ciclo dell'acqua

Il ciclo idrologico o ciclo dell'acqua è la successione dei fenomeni di flusso e circolazione dell'acqua all'interno dell'idrosfera terrestre, e i cambiamenti del suo stato fisico (liquida, gassosa e solida). Il ciclo idrologico si riferisce ai continui scambi di massa idrica tra l'atmosfera, la terra, le acque superficiali, le acque sotterranee e gli organismi. Oltre all'accumulo in varie zone (come gli oceani che sono le più grandi zone di accumulo idrico), i molteplici cicli che compie l'acqua terrestre includono i seguenti processi fisici: evaporazione, condensazione,precipitazione, infiltrazione, scorrimento e flusso sotterraneo. La scienza che studia il ciclo dell'acqua è l'idrologia.

Descrizione

Non c'è un inizio o una fine nel ciclo idrologico: le molecole d'acqua si muovono in continuazione tra differenti compartimenti, o riserve, dell'idrosfera terrestre mediante processi fisici. L'acqua evapora dagli oceani, forma le nuvole dalle quali l'acqua torna alla terra. Non è detto, tuttavia, che l'acqua segua il ciclo nell'ordine: prima di raggiungere gli oceani l'acqua può evaporare, condensare, precipitare e scorrere molte volte.

·         L'evaporazione è il trasferimento dell'acqua da corpi idrici superficiali nell'atmosfera. Questo trasferimento implica un passaggio di stato dalla fase liquida alla fase vapore. Nell'evaporazione viene inclusa anche la traspirazione delle piante; in tal modo ci si riferisce a questo trasferimento come evapotraspirazione. Il 99% dell'acqua atmosferica proviene dall'evaporazione, mentre il rimanente 1% dalla traspirazione.

·         La condensazione. Per condensazione di solito intendiamo il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido, ma nel ciclo idrologico o dell'acqua sarebbe il vapore acqueo che forma piccolissime particelle che a loro volta formano le nubi.

·         La precipitazione è costituita da vapore acqueo che si è prima condensato sotto forma di nuvole e che cade sulla superficie terrestre. Questo avviene soprattutto sotto forma di pioggia, ma anche di neve, grandine, rugiada, brina o nebbia.

·         L'infiltrazione è la transizione dell'acqua dalla superficie alle acque sotterranee. L'aliquota di infiltrazione dipende dalla permeabilitàdel suolo o della roccia e da altri fattori. Le acque sotterranee tendono a muoversi molto lentamente, così l'acqua può ritornare alla superficie dopo l'accumulo in una falda acquifera in un lasso di tempo che può arrivare al migliaio di anni in alcuni casi. L'acqua ritorna alla superficie ad altezza inferiore a quella del punto di infiltrazione, sotto l'azione della forza di gravità e delle pressioni da essa indotta.

·         Lo scorrimento include tutti i modi in cui l'acqua superficiale si muove in pendenza verso il mare. L'acqua che scorre nei torrenti e neifiumi può stazionare nei laghi per un certo tempo. Non tutta l'acqua ritorna al mare per scorrimento; gran parte evapora prima di raggiungere il mare o un acquifero.

·         Il flusso sotterraneo include il movimento dell'acqua all'interno della terra sia nelle zone insature che negli acquiferi. Dopo l'infiltrazione l'acqua superficiale può ritornare alla superficie o scaricarsi in mare.

Bilancio idrico globale

Flussi idrologici globali[1]
Flussi d'acqua	Media (10³ km³/anno)
Precipitazioni sulla terra	107
Evaporazioni dalla terra	71
Precipitazioni sugli oceani	398
Evaporazioni dagli oceani	434

La massa totale d'acqua del ciclo rimane essenzialmente costante, così come l'ammontare d'acqua in ciascuna riserva, quindi, in media, la quantità d'acqua che lascia una riserva è pari a quella che ritorna ad essa.

