Appunti di Sedimentologia - Onde, Tsunami e Maree

Fonte: http://moskolowosky.blogspot.com/2011/05/onde.html (27.11.2011, ore 17.17) 

Un onda è un trasferimento di energia la quale subisce trasformazioni importanti arrivati al momento della frangenza. Si trasforma in un movimento di massa. Se guardiamo lo spettro delle onde scopriamo che esistono onde di piccolissima scala e onde di grandissima scala come le maree. Spesso quet'ultime sono viste come correnti, tali però non sono e semmai sono onde che possono indurre le correnti. Anche gli tsunami sono onde.

L'energia e l'altezza delle onde possono variare da luogo a luogo mentre quello che ci permette di differenziare i vari tipi d'onda è il periodo (da pochi secondi a ore).

Le onde trasmetto energia e non massa lungo la superficie dell'oceano. Il comportamento delle onde dipende dalla grandezza dell'onda e dalla profondità del bacino. In pratica la lunghezza fra una cresta e l'altra. La maggior parte delle onde sono influenzate dall'azione del vento sulla superficie del mare, inoltre possono subire dei fenomeni di riflessione, rifrazione o interferenze.

Dal punto di vista della nomenclatura usiamo la cresta, la parte alta, e il cavo, la zona depressa tra un'onda e l'altra. In uno stato di quiete avremo assenza di onde, il livello del mare rappresenta la parte intermedia del nostro movimento. La dislocazione massima tra una cresta e una zona depressa sarà chiamata altezza d'onda la lunghezza da cresta a cresta sarà chiamata lunghezza d'onda. Le onde hanno caratteristiche diverse in base alla profondità del bacino. Saranno omogenee in mare aperto per poi modificarsi quando la profondità diminuisce la quale interferisce sulla base d'onda. Quest'ultima è la profondità cui si risente della perturbazione superficiale di queste onde di superficie. Esiste una relazione da ricordare: la profondità di base d'onda è uguale alla lunghezza d'onda diviso 2. Se ho una spaziatura di 10 m la profondità di risentimento sarà di 5 m. La velocità dell'onda dipende dalla forza di gravità e dalla profondità del bacino. L'onda sarà più veloce in mare aperto. Man mano che arriva sotto costa rallenta ma diventa più alta e l'energia rimane costante mentre le spaziature si restringono. Le onde posso viaggiare per km grazie all'azione del vento. Un altro parametro importante è la distanza effettiva su cui agisce il vento che viene nominato fetch. 

Fonte: http://www.biologiamarina.eu/Onde.html (27.11.2011, ore 17.22) 

Noi possiamo calcolare l'ampiezza massima delle onde se conosciamo la velocità del vento e il fetch. Ad esempio l'Adriatico è un bacino stretto e allungato, direzione nord/ovest – sud/est. Un vento di grecale (da nord est) avrà meno influenza sulle onde in confronto ad un vento proveniente da nord ovest in quanto lo spazio d'azione del vento (fetch) di quest'ultimo ha più spazio d'azione rispetto a quello proveniente da nord/ovest. Le onde saranno più grandi con il vento proveniente da nord/ovest.

Il vento piano piano inizia a trasmettere l'energia al mare agitandolo e creando le onde. Saranno irregolari nella zona di azione del vento, della perturbazione per poi al di fuori di questa raggiungere un movimento ben preciso. Più il vento è forte e più dura più le onde saranno forti. Se il mare è già agitato è più facile per il vento agire sulle onde. L'aumento del vento aumenta la lunghezza d'onda e l'altezza del mio sistema.

Dal punto di vista interno le onde presentano delle orbite chiuse. Le particelle d'acqua si muovono quando passa l'onda. In genere il piano delle orbite aumenta con la dimensione delle onde e diminuisce con la diminuzione della profondità. Se la profondità è maggiore del livello di base queste orbite sono circolari, se invece iniziano ad interferire col fondo le onde cambiano geometria fino a diventare ellittiche fino ad arrivare alla loro rottura passando così alla frangenza. Trasferimento quindi di massa del nostro sistema. In effeti se guardiamo una classica onda essa si presenta con orbite circolari, il che vuol dire che un qualsiasi oggetto lasciato galleggiare in mare resta fermo li nello stesso posto. Questa però è solo valido in linea teorica perchè nella realtà abbiamo sempre degli scompensi. La massima intensità sarà in superficie e diminuisce fino ad esaurirsi alla base delle onde.

Dal punto di vista teorico le orbite sono perfettamente circolari, non c'è trasporto di massa.

Più profondità → orbite circolari, poca profondità → orbite appiattite.

Le onde impartiscono sul fondale uno sforzo di taglio, più diminuisce la profondità più questo aumenta fino a raggiungere l'energia sufficiente per muovere i grani sul fondo. Questi si muovono però avanti e indietro formando così, qualche volta, dei ripples.

