stratosfera $2\times10^{10}\ \text{kg}$ di $\text{SO}_2$.
- a) Scrivi le reazioni che portano alla formazione di aerosol di acido solforico a partire da $\text{SO}_2$.
- b) Spiega perché questi aerosol raffreddano il clima per uno o due anni.
- c) Confronta questo effetto con quello a lungo termine della $\text{CO}_2$ vulcanica e spiega perché l'effetto netto sul clima dipende dalla scala temporale.
La crisi di salinità del Messiniano
Circa $5{,}9$-$5{,}3$ milioni di anni fa il Mediterraneo si isolò quasi del tutto dall'Atlantico. È un caso in cui tettonica, oceano e clima agiscono insieme.
-
Litosfera: il movimento della placca africana verso l'Europa, con il sollevamento della zona dello stretto di Gibilterra, restrinse e poi chiuse la comunicazione con l'Atlantico.
-
Idrosfera e atmosfera: il Mediterraneo, in un clima caldo e secco, perde per evaporazione più acqua di quanta ne ricevano fiumi e piogge. Senza l'apporto dell'Atlantico il livello si abbassò di centinaia, forse migliaia di metri e la salinità aumentò.
-
Deposizione: l'acqua, sempre più concentrata, raggiunse la saturazione e i sali precipitarono come evaporiti.
I minerali precipitano in ordine di solubilità crescente, perché i meno solubili raggiungono prima la saturazione:
| Ordine | Minerale | Formula | Quando precipita |
|---|---|---|---|
| 1 | carbonati (calcite, dolomite) | $\text{CaCO}_3$, $\text{CaMg(CO}_3)_2$ | per primi, con evaporazione modesta |
| 2 | gesso | $\text{CaSO}_4\cdot2\,\text{H}_2\text{O}$ | quando l'acqua è già molto concentrata |
| 3 | salgemma (alite) | $\text{NaCl}$ | ultimo, quando resta poca acqua |
Alla fine, circa $5{,}33$ milioni di anni fa, l'Atlantico irruppe di nuovo attraverso Gibilterra e ricolmò il bacino.
In Italia restano le tracce: i gessi della Sicilia centrale (area di Caltanissetta), il salgemma delle miniere siciliane e i gessi dell'Appennino emiliano-romagnolo, che formano il paesaggio carsico dei «Gessi bolognesi».
Ora puoi chiudere il cerchio con le domande iniziali. I fiumi del Carso scompaiono perché il calcare è sciolto dall'acqua con $\text{CO}_2$. Le miniere di gesso e di sale in Sicilia sono eredità di un Mediterraneo evaporato. Le coste dell'Europa nord-occidentale sono più miti grazie alla Corrente del Golfo.
La crisi di salinità del Messiniano (circa $5{,}9$-$5{,}3$ milioni di anni fa) portò al parziale prosciugamento del Mediterraneo. a) Spiega come la chiusura dello…
La crisi di salinità del Messiniano (circa $5{,}9$-$5{,}3$ milioni di anni fa) portò al parziale prosciugamento del Mediterraneo.
- a) Spiega come la chiusura dello stretto di Gibilterra, legata alla tettonica, abbia causato la deposizione di evaporiti.
- b) Indica quali minerali evaporitici si depositano in sequenza (carbonati, gessi, salgemma) e perché.
- c) Spiega le interrelazioni tra litosfera, idrosfera e atmosfera in questo evento e le sue tracce in Italia, come i gessi della Sicilia.
In sintesi
-
Il ciclo dell'acqua, alimentato dal Sole, collega atmosfera, idrosfera e litosfera (evaporazione, condensazione, precipitazione, ruscellamento, infiltrazione, falde).
-
L'acqua con $\text{CO}_2$ scioglie i carbonati: $\text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2\,\text{HCO}_3^-$. Così nascono carsismo, grotte e concrezioni; l'erosione dipende da pioggia, gelo-disgelo e vegetazione.
-
Venti e correnti trasferiscono calore: la Corrente del Golfo addolcisce l'Europa, El Niño cambia alisei e piogge nel Pacifico, la circolazione termoalina dipende da temperatura e salinità.
-
I vulcani raffreddano il clima nel breve periodo (aerosol di $\text{H}_2\text{SO}_4$ in stratosfera) e lo riscaldano nel lungo periodo (CO₂).
-
La crisi di salinità del Messiniano mostra l'intreccio tra tettonica (chiusura di Gibilterra), evaporazione e deposizione di evaporiti (carbonati → gesso → salgemma).