Lo scopo di quest’attività è quello di studiare la formazione delle correnti marine attraverso un approccio storico-sperimentale. Il lavoro sarà incentrato sulle correnti marine generate dal vento e sull'importanza che queste rivestono per l'ecosistema. In questa attività si costruisce un prototipo di correntometro low-cost; l'idea è di rivisitare i progetti dei primi correntometri utilizzati in campo oceanografico per effettuare misure di direzione della corrente. Gli studenti ripercorreranno le orme dei primi oceanografi, effettuando delle simulazioni di misure in un piccolo golfo artificiale sito sulla costa di Civitavecchia.
All'attività sperimentale sarà affiancato uno studio teorico delle correnti che permetterà di descrivere concetti oceanografici complessi come la spirale di Ekman e gli Upwelling.
Scheda sintetica delle attività
L'attività consiste nella realizzazione di un prototipo di correntometro, nella misura della direzione della corrente e nello studio dell'importanza ecologica delle correnti marine generate dal vento.
La prima parte dell'esperimento consiste nella realizzazione dello strumento, l'idea è quella di costruire una segnavento da immergere in acqua per poi effettuare le misurazioni. Questo verrà costruito con materiale facilmente reperibile in qualsiasi ferramenta. Ogni strumento è munito di tre segna corrente montati su un asta lunga un metro e posti ad una distanza di circa trenta centimetri l'uno dall'altro. Il segna corrente è rappresentato da un'astina cilindrica di materiale plastico sullla quale vengono inserite due forme in plastica, una di forma trapezoidale che servirà da timone, ed un'altra di forma circolare che servirà come indicatore del verso. La misura della direzione della corrente viene effettuata rispetto ad una bussola. Il segnacorrente infatti si posizionerà nella stessa direzione della corrente, mentre gli studenti misureranno l'angolo che si forma tra il nord e il segna corrente. Lo strumento è stato realizzato in maniera tale da poter visualizzare la direzione della corrente una volta immerso in acqua. L'utilizzo di tre segnavento posti a distanze differenti ha lo scopo di verificare se la direzione della corrente cambia con la profondità.
La seconda parte dell'esperimento consta nell'attività di misura. L'obbiettivo principale è quello di simulare un'attività di misura sul campo al fine di mostrare agli studenti i metodi e le procedure di lavoro utilizzati in campo oceanografico. Gli studenti effettueranno una serie di misure volte a descrivere la circolazione della corrente che avviene all'interno del bacino scelto per l'esperimento.
Risorse necessarie
3 barre filettate da 1 m (diametro 0,4 cm);
2 barre da 1m in pvc (diametro 1 cm);
forbici;
1 foglio di plastica rigido trasparente (spessore 0,25mm);
18 dadi (diametro foro 0,4 cm);
3 galleggianti;
filo da pesca;
primer spray;
vernice spray bianca;
seghetto;
morsa;
trapano;
18 viti autofilettanti (diametro 0,2 cm);
3 bussole;
sensore di temperatura;
correntometro ad elica.
Figura 1: materiale necessario; dall'alto a sinistra barra filettata con dado, barretta in pvc, forbici, foglio di plastica trasparente, galleggiante, filo da pesca, primer spray, vernice spray, seghetto, morsa, trapano, viti autofilettanti, bussola, sensore di temperatura.
Prerequisiti necessari
Nozioni di fisica di base (piano inclinato; attrito; trasformazioni energetiche);
caratteristiche fisico-chimiche del mare;
concetti generali sui movimenti del mare.
Obiettivi di apprendimento
Migliorare le conoscenze relative alla circolazione marina;
stimolare gli studenti a realizzare con materiali semplici strumenti di misura da utilizzare sul campo per comprendere fenomeni fisici.
Dotazioni di sicurezza
Nessuna
Svolgimento
Realizzazione dello strumento di misura
Si realizzano 3 prototipi di correntometro per ciascuno dei quali sono necessarie le seguenti fasi di lavorazione.
