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OCEANOGRAFIA 3
Anno Accademico 2012-2013
Docente: Renzo Mosetti
[email protected]
Caratteristiche fisiche degli Oceani
Riferimenti:
•Stewart: Capitolo 3.
2-1 The Earth’s Structure
Earth consists of a series of concentric
layers or spheres which differ in chemistry
and physical properties.
Earth’s structure can be described in terms
of layers with different compositions or
different physical properties.
2-1
The Earth’s Compositional Structure
Crust
-surf to ~ 50 km
-low-density rock
-silicon, aluminum & oxygen
-oceanic & continental
Mantle
-50 to 2900 km
-hot, dense rock
-iron, magnesium, silicon,
oxygen
Core
-2900 to 6371 km
-iron & nickel
-outer core is molten
-inner core is solid
Atmosphere
-40 km
-gaseous envelope, oxygen
and nitrogen
Hydrosphere
-4 km
-contains all ‘free’ water
Biosphere
-all living & non-living
organic matter
2-1 The Earth’s Physical Structure
Physical state is determined by the
combined effects of pressure and
temperature.
• Increasing temperature provides additional energy to the
atoms and molecules of matter allowing them to move farther
apart, eventually causing the material to melt.
• Increasing pressure raises the melting point of a material.
• Both pressure and temperature increase toward the
center of the Earth, but at variable rates, causing
Earth’s interior physical structure to vary accordingly
2-1 The Earth’s Physical Structure
Lithosphere
-crust & outer mantle
-pressure high, temp low
-rocks are rigid
Asthenosphere
-mantle to ~ 350 km
-temp high enough to melt
-weak, plastic rock
Mesosphere
-below Astheno
-pressure high, mp raises
-rocks are rigid
Outer core
-temp high
-rock is melted
Inner core
-pressure high, -solid iron &
nickel
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
• Physiography and bathymetry (submarine
landscape) allow the sea floor to be
subdivided into three distinct provinces:
– continental margins
– deep ocean basins
– midoceanic ridges.
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
Continental margins:
-
submerged edges of the
continents
- consist of massive wedges
of sediment eroded from
the land and overlying
water and deposited along
the continental edge
- Features include:
*Continental shelf
*Continental slope
-submarine canyons.
*Continental rise.
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
• Deep Ocean
Province
-is between the
continental margins and
the midocean ridge
-Features include:
*Abyssal plains: flat &
covered w/ sediment.
*Abyssal hills: buried
volcanoes < 1 km tall.
*Seamounts & guyots:
buried volcanoes >1km tall,
some w/ tops eroded.
*Deep sea trenches: deepest
on Earth; earthquake sites along
ocean margins.
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
Midoceanic
Ridge Province:
-continuous
submarine mountain
range.
-covers ~1/3 of the
ocean floor &
extends ~ 60,000
km around Earth.
-Features include:
*Rift valley: opposite
sides of ridge pulled apart
form valley in center.
*Transform fault: offset
ridge segments- active.
*Fracture zone: inactive
TF moved out into ocean
basins.
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
How do continents and ocean basins differ?
- Crustal composition:
- Continents
- Ocean basins
-
coarse-grained igneous granite
fine-grained volcanic basalt
2.7 – 2.8 g/cm3
2.9 g/cm3
Mantle rock is denser, ~3.3 g/cm3
- Moho discontinuity- boundary of crust & mantle (deeper over continents, 35km,
versus 5 km over ocean)
Granite
-igneous rock, formed from
molten rock.
Basalt
-volcanic origin; denser than granite.
Caratteristiche batimetriche degli oceani
Le quote della superficie terrestre rispetto al livello medio del mare
(lmm) variano dagli 8848m di altezza (Monte Everest) agli 11022m
di profondità (punto Vitiaz nella Fossa delle Marianne, nel Pacifico
Nord Occidentale). Nel corso delle ere geologiche la posizione della
linea di costa è variata in funzione della quantità di acqua
disponibile, che solitamente dipende dalle quantità di ghiaccio e neve
accumulata nelle zone artica ed antartica e in parte dalla
temperatura dell'acqua degli oceani (l'acqua si espande quando
viene riscaldata, quindi il livello medio del mare aumenta durante i
periodi caldi). Una caratteristica dell'attuale distribuzione
acqua/terra, che ha importanti implicazioni sul clima, è che la
superficie coperta da acqua aumenta costantemente spostandosi da
70% a 60%.
In percentuale, l'acqua sulla Terra occupa il 61% della
superficie nell'emisfero Nord, l'81% nell'emisfero Sud
ed in media ricopre circa il 71% della superficie
terrestre.
L'attuale distribuzione della quota della superficie
terrestre e del fondo marino rispetto al lmm è
rappresentata con un diagramma meglio noto come
curva ipsografica.
L'elevazione media della crosta terrestre è di circa 2240m. La crosta continentale (relativa alle terre
emerse) ha una elevazione media di circa 840m e la
crosta oceanica (relativa alle terre sommerse) ha una
elevazione media di -3795m.