Quando le onde arrivano sotto costa diminuisce la velocità, le creste si avvicinano, le orbite si appiattiscono mentre il periodo rimane costante. Il profilo diventa simmetrico fino alla frangenza quando le nostre orbite sopravanzano le altre. Quando le onde collassano creano i frangenti. Distinguiamo quindi la surf zone e la zona di battigia. 

Fonte: http://deved.meted.ucar.edu/marine/ripcurrents/NSF/media_gallery.php (27.11.2011, ore 17.27)  

In base all'inclinazione del fondale esistono vari tipi di frangenza. Posso inoltre immaginare di che granulometria è composta una spiaggia. La ghiaia sarà in fondali meno acclivi.

L'interferenza delle onde è molto importante. Possiamo averne di tipo costruttivo, distruttivo o delle interferenze anomale che creano delle onde particolari chiamate le long waves. Dal punto di vista visivo possiamo vedere meglio che un'interferenza costruttiva amplifica il segnale quindi se 2 onde sono in fase, la onda 1 avrà lo stesso periodo della onda 2, queste si sommano. Un interferenza distruttiva significa che il segnale delle 2 onde che si sommano modificano l'onda più alta. Le onde anomale sono quelle onde che alla fine la risultante tra le 2 è molto maggiore rispetto a quello che possiamo avere sommando le 2 onde. Queste creano problemi per la navigazione.

I fenomeni di rifrazione modificano l'energia delle onde e quindi il loro impatto sui sedimenti nella costa. Nel fiume hudson per esempio troviamo una valle sottomarina. Durante il periodo di low stand il fiume invece di formare un estuario continuò il suo corso fino arrivare al bordo della piattaforma continentale. È un'irregolarità del fondo. Il fondale influisce sulla nostra onda creando il fenomeno di rifrazione che a suo volta crea delle zone dove si accentua l'energia del moto ondoso, e quindi l'erosione e trasporto di sedimento, mentre in altre zone l'energia diminuisce. Se abbiamo una morfologia con promontori la rifrazione fa convergere i fronti d'onda accentuando l'erosione, nelle baie invece si espande e perde energia accumulando sedimento.

Le onde non arrivano sempre parallele alla costa, il fronte d'onda arriva con un certo angolo creando delle correnti lungo costa chiamate appunto correnti lungo costa. Queste avranno velocità che permettono la sospensione di sedimento. L'erosione e il trasporto. Consideriamo la battigia, se io ho un onda che arriva con un certo angolo, c'è la frangenza e quindi trasferimento di massa e sedimento che risale lungo la battigia in maniera perpendicolare rispetto al fronte d'onda. Alla fine avrò un movimento chiamato di deriva litorale. I granuli di sabbia che ci sono o ciottoli di ghiaia vanno avanti e tornano indietro più volte. Alla fine avremo un trasporto netto verso una certa direzione, uguale a quella delle onde. Questo mi crea o equilibrio dinamico o erosione/deposizione lungo costa.

Barre lungo costa: si formano per la creazione di correnti lungo costa che trasportano il sedimento e li ridistribuiscono parallelamente alla linea di costa. Possono essercene più di una in uno stesso posto. In alcuni casi una barra tende a prodursi con quella precedente.

Lungo costa oltre alle correnti che formano queste barre ne esistono altre che sono perpendicolari alla linea di costa, chiamate correnti di ritorno. Durante le tempeste l'acqua tende ad accumularsi sotto costa, ma non può farlo all'infinito, dovrà tornare indietro prima o poi. Questo avviene tramite queste correnti, si creano delle celle di circolazione dove l'acqua tende a ritornare e a unirsi in superficie ma sopratutto sul fondo. Queste correnti posso anche trasportare sedimenti, specialmente se sommate ad altre correnti. I sedimenti vengono trasportati al di fuori della linea di frangenza. In California sono ben sviluppate.

TSUNAMI

Possono viaggiare per diversi km. Viaggiano per tutto l'oceano in pochissimo tempo. Si può calcolare la loro velocità. Se in 21 ore fanno tutto il pacifico sono onde che viaggiano a centinaia di km/h (anche a 870 Km/h). Quando si approssimano alla linea di costa ovviamente rallentano.

A volte prima dello tsunami le acque si ritirano ma questo dipende dalla geometria dell'onda. Trapiantano sedimento in modo rapidissimo. Una parte di sedimento va verso l'interno e una parte verso il mare. Avremo depositi verso l'interno, verso la costa che sia verso off shore.

Sono onde caratterizzate dall'avere una lunghezza d'onda molto grande, spesso di centinaia di km. Le creste di queste onde sono molto lunghe (non sempre come nei film che sono altissime ma corte). È come se il livello del mare si alza sempre di più velocemente.

Queste onde avvengono quando abbiamo una dislocazione importante o eruzioni vulcaniche importanti (isola di Santorini, il Pandora, ecc...) o da impatto di corpi extraterrestri.