Da un foglio in plastica rigido si ritagliano tre forme circolari e tre trapezoidali, successivamente forate con un trapano (figura 2).
Figura 2: realizzazione delle forme circolari e trapeziodali
2. Le forme così ottenute vengono prima trattate con un primer spray con funzione protettiva e anticorrosiva e successivamente colorate con vernice spray bianca (figura 3).
Figura 3: verniciatura
3. Dalla barra in pvc si tagliano con il seghetto 3 pezzi lunghi 20 cm (figura 4 a sinistra)
Figura 4: realizzazione dei supporti delle forme in plastica
4. Ogni pezzo così ottenuto viene fissato ad una morsa e perforato al centro per permettere l'inserimento della barra filettata (figura 4 al centro).
5. Successivamente ad ogni estremità di questi pezzi viene praticata un'incisione lunga 3 cm e ortogonalmente a questa un foro (figura 4 a destra).
6. Nelle incisioni vengono inserite le forme in plastica, fissate poi con delle viti autofilettanti.
7. Le 3 strutture così assemblate vengono inserite su una barra filettata e mantenute ad una distanza di 30 cm l'una dall'altra utilizzando dei dadi. Il posizionamento dei dadi deve comunque permettere la rotazione delle strutture attorno alla barra filettata (figura 5).
8. Ad una estremità della barra viene fissato un galleggiante dal quale parte il filo da pesca che servirà per tenere lo strumento una volta immerso in acqua (figura 5).
Figura 5: lo strumento assemblato
Esecuzione delle misure
L'attività di misura ha lo scopo di testare lo strumento, verificarne il comportamento in campo e simulare un'attività di misurazione scientifica.
A tal proposito sono stati forniti dal Laboratorio di Oceanologia Sperimentale ed Ecologia Marina dell'Università degli Studi della Tuscia un sensore di temperatura ed un correntometro ad elica.
La scelta del luogo dipende principalmente dall'esperienza da effettuare, data la forma dello strumento realizzato il bacino dovrà avere una profondità maggiore di un metro; tuttavia bisogna considerare anche la praticità dell'esperimento, per cui il luogo scelto per effettuare la prova è un bacino artificiale semichiuso che si trova a Civitavecchia (RM).
Figura 6: luogo delle misure
Le caratteristiche del posto consentono infatti di effettuare correttamente e in sicurezza l'attività di misura.
Gli studenti divisi in tre gruppi, ognuno dei quali munito del prototipo, si sono disposti in punti diversi del bacino dove hanno effettuato, con cadenza oraria, misure di direzione della corrente, di velocità della corrente e di temperatura dell'acqua (figura 7).
Figura 7: la fase delle misure
Le tre postazioni sono state individuate sul contorno del bacino, una all'ingresso, una al centro e una all'uscita.
I dati ottenuti dal prototipo e dagli strumenti sono stati inseriti in una scheda di campionamento (figura 8)
Figura 8: scheda di campionamento
La scheda di campionamento riveste un ruolo fondamentale in questa esperienza infatti qualsiasi misurazione scientifica non può prescindere dal suo utilizzo. Su questa vengono raccolti dati accessori alle misure da effettuare come la copertura nuvolosa e lo stato del mare, la latitudine e la longitudine, la data e l'ora. La copertura del cielo si misura in ottavi di cielo coperto:
COPERTO: copertura nuvolosa del cielo pari a 8 ottavi denominata broken in campo aeronautico, ovvero cielo totalmente coperto senza alcuna zona di sereno, caratterizzata da cumulonembi
MOLTO NUVOLOSO: copertura nuvolosa del cielo pari a 6 o 7 ottavi, ovvero cielo quasi totalmente coperto da nubi. Tuttavia esistono limitati spazi di sereno.