The Physiography of the
2-2 Ocean Floor
How do continents and ocean basins differ?:
- Elevation:
- Bimodal distribution: 29% of Earth’s crust is above sea-level, 71% below.
Elemento topografico
Estensione
Profondità
Caratteristiche
Piattaforme
fino a 300 km
150-200 m de profundidade
Scarpate
20 - 100 km
200 - 2000 m
spesso solcate da canyons.
pendenze di 1 : 40.
Piede di scarpata
300 km
2000 - 5000 m
pendenze da 1 : 700 a 1 :
1000
Fosse
600 - 11000 m
ci sono 26 fosse negli oceani:
3 nell'Atlantico
1 nell'Indiano
22 nel Pacifico
Bacini
circa 5000 m
Margini continentali:
Piane Abissali
molto pianeggianti e riempite
di sedimenti
Montagne sommerse
risalgono dalle piane abissali
per migliaia di metri
Dorsali oceaniche: sistema
montuoso complesso
Central rift valley
400 km
3000 - 1000 m dal fondo
20 - 50 km
taglia di 1000 - 3000 m in
profondità le dorsali
oceaniche
Le proiezioni
Un importante strumento in Oceanografia fisica (come nelle altre
Scienze della Terra) è l'Atlante. Tutti trovano molti spunti di
interesse negli atlanti, ma pochi comprendono l'importanza di una
corretta scelta della proiezione usata per generare le mappe.
Una proiezione largamente usata in Oceanografia fisica è quella di
Mercatore. Essa fu sviluppata nel sedicesimo secolo al tempo delle
esplorazioni coloniali e dei lunghi viaggi in mare. Colombo scoprì
l'America e le navi di Magellano circumnavigarono il globo. Uno dei
problemi affrontati dai marinai era dato dall'incertezza della
navigazione lontano dalle coste. Nel secolo XVI una imbarcazione
doveva navigare tra due punti lungo una linea lossodromica (una
linea che forma sempre lo stesso angolo con le linee dei meridiani),
ovvero seguendo una direzione indicata dalla bussola, dal momento
che non si conoscevano metodi alternativi. Mercatore sviluppò una
proiezione che mostrava la superficie terrestre in modo che ogni
linea in ogni direzione fosse una linea lossodromica. Dunque un
marinaio, conoscendo il punto di partenza, poteva disegnare una
linea retta fino alla destinazione ed individuare la rotta giusta.
Per questo motivo quella di Mercatore diventò la proiezione standard per la
navigazione. Essa però non è esatta nella proiezione di aree e distanze e
quindi non è l'ideale per la realizzazione di carte geografiche molto estese. E'
una mappa conforme, nella quale, ad esempio, piccoli cerchi di uguale area
giacenti sulla superficie terrestre sarebbero rappresentati sulla carta sempre
come cerchi, ma, muovendosi verso i poli, la loro dimensione aumenterebbe.
I poli non possono essere rappresentati in una proiezione di Mercatore, in
quanto avvicinandosi ad essi la distanza tra due punti tende all'infinito. In
linea di principio, la rappresentazione di una linea curva su un piano implica
sempre delle distorsioni a causa di deformazioni (allungamento o
allargamento) e un'incompletezza dovuta all'impossibilità di rappresentare
alcune aree della superficie. Non esiste nessuna proiezione che può
soddisfare tutte e tre le proprietà desiderate, che sono:
•Equidistanza - corretta rappresentazione delle distanze
•Conformità (ortomorfismo) - corretta rappresentazione delle forme
•Equivalenza - corretta rappresentazione delle aree
la proiezione di
Mercatore (conforme)
proiezione di Gall/Peters (equivalente)
equivalente con griglia
curvilinea
Scale dei grafici
Come avrete notato la profondità media degli oceani è
abbastanza elevata (di poco inferiore a 4 km). Se
utilizzate un compasso con una mina anche molto
appuntita per disegnare un cerchio di 15 cm di raggio
per riprodurre la Terra, la linea tracciata dalla matita è
abbastanza spessa per rappresentare la crosta
terrestre sotto i continenti (30 km) ma troppo spessa
per rappresentare la crosta oceanica (10km). Le
irregolarità nella linea sarebbero abbastanza ampie
(anche troppo) per rappresentare le variazioni di
elevazione della terra solida. L'oceano sarebbe davvero
una pellicola sottilissima, infatti, se la terra fosse una
palla da pallacanestro, si noterebbe soltanto che la
maggior parte della sua superficie è bagnata.
Non c'è modo di rappresentare gli oceani con una
cartografia che conservi la stessa scala per distanze
orizzontali e verticali. E allora come è possibile dare una
rappresentazione grafica di tutte le proprietà degli oceani,
come la temperatura, la salinità o l'intensità delle
correnti, che variano in modo significativo con la
profondità? Rispetto all'estensione verticale degli oceani,
le distanze orizzontali sono così elevate che il solo modo
di produrre delle rappresentazioni comprensibili è quello
di usare scale distorte. Di solito su un dato diagramma
un'unità grafica rappresenta distanze orizzontali centinaia
di volte più grandi rispetto a quelle verticali. Un rapporto
solitamente utilizzato in Oceanografia fisica è quello
500:1. Questo si dovrebbe tenere bene in mente quando
si generano o interpretano dati oceanografici lungo dei
transetti.
