Il colore dell'oceano

14 di Dicembre, 2021 - Mari e fiumi - Commento -

 





Di Beatrice Giambenedetti


Giustamente starete pensando ‘blu!’, e avreste ragione, almeno in parte. 

Non sto cercando una scusa per descrivere le incredibili sfumature del mare in situazioni più o meno avventurose, in realtà vorrei raccontarvi di una specifica branca di ricerca, l’“Ocean Color”, che si traduce letteralmente in “Colore dell’oceano”. 

Come suggerisce banalmente il nome, si studiano proprio le sfumature di colore del mare: dietro ogni variazione di colore si nascondono più informazioni di quante potreste pensare.

La luce bianca del sole in realtà contiene al suo interno un arcobaleno: sono le diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica emessa dal sole. 

Questa radiazione quando colpisce un qualunque oggetto può essere diffusa o assorbita, e a seconda delle lunghezze d’onda che vengono rispettivamente diffuse e assorbite noi vedremo un determinato colore.


Figura 1 Schema delle diverse lunghezze d’onda contenute nella luce del sole.

L’acqua pura è trasparente, ma quando si considerano grandi masse d’acqua anche molto profonde come nell’oceano, il colore che vediamo è blu. 

Questo succede perché le lunghezze d’onda associate al blu vengono diffuse, come succede anche nel cielo, ma a differenza di quest’ultimo nel mare le componenti del rosso vengono anche fortemente assorbite, per questo il blu risultante è più scuro ai nostri occhi.

La luce viene assorbita e diffusa anche da tutte le diverse ‘particelle’ che ci sono nel mare, e ce ne sono di ogni dimensione: a partire dalle stesse molecole d’acqua, alle molecole organiche, agli organismi dai più piccoli fino alle balene (senza contare poi noi, le navi, i sottomarini …).

Quindi, quando osserviamo il mare, ogni sua diversa sfumatura è in realtà un’indicazione di cosa c’è dentro: il modo in cui la luce del sole interagisce con i costituenti presenti nell’acqua, dai più visibili a quelli microscopici, è proprio ciò che ne determina il colore.

Nelle aree costiere, ad esempio, lo scarico dei sedimenti dei fiumi, la risospensione della sabbia e del fango dal fondale dovuto alle correnti e la presenza di diverse sostanze, come i detriti organici legati al ciclo di vita naturale di flora e fauna (terrestre e non), può cambiare notevolmente il colore dell’acqua.


Figura 2 Immagine satellitare della costa del Bangladesh che mostra l’afflusso di sedimento rilasciato in mare dal fiume Gange. L’immagine è stata acquisita dal sensore MERIS l’8 novembre 2003 (ESA) [1].


Un altro elemento che modifica in modo evidente il colore dell’acqua è il fitoplancton, ovvero l’insieme di alghe microscopiche che, oltre ad essere alla base della dieta della maggior parte degli organismi marini, produce anche la metà dell’ossigeno totale prodotto dalle piante di tutto il pianeta, motivo per cui nonostante le sue minuscole dimensioni viene studiato così tanto.


LFigura 3 Un esempio delle diverse comunità di phytoplankton nella baia di Coos nel 2019 (Foto di Tracie Barry) [2].


Il fitoplancton, come tutte le piante, utilizza la clorofilla per la fotosintesi, e il pigmento verde della clorofilla è la sostanza più importante tra quelle che assorbono luce nel mare.

Nelle regioni dell’oceano con alta concentrazione di fitoplancton, sono chiaramente visibili le sfumature blu-verdi dovute alla sua presenza: più è verde il colore dell’acqua più fitoplancton ci sarà.


Figura 4 Esempio di dati di Ocean Color sulla concentrazione di clorofilla presi dallo strumento MODIS a bordo dei satelliti Terra e Aqua della NASA, nella primavera del 2014 [10].


L’Ocean Color fa ormai principalmente affidamento sui dati misurati da satellite. 