NUVOLOSO: Copertura nuvolosa di 3 a 5 ottavi ovvero, cielo coperto da nuvolosità per circa metà superficie
POCO NUVOLOSO: copertura nuvolosa del cielo di 1 a 2 ottavi, ovvero cielo quasi interamente sgombro di nubi
SERENO: copertura nuvolosa del cielo di 0 ottavi ovvero cielo totalmente o quasi sgombro da nubi
La scala Douglas determina la condizione dello stato del mare in base all'altezza media delle onde più alte, o Altezza Significativa, definita come la media del terzo di onde più alto. (http://it.wikipedia.org/wiki/Scala_Douglas)
In figura 9 vengono riportati i dati ottenuti dall'esperienza sul campo.
Figura 9: dati ottenuti nella esperienza sul campo
L'esperienza in campo ha mostrato l'efficacia del prototipo costruito dagli studenti che sono riusciti con uno strumento realizzato in modo semplice a misurare il mare. Inoltre l'utilizzo di strumenti di misura elettronici e delle schede di campionamento ha permesso ai ragazzi di comprendere come devono essere effettuate le misure.
I dati raccolti hanno mostrato che nel bacino indagato è presente una circolazione antioraria, che rimane praticamente costante tra le due misure.
Note e storia
Trasferimento di energia cinetica dall’atmosfera al mare
L'energia solare, oltre ad essere trasmessa all'acqua in modo diretto col riscaldamento, può essere trasmessa in modo indiretto tramite le manifestazioni atmosferiche.
Il vento che soffia sulla superficie del mare, grazie al trasferimento di una parte della sua quantità di moto ed energia, genera le onde e le correnti mettendo in moto gli strati più superficiali. È difficile poter stabilire come l'energia trasmessa al mare si ripartisca nella generazione di onde e di correnti, essendo tale meccanismo estremamente complesso. Le onde superficiali sono la manifestazione delle forze che agiscono sul fluido deformandone la superficie contro la forza di gravità e la tensione superficiale (che agiscono per riportare la superficie di interfaccia mare-atmosfera al livello originario).
La variabile più importante è la velocità del vento, cui si deve la principale forza di attrito che agisce alla superficie del mare.
La forza d'attrito generata è detta pressione del vento (wind stress), si indica col simbolo tau (τ) e prove sperimentali hanno confermato che tale grandezza è direttamente proporzionale al quadrato della velocità del vento, secondo un fattore c, funzione delle condizioni atmosferiche.
Se il vento soffia in modo stazionario sul mare calmo la superficie di quest’ultimo viene posta in movimento: s’increspa e si formano onde di diverse dimensioni. Il movimento viene applicato sulla superficie, ma lo spostamento risultante interessa soltanto i primi 100m giacché i fluidi in lento movimento scorrono come strati sottili, l’uno sull’altro, con un moto chiamato “flusso laminare”.
A causa della viscosità ciascuno strato trascina quello sottostante ma ciò avviene fino ad una profondità definita. Nel 1902 V.W. Ekman suggerì che la forza di taglio del vento nell’emisfero settentrionale faccia spostare a destra il sottile strato d’acqua superficiale dell’oceano di un angolo di circa 45° rispetto alla direzione del vento, per effetto del bilanciamento tra la forza di Coriolis e la resistenza fluidodinamica che si instaura tra vento e acqua.
A sua volta, questo strato d’acqua esercita una forza di taglio su quello immediatamente inferiore e lo fa spostare, ruotato rispetto a quello superiore, non nella stessa misura perché parte dell’energia dello spostamento va perduta nell’attrito.
Figura 10: spirale di Ekman
Procedendo verso il basso nella colonna d’acqua, si riproduce lo stesso effetto finché ad una profondità di circa 100 m, l’acqua si muove praticamente a circa 180° rispetto a quella della superficie, ma la sua velocità è meno del 5% di quella superficiale, in quanto l’acqua ha consumato parte dell’energia cinetica nell’attrito fra i vari strati.
Gli oceanografi chiamano questo effetto Spirale di Ekman (figura 10). Il fenomeno è osservabile in mare nelle correnti marine e nelle derive glaciali di superficie. L'effetto della pressione del vento si trasmette verso il basso come attrito interno fra gli strati più superficiali.
L'azione del vento alla superficie del mare determina anche dei moti verticali verticali. Se l'azione del vento che insiste su un'area è tale da determinare il defluire delle masse d'acqua da una determinata zona, fenomeno detto divergenza, si avrà, per il principio della continuità dei fluidi, il richiamo di acqua dagli strati più profondi, con l'instaurarsi di correnti di risalita, dette correnti di Upwelling (figura 11). Quando le acque affondano invece il processo si chiama convergenza o Downwelling
Figura 11: upwelling e downwelling
L'Upwelling è un fenomeno oceanografico che ha come forzante principale il vento; la conseguenza è un movimento verticale degli strati più profondi dell'oceano che risalgono verso la superficie. Questo comporta un aumento di nutrienti a disposizione delle specie fotosintetizzanti che in questo modo aumentano significativamente di numero causando un aumento importante di biomassa fitoplanctonica,
Gli Upwelling possono avere dimensioni ed estensioni molto diverse tra loro, infatti è possibile riconoscere upwelling equatoriali, generati dagli alisei, upwelling ciclonici, dovuti alla circolazione di celle cicloniche sul mare, e upwelling costieri, causati dal vento che spira parallelo a costa.
Luigi Ferdinando Marsili
Figura 12: Luigi Ferdinando Marsili Luigi Ferdinando Marsili nasce a Bologna nel 1658 e muore nella stessa città nel 1730. Esploratore, scienziato, soldato, uomo eclettico e di vastissimi interessi, ha goduto di grande fama all’estero, meno in Italia. Nel 2011 è ricorso il trecentesimo anniversario della fondazione dell’Accademia delle Scienze di Bologna, istituita dal Marsili nel 1711, con la fusione dell’antico Istituto delle Scienze. L’aspetto innovativo dell’Istituzione bolognese era costituito dalla possibilità che gli scienziati del tempo avevano di verificare, sul campo, le loro teorie, applicando il metodo galileiano. Un vulcano sottomarino che si trova al largo del Mar Tirreno, a circa 140 Km a Nord della Sicilia e 150 Km a ovest della Calabria e facente parte dell’arco insulare Eoliano, porta il nome di Marsili, in onore dello scienziato bolognese.
Il lavoro Danubius Pannonico Mysicus, pubblicato ad Amsterdam nel 1726, costituisce un fondamentale trattato sulla dinamica e sulla biologia delle acque del Danubio. Accanto a ricerche di geografia, astronomia, etnografia, litologia, Marsili svolge, con ampiezza e acutezza, importanti indagini idrografiche. Il periodo di maggiore attività del Marsili nel campo dell'oceanografia corrisponde al suo soggiorno nel piccolo villaggio di Cassis, sulle coste della Provenza, fra il 1706 e il 1708. Egli stesso descrisse il suo lavoro in una lettera all'abate Bignon, responsabile della Biblioteca Nazionale di Parigi: «Così ho cominciata la ricerca sopra l'istoria del mare, nella quale ho pensato di trattare della natura delle acque del mare e dei suoi diversi movimenti; della differenza dei fondi del mare, che mi sembrano aver rapporto colla struttura delle montagne; di alcuni effetti che producono i venti sopra queste acque; della natura dei pesci sviluppata per mezzo dell'analisi; della vegetazione delle piante che crescono nel fondo del mare...». Frutto del biennio di osservazioni e di studi compiuti a Cassis è la Historie physique de la mer, il primo trattato di oceanografia nel senso moderno; opera originale e densa di risultati fondati sull'osservazione e sull'esperienza, secondo il modello di ricerca galileiano.
Nell’ultima parte della sua vita, Marsili si ritirò a Bologna donando tutto il suo vastissimo e prezioso materiale di ricerca all’Accademia delle scienze. All’interno dell’Accademia, fu istituita una tipografia in grado di stampare i documenti in latino, greco, ebraico e arabo. Lo scienziato fu eletto socio dell'Académie Française e della Royal Society, alla quale venne presentato da Isaac Newton.
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