Nella tabella a lato sono mostrati i valori del bilancio globale; ad una prima osservazione si nota un'eccedenza del flusso evaporativo degli oceani rispetto alle precipitazioni, mentre sulla terra la proporzione è invertita. La differenza tra precipitazione ed evaporazione nel complesso, pari a 36 × 10³  km³/anno, dà luogo al deflusso superficiale delle acque, il che riequilibra il bilancio di massa.

Poiché evaporazione e precipitazione costituiscono un flusso di 505 × 10³  km³/anno e il volume d'acqua totale è di 15,5 × 10³  km³, ne consegue che il contenuto d'acqua nell'atmosfera viene rinnovato circa 30 volte l'anno; in altri termini, il tempo medio di residenza dell'acqua nell'atmosfera è di circa 12 giorni.^[2]

Riserve e tempo di residenza

Volume d'acqua conservato nelle riserve del ciclo idrologico[3]
Riserva	Volume (106 km³)	Percentuale del totale
Oceani	1370	97,25
Ghiacciai	29	2,05
Acque sotterranee	9,5	0,68
Laghi	0,125	0,01
Umidità del suolo	0,065	0,005
Atmosfera	0,013	0,001
Corsi d'acqua	0,0017	0,0001
Biosfera	0,0006	0,00004

Nel contesto del ciclo idrologico una riserva rappresenta l'acqua contenuta in uno dei differenti passi del ciclo. La riserva più grande è rappresentata dagli oceani, che raccolgono il 97% dell'acqua del pianeta; quindi c'è l'acqua in forma solida dei ghiacciai. L'acqua contenuta negli organismi rappresenta la riserva più piccola.

Il volume nelle riserve d'acqua fresca, particolarmente quelle disponibili per l'impiego da parte dell'uomo, costituisce le importanti risorse idriche.

Il tempo di residenza è il tempo medio nel quale le molecole d'acqua si trovano in una riserva; è una misura dell'età media dell'acqua nella riserva anche se una parte vi si trattiene per un tempo inferiore, un'altra parte per un tempo superiore. Le acque sotterranee possono trascorrere oltre 10 000 anni sotto la superficie; l'acqua che trascorre in questa riserva tempi particolarmente lunghi è denominata acqua fossile. L'acqua conservata nel suolo vi rimane brevemente, perché è distribuita in uno strato sottile per tutta la Terra e viene rapidamente perduta per evaporazione, traspirazione, flussi d'acqua corrente o per infiltrazioni nella falda freatica. Dopo l'evaporazione l'acqua rimane nell'atmosfera mediamente per 12 giorni prima di precipitare di nuovo al suolo.

Il metodo più comune per il calcolo del tempo di residenza è quello della conservazione della massa.

Regolazione del clima

Il ciclo dell'acqua riceve energia dal Sole. L'86% dell'evaporazione globale ha luogo negli oceani, riducendo la loro temperatura per evaporazione. Senza l'effetto di raffreddamento così generato l'effetto serra porterebbe la temperatura superficiale a 67 °C, e ad un pianeta più caldo.

La maggior parte dell'energia solare riscalda i mari tropicali. Dopo l'evaporazione, il vapor d'acqua si innalza nell'atmosfera ed è allontanato dai tropici dai venti. La maggior parte del vapore condensa nella Zona di convergenza equatoriale, rilasciando il calore latenteche riscalda l'aria; questo fenomeno, a sua volta, fornisce energia alla circolazione atmosferica.

Cambiamenti nel ciclo

Durante il secolo scorso il ciclo dell'acqua è diventato più intenso ^[4], con l'incremento dei tassi di evaporazione e precipitazione. Ciò è quanto gli scienziati si aspettano a causa del riscaldamento globale, dato che le temperature più alte aumentano il tasso dell'evaporazione.

La ritirata dei ghiacciai è anch'essa un esempio del cambiamento in atto, dato che l'apporto d'acqua ai ghiacciai non è sufficiente a compensare la perdita per scioglimento e sublimazione. A partire dal 1850, anno in cui terminò la piccola era glaciale iniziata nel XIV secolo, il ritiro dei ghiacci è stato notevole.