MAREE

Sono onde caratterizzate dall'avere un lungo periodo. Quelle più influenti sono quelle dovute alla Luna. La marea influisce in maniera diversa da posto a posto. Le escursioni sono differenti in varie zone. Nel mediterraneo l'escursione massima di marea è di ca. 1 m (1,5 m nei casi di vento favorevole).

Sono onde che creano celle vorticose all'interno dei nostri bacini oceanici. Si chiamano sistemi anfidromici dove si ha una zona con spostamento massimo e una con spostamento minimo. Le zone con un spostamento non verticale si chiamano punti nodali mentre le altre, di escursione massima. All'interno di queste celle ci sono delle linee cotidali che congiungono dei punti che registrano nello stesso tempo l'escursione di marea, la crescita di escursione. Ci sono i corange circles che invece combaciano coi punti di eguale escursione di marea.

Queste celle di rotazione non sono solo una superficie completamente occupata da acqua ma abbiamo delle irregolarità, una distorsione del movimento rotatorio, dovute all'irregolarità della costa. Dal punto di vista visivo da una parte ci sarà una bassa marea e dall'altra alta marea.

EFFETTI

Effetti di trazione sul fondo che generano degli spostamento dei punti anfidromici. Nei bacini stretti e allungati come l'Adriatico queste maree non sono più viste come onde ma come correnti. In queste condizioni, dove la cella è piccola, le linee cotidali e quelle di coreange sono uguali, parallele, coincidono. L'acqua viene incanalata verso il fondo. Si hanno fenomeni di risonanza. Spesso si hanno fenomeni detti muri d'onda. Si crea una corrente unidirezionale di deflusso e una di reflusso nel senso opposto.

È importante perchè se l'onda di marea arriva ad una certa velocità si possono spostare dei sedimenti.

Esistono le escursioni microtidali (- di 2 m), mesotidali (2-4 m) e macrotidali (più di 4 m). Più l'escursione è grande più influirà sui sedimenti. Il mediterraneo è considerato tutto microtidale.

Quest'alternarsi di alta e bassa marea crea spostamento d'acqua sopratutto nei bacini ristretti o nelle baie, con delle correnti di flusso e di reflusso. Spesso si utilizza il termine di maree crescenti e calanti.

Come posso schematizzare una corrente bidirezionale?

Con un diagramma sinusoidale dove da una parte avrò i valori positivi (deflusso) e dall'altra quelli negativi (reflusso), in relazione col tempo e la velocità. Avrò una velocità 0 in un certo momento (fase di stanca) si arriva ad un massimo e poi ritorna fino all'altro momento di stanca per arrivare ad un minimo.

Per una determinata granulometria avremmo una soglia di movimento. Una volta raggiunta si avrà trasporto effettivo. Quando la velocità diminuisce fino a scendere al di sotto della soglia il sedimento continua ancora per un po' ad essere trasportato. Quando la velocità arriva a 0 avviene la decantazione. Il reflusso poi rifà la stessa cosa. Se andiamo ad analizzare questo diagramma, dal punto di vista sedimentologico non è tanto importante, dato che il sedimento va e torna restando nella stessa posizione. Siccome però questo diagramma è in linea teorica questo viene smentito nella realtà dato che c'è sempre qualche disomogeneità. Avremmo magari una certa prevalenza di deflusso che di reflusso. Abbiamo una oscillazione distorta tra le correnti di flusso e riflusso e si riflette con un diagramma, con una curva sinusoidale dove la fase di flusso è maggiore o minore rispetto al deflusso.

FORME DI FONDO

Queste fasi di flusso/reflusso possono creare superfici di erosione. Quando la velocità tende a 0 i sedimenti più fini come il fango si depositano e ricoprono le successioni precedenti. La linea della soglia di rimozione non è retta in quanto da qualche parte può esserci la coesione del fango. Questo fa si che non si raggiunge la soglia di movimento del fango e abbiamo la preservazione del cosiddetto drappo pelitico.

Esiste la preservazione del drappo pelitico (la soglia di rimozione raggiunta è quella per la sabbia ma non per il fango). In altri casi possiamo trovare forme di fondo che lo conservano. Può essere però che viene eroso e troviamo così una superficie di erosione (causata dalla velocità della corrente). Troviamo delle particelle di fango. Abbiamo così le stratificazioni di tipo laser.

Esistono poi alternanze di ripples e dune.

Fase iniziale → forme di fondo con sabbia, spostamento da sinistra verso destra.

Fase di stanca → decantazione del materiale che va a ricoprire la forma preesistente.

Ripresa del trasporto con verso opposto e rimodellazione del fondo.

Riconosciamo quiete correnti di marea attraverso delle strutture che indicano questa bidirezionalità.

Esistono poi i tidal band, sedimenti più grossolani divisi da un livello di argilla.

Fonti: appunti tratti dalle lezioni del corso di Sedimentologia (Scienze Geologiche) - Università degli Studi di Ferrara