Grazie alla copertura globale di osservazione, e alla risoluzione sempre più alta grazie all’avanzamento della tecnologia satellitare, i diversi colori dell’acqua marina danno informazioni fondamentali sulle proprietà biologiche, chimiche e geologiche degli oceani, e permette anche di studiarne la dinamica. 

L’utilizzo dei satelliti in questa branca di ricerca è relativamente recente: il primo sensore satellitare specificatamente dedicato a misurare il colore dell’oceano è stato il CZCS (Coastal Zone Color Scanner), a bordo del satellite Nimbus-7 lanciato dalla NASA nel 1978.


Figura 5 Disegno del satellite Nimbus-7 (NASA) [7].


La missione di questo satellite era incentrata sulla meteorologia, ed è stata una delle fonti più significative di dati sperimentali per i processi atmosferici e oceanici della Terra durante i suoi 16 anni di servizio, finito nel 1994, e la sua ‘eredità’ tecnologica ha permesso lo sviluppo delle missioni successive. Rimangono comunque fondamentali le misure in sito, sebbene non offrano la stessa copertura globale, permettono però di validare i modelli e gli algoritmi usati per interpretare le immagini satellitari. 

Le misure che si fanno tipicamente nelle campagne oceanografiche di Ocean Color sono sia misure ‘ottiche’, ovvero si usano dei laser di cui si conosce la lunghezza d’onda per studiare le proprietà di assorbimento e diffusione dell’acqua, sia misure di tipo chimico e biologico.


Figura 6 Messa in acqua di strumentazione ottica durante una campagna oceanografica nel Nord Atlantico (Plymouth Marine Laboratory). Questa campagna rientrava nel programma AMT4SentinelFRM, una serie di misure pensate per calibrare e assicurare la qualità dei dati dei satelliti COPERNICUS [9].


Le applicazioni più dirette dell’Ocean Color sono di interesse pubblico più che scientifico: dall’analisi delle condizioni dell’acqua si possono monitorare dei fenomeni che hanno un impatto diretto sulle attività umane, soprattutto nelle aree vicine alla costa. 

Per esempio, lo scarico dei sedimenti dei fiumi nel mare può modificare la struttura della costa creando non pochi problemi, e alcuni tipi di alghe hanno effetti devastanti sull’ecosistema, e di conseguenza sulla pesca. 

Dal punto di vista scientifico è un ambito ricchissimo, da questo tipo di osservazioni è possibile ricavare indirettamente informazioni sulle dinamiche geologiche, sulle dinamiche di circolazione globale, sugli ecosistemi marini e sulla variabilità climatica generale dell’oceano.


Figura 7 Fioritura di alghe nel mare di Barents, acquisito il 15 luglio 2021 (NOAA-20) [3]. Da notare i vortici ben visibili dovuti alla circolazione su larga scala dell’oceano.


Riferimenti 

[1] https://www.esa.int/ 

[2] https://www.fisheries.noaa.gov/science-blog/september-2019-phytoplankton-communities-and-interesting-finds 

[3] https://www.star.nesdis.noaa.gov/socd/mecb/color/ 

[4] IOCCG (2008). Why Ocean Colour? The Societal Benefits of Ocean-Colour Technology. Platt, T., Hoepffner, N., Stuart, V. and Brown, C. (eds.), Reports of the International Ocean-Colour Coordinating Group, No. 7, IOCCG, Dartmouth, Canada 

[5] C. D. Mobley,Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters, AcademicPress, 1994. 

[6] IOCCG (2000). Remote Sensing of Ocean Colour in Coastal, and Other Optically-Complex,Waters. Sathyendranath, S. (ed.), Reports of the International Ocean-Colour CoordinatingGroup, No. 3, IOCCG, Dartmouth, Canada. 

[7] https://earth.esa.int/web/eoportal/satellite-missions/n/nimbus-7/ 

[8] https://science.nasa.gov/earth-science/oceanography/living-ocean/ocean-color 

[9] https://blogs.esa.int/campaignearth/2018/10/26/traversing-the-atlantic-to-measure-flux/ 

[10] https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/atbd/chlor_a/

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