Anche le seguenti attività umane possono influire nell'alterare il ciclo idrologico.

·         Agricoltura

·         Alterazione della composizione chimica dell'atmosfera (inquinamento atmosferico)

·         Costruzione di dighe

·         Deforestazione e riforestazione

·         Estrazione dell'acqua dalla falda freatica mediante pozzi

·         Sottrazione d'acqua dai fiumi

·         Urbanizzazione

Cicli geochimica

Il ciclo dell'acqua è uno dei cicli biogeochimici. Altri cicli notevoli sono il ciclo del carbonio e il ciclo dell'azoto.

Mentre l'acqua scorre sopra e sotto la Terra essa raccoglie e trasposta suolo e altri sedimenti, sali minerali e altri composti chimici disciolti in essa, come degli inquinanti. Gli oceani sono salati a causa del trasporto del sale così descritto, sale che rimane nel mare quando l'acqua evapora.

Cos'é il ciclo dell'acqua?

Cos'è il ciclo dell'acqua? Si può facilmente rispondere: "presente" dappertutto! Il ciclo dell'acqua, noto comunemente anche come ciclo idrologico, descrive l'esistenza ed il movimento dell'acqua sulla, nella e al di sopra della Terra. L'acqua della Terra è sempre in movimento e cambia stato continuamente, da liquido a vapore a ghiaccio, in tutti i modi possibili. Il ciclo dell'acqua lavora da miliardi anni e tutta la vita sulla Terra dipende da esso; senza di esso la Terra sarebbe un bel posto piatto e noioso dove vivere.

Da dove viene tutta l'acqua della Terra? La Terra primordiale era un globo di magma, ma i magmi contengono una notevole quantità di acqua. L'acqua liberata dei magmi come vapore cominciò a raffreddare l'atmosfera e la superficie terrestre fino al punto di poter restare in superficie in forma liquida. L'attività vulcanica continuò e continua a liberare acqua nell'atmosfera, incrementando le masse d'acqua superficiali e profonde. Inoltre, ogni reazione chimica produce acqua.

Sintesi del ciclo dell'acqua

Il ciclo idrologico non ha un punto di partenza, ma un buon posto da dove cominciare è il mare. Il sole, che attiva il ciclo dell'acqua, riscalda l'acqua del mare. Parte di essa evapora nell'aria. L'evaporazione avviene anche dalle acque dolci dei laghi e dei fiumi. Sul continente, l'evapotraspirazione, che è l'acqua traspirata dagli esseri viventi (soprattutto dai vegetali; al confronto, la parte prodotta dagli animali è trascurabile) ed evaporata dal sole, apporta vapore all'aria. Una piccola quantità d'acqua nell'atmosfera proviene dalla sublimazione, che è il passaggio allo stato di vapore direttamente dallo stato solido (ghiaccio, neve, brina) saltando completamente la fase di fusione. Le correnti d'aria ascensionali sollevano il vapore in alto nell'atmosfera dove la temperatura più bassa ne provoca la condensazione in goccioline microscopiche che formano le nuvole.

I venti trasportano le nubi per il mondo, e le particelle delle nubi collidono, si accrescono, e cadono dal cielo come precipitazione. Qualche precipitazione cade come neve e può accumularsi come calotte glaciali o ghiacciai. La neve, nei climi più caldi, si scioglie con l'arrivo della primavera, e l'acqua di fusione fluisce come ruscellamento da fusione delle nevi. Mentre una gran parte delle precipitazioni cade nei mari, una parte cade sulle terre emerse dove, a causa della gravità, fluisce come ruscellamento superficiale. Parte del ruscellamento superficiale raggiunge i fiumi e si muove come flusso incanalato verso il mare, mentre parte di esso si accumula come acqua dolce nei laghi e nei fiumi. Non tutto il ruscellamento score in corpi idrici superficiali. Molto se ne infiltra nel terreno (infiltrazione). Parte dell'acqua si infiltra in profondità nel terreno ed alimenta gli acquiferi (rocce saturate con acqua mobile che affiora in sorgenti o estraibile con pozzi o gallerie) che immagazzinano enormi quantità di acqua dolce sotterranea per lunghi periodi di tempo. Parte dell'acqua sotterranea sta vicino alla superficie terrestre e può filtrare di nuovo entro corpi idrici superficiali (e nel mare), mentre parte trova vie d'uscita nella superficie della terra ed emerge come sorgenti d'acqua dolce. Nel tempo, tuttavia, quest'acqua continua a muoversi, e parte rientra nel mare dove il ciclo termina…e ricomincia.