La misura della profondità dell'oceano
la profondità dell'oceano é misurata in due modi :
•usando ecoscandaglio dalle navi,
•usando dati da satelliti altimetrici.
Sinistra: Gli Ecoscandagli misurano la profondità dell'Oceano trasmettendo
impulsi sonori e osservando il tempo richiesto per ricevere l'eco dal fondo
marino. Destra: Il tempo é registrato marcando un foglio di carta che é
mosso lateralmente. Da Dietrich, et al. (1980)
Seafloor
• Data collection: echo sounders and sonar
Altimetria Satellitare
Le lacune nella nostra conoscenza delle profondità oceaniche tra le rotte delle
navi sono state colmate dai dati dei satelliti altimetrici. Gli altimetri
descrivono la forma della superficie marina e questa forma é molto simile a
quella del fondo marino. Per capire ciò, dobbiamo considerare come la
gravità influenza il livello del mare.
La Relazione tra il livello del mare ed il fondo oceanico
Una protuberanza del fondo marino, per esempio la massa di una montagna
sottomarina, aumenta la gravità locale perché la massa di roccia e più
grande della massa di acqua corrispondente. Le rocce sono più di tre volte
più dense dell'acqua. Questo aumenta la gravità locale, che attrae maggiore
acqua attorno alla montagna. Questo cambia la forma della superficie del
mare (Figura 3.12).
Cerchiamo di rendere il concetto più preciso. Con buona approssimazione, il
livello marino é una particolare superficie chiamata geoide. Per definizione
una superficie é un livello di potenziale gravitazionale costante, ed é ovunque
perpendicolare alla forza di gravità. In particolare, deve essere
perpendicolare alla verticale di una linea di piombo, che é "una linea o corda
avente ad un capo un peso metallico per determinare la direzione verticale".
Il Geoide
La superficie di livello corrispondente alla superficie di un oceano a riposo é
una superficie speciale, il geoide. In prima approssimazione, il geoide é un
ellissoide che corrisponde alla superficie di un corpo rotante di fluido
omogeneo, che significa che il fluido non ha un flusso interno. In seconda
approssimazione, il geoide differisce dall'ellissoide a causa delle variazioni
locali della gravità. Le deviazioni sono dette ondulazione del geoide. La
massima ampiezza delle ondulazioni é di circa ±60 m. In terza
approssimazione, il geoide devia dalla superficie marina perché l'oceano non
é a riposo. La deviazione del livello marino dal geoide é definita come
topografia. La definizione é identica a quella della topografia sulla terra, per
esempio le altezze date da una mappa topografica.
La topografia dell'oceano é causata dalle maree, dal calore contenuto
nell'acqua e dalle correnti marine superficiali. La massima ampiezza della
topografia é circa ±1 m, che é piccola comparata alle ondulazioni.
Le montagne sottomarine sono più dense dell'acqua marina. Aumentano la gravità
locale causando alle linee perpendicolari alla superficie (vedi le frecce) di essere
deflesse verso il monte. Poiché la superficie di un oceano a riposo deve essere
perpendicolare alle linee di gravità, la superficie marina ed il geoide locale devono
avere una leggera gobba, come si vede nella figura. Tali gobbe sono facilmente
misurate dai satelliti altimetrici. Come risultato, i dati dei satelliti altimetrici possono
essere usati per mappare il fondo marino. Notate che la gobba alla superficie é
fortemente esagerata, un monte di duemila metri produce una gobba di circa 10 m di
altezza.
Un satellite altimetrico misura l'altezza del satellite dalla superficie marina. Quando
questa é sottratta dall'altezza r dell'orbita del satellite, la differenza é il livello marino
dal centro della terra. La forma della superficie é dovuta, alle variazioni della gravità,
che producono le ondulazioni del geoide, ed alle correnti oceaniche che producono la
topografia oceanica, lo scostamento della superficie marina dal geoide. Le variazioni
del Geoide, le ondulazioni e la topografia sono fortemente esagerate nella figura. Da
Stewart (1985).
Geologic Differences between
2-3 Continents and Ocean Basins
• Sea floor is thin (4 to 10 km), has greater density and does not
rise as high above the mantle.
• Continents are thick (30 to 40 km), have low density and rise
high above the supporting mantle rocks.
Oceanic Crust Versus Continental Crust
2-5 Geophysical Surveying
• Echo sounding and side-scan sonar.
• seismic reflection
• Seismic refraction
• altimetry
2-5 Geophysical Surveying
• Echo sounding and seismic reflection rely on
sound pulses that reflect off the ocean floor and off
sedimentary layers.
2-5 Geophysical Surveying
Seismic reflection reveals sub-surface features.
2-5 Geophysical Surveying
• Seismic refraction examines how sound waves
are bent (refracted) as they travel through
material. They reveal densities, depths, and
thicknesses of rock layers. (penetrates deeper than
seismic reflection)