 Diagramma del ciclo dell'acqua

Parti del ciclo dell'acqua

Il Servizio Geologico degli Stati Uniti (USGS) ha identificato 16 parti del ciclo dell'acqua::

Immagazzinamento dell'acqua nei mari
Evaporazione
Evapotraspirazione
Sublimazione
Acqua nell'atmosfera
Condensazione
Precipitazione
Immagazzianemto nel ghiaccio e nella neve
Ruscellamento da fusione delle nevi verso i corsi d'acqua
Ruscellamento superficiale
Flusso incanalato
Immagazzinamento d'acqua dolce
Infiltrazione
Immagazzinamento d'acqua sotterranea
Portata d'acqua sotterranea
Sorgenti

Distribuzione globale dell'acqua

Vediamo quanta acqua esiste sulla (e dentro) la Terra, e dove è posizionata..

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L'acqua nei mari

Il mare è un magazzino d'acqua

C'è molta più acqua "immagazzinata" nei mari di quanta ve ne sia in movimento nel ciclo dell'acqua. Si stima che circa 1.338.000.000 chilometri cubi, dei 1.386.000.000 chilometri cubi di acqua presente in totale sulla terra, sono nei mari. Vuol dire circa il 96,5 per cento. Si stima anche che il mari forniscono circa il 90 per cento dell'acqua evaporata che entra nel ciclo idrologico.

Durante i periodi con clima più freddo, si formano calotte glaciali e ghiacciai più grandi, e dell'acqua globale se ne accumula come ghiaccio una parte sufficiente a ridurre le quantità delle altre parti del ciclo dell'acqua. Nei periodi caldi succede l'inverso. Durante l'ultima era glaciale, i ghiacci coprivano circa un terzo della superficie terrestre, ed il livello dei mari era circa 122 metri più basso di oggi. Circa tre milioni di anni fa, quando  la terra era più calda di oggi, il livello dei mari era probabilmente 50 metri più in alto di oggi.

Oceani in movimento

Vi sono correnti negli oceani e nei mari che muovono grandi masse d'acqua intorno al mondo. Questi movimenti esercitano una grande influenza sul ciclo idrologico e sul tempo meteorologico. La Corrente del Golfo è una ben nota corrente di acqua calda dell'Oceano Atlantico, che si muove dal Golfo del Messico verso la Gran Bretagna. Alla velocità di 97 chilometri al giorno, la Corrente del Golfo muove 100 volte il volume d'acqua mosso da tutti i fiumi della Terra. Provenendo da zone calde, trasporta acqua calda verso l'Atlantico Settentrionale, dove influenza, addolcendolo, il clima di vaste aree dell'Europa nord-occidentale, come l'Islanda, l'Irlanda, la Gran Bretagna.

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Evaporazione. L'acqua si trasforma da liquido a gas (o vapore).

L'evaporazione e perchè avviene.

L'evaporazione è il processo tramite il quale l'acqua si trasforma da liquido a gas o vapore. L'evaporazione è il modo principale in cui l'acqua torna nel ciclo ideologico sotto forma di vapore nell'atmosfera. Studi hanno dimostrato che i mari, i laghi ed i fiumi, producono circa il 90 per cento dell'umidità dell'atmosfera tramite l'evaporazione, mentre il rimanente 10 per cento proviene dalla traspirazione della vegetazione.

Il Calore (energia) è necessario perchè avvenga l'evaporazione. L'energia serve per rompere i legami che tengono unite insieme le molecole d'acqua. Per questo motivo l'acqua passa istantaneamente allo stato di vapore a 100 gradi centigradi, mentre evapora molto lentamente alla temperatura di congelamento. In un ambiente che non possa scambiare aria con l'esterno, ad una data temperatura le molecole d'acqua che passano allo stato di vapore eguagliano quelle che tornano allo stato liquido. Il contenuto d'acqua nell'aria si chiama umidità ed è tipico di una data temperatura e pressione. Se la temperatura aumenta, o la pressione diminuisce, l'umidità aumenta. Quando l'aria contiene il massimo possibile di vapore d'acqua, si dice che è satura, e l'umidità è al 100 per cento. Se c'è ricambio d'aria, il contenuto in umidità può essere inferiore a quello di saturazione. Il processo dell'evaporazione consuma calore, rimuovendolo dall'ambiente. Per questo motivo l'acqua che traspira, quindi evapora, dalla pelle, la rinfresca.

L'evaporazine ed il ciclo dell'acqua

L'evaporazione dai mari è il modo principale in cui l'acqua si muove verso l'atmosfera. La grande superficie dei mari (che coprono oltre il 70 per cento della superficie terrestre) rende possibile l'evaporazione in grande scala. A livello globale, la quantità di acqua che evapora è circa uguale a quella che ritorna sulla Terra come precipitazione. Sui mari, l'evaporazione supera le precipitazioni, mentre sulle terre emerse le precipitazioni superano l'evaporazione. La maggior parte dell'acqua che evapora dai mari ritorna ad essi come precipitazione. Solo circa il 10 Percentoo dell'acqua evaporata dai mari è trasportata sulla terra ferma e vi precipita. Una volta evaporata, una molecola d'acqua permane, in media, per circa 10 giorni nell'atmosfera.

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Evapotraspirazione: il processo attraverso il quale il vapore d'acqua è disperse nell'atmosfera dall'evaporazione dal suolo e dalla traspirazione della vegetazione.

Sebbene alcune definizioni di evapotraspirazione includano l'evaporazione dalla superficie delle masse d'acqua, come i laghi ed i mari, in questo Web sitel'evapotraspirazione è definita come l'acqua ceduta all'atmosfera dalla superficie delle terre emerse, dall'evaporazione dalla frangia capillare dell'acqua sotterranea, e dalla traspirazione dell'acqua di origine sotterranea prodotta dalla vegetazione attraverso le foglie e l'erba.

La traspirazione e le foglie delle piante

La traspirazione è il processo attraverso il quale l'umidità è trasportata attraverso le piante dalle radici ai piccoli pori sulla faccia inferiore delle foglie, dove si trasforma in vapore e viene rilasciata nell'atmosfera. La traspirazione è essenzialmente l'evaporazione dell'acqua dalle foglie delle piante. Si calcola che circa il 10 per cento dell'umidità dell'atmosfera derivi dalla traspirazione della vegetazione.

La traspirazione dalla vegetazione è un processo invisibile, dato che mentre l'acqua sta evaporando dalla superficie delle foglie, non è possibile vedere le foglie "sudare". Durante la stagione vegetativa, una foglia può traspirare più acqua del suo proprio peso, ed una grande quercia può traspirarne 150.000 litri all'anno.

Fattori atmosferici che influenzano la traspirazione

La quantità d'acqua traspirata dalle piante varia molto sia geograficamente sia nel tempo. Vi sono numerosi fattori che determinano l'entità della traspirazione.

• Temperatura: la traspirazione aumenta se la temperature aumenta, specialmente durante la stagione vegetativa,  quando l'aria è più calda e le piante sono in crescita.
• Umidità relativa: quando l'umidità relativa dell'aria intorno alle piante aumenta, la traspirazione diminuisce. Infatti, per l'acqua è più facile evaporare nell'aria asciutta che in quella umida
• Vento e moti dell'aria: l'aumento del moto dell'aria intorno alle piante fa aumentare la traspirazione.
• Tipo di pianta: le piante traspirano con diversa intensità. Alcune piante che crescono nelle regioni aride, come i cactus, conservano la preziosa acqua riducendo di molto la traspirazione.

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Sublimazione: E' la trasformazione della neve o del ghiaccio in vapore senza fondere.

Per quelli interessati nel ciclo dell'acqua, la sublimazione è molto spesso usata per descrivere il processo della trasformazione della neve e del ghiaccio in vapore acqueo, senza prima fondere come acqua. La neve, in alcuni climi, scompare comunemente attraverso la sublimazione.

Non è facile vedere realmente la sublimazione, almeno non con il ghiaccio. Un modo per osservare gli effetti della sublimazione è stendere una camicia umida in una bella giornata di gelata. Alla fine, il ghiaccio sulla camicia scomparirà.  In realtà, il modo migliore per osservare la sublimazione è quello di non usare acqua, ma anidride carbonica, come mostra questa immagine. Il ghiaccio secco è anidride carbonica congelata, solida, che sublima alla temperatura di -78,5 gradi centigradi. La nebbia che si vede nell'immagine è un miscuglio di gas anidride carbonica freddo e aria fredda ed umida, creato dalla sublimazione del ghiaccio secco.

La sublimazione è facilitata in certe condizioni del tempo, come bassa umidità relativa e vento secco. Avviene meglio anche ad alle quote più elevate, perché lì la pressione dell'aria è più bassa rispetto alle quote inferiori. E' necessaria anche dell'energia, come una forte insolazione. Se si volesse trovare un punto sulla Terra dove avviene molta sublimazione, si potrebbe scegliere la cima del Monte Everest. Basse temperature, forti venti, insolazione forte, pressione atmosferica molto bassa: giusto quello che serve per avere una buona sublimazione. 

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Immagazzinamento dell'acqua nell'atmosfera come vapore, nuvole ed umidità.

L'atmosfera è ricca d'acqua.

Sebbene l'atmosfera non sia una grande magazzino d'acqua, è la "super-autostrada" usata per spostare l'acqua intorno al mondo. C'è sempre acqua nell'atmosfera. Le nuvole, costituita da goccioline piccolissime, sono la forma più visibile di acqua atmosferica, ma anche l'aria limpida contiene acqua sotto forma di vapore, in molecole separate, troppo piccole per essere viste. Il volume di acqua nell'atmosfera è circa 12.900 milioni di chilometri cubi. Se tutta l'acqua nell'atmosfera piovesse in una sola volta, coprirebbe la superficie terrestre con uno spessore di 2,5 centimetri.

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Condensazione: trasformazione dell'acqua da vapore a liquido.

La condensazione è il processo con cui il vapore acqueo è trasformato in acqua liquida. E' un processo che libera calore. La condensazione è importante per il ciclo dell'acqua perché dà origine alle nuvole. Le nuvole producono le precipitazioni, che sono il modo in cui l'acqua ritorna sulla terra. La condensazione è l'opposto dell'evaporazione.

La condensazione è anche la causa della nebbia, dell'appannamento degli occhiali quando si passa da un ambiente esterno freddo in uno interno caldo e umido, delle goccioline che si formano sull'eterno di un bicchiere di bibita gelata, e dell'appannamento dell'interno dei vetri delle finestre nei giorni freddi.

Condensazione nell'aria.

Sebbene le nuvole siano assenti in un cielo azzurro e limpido, l'acqua è presente in forma di vapore e goccioline troppo piccole per essere viste. Le molecole d'acqua aderiscono alle piccolissime particelle di polvere, sale e fumo presenti nell'atmosfera, e formano goccioline che crescono e si moltiplicano, formando le nuvole. Quando queste goccioline si combinano tra di loro, e si accrescono, può avvenire la precipitazione.

Le nuvole si formano nell'atmosfera perchè l'aria contenete vapore d'acqua sale e si raffredda. Il sole riscalda l'aria vicina alla superficie terrestre; l'aria diventa più leggera e sale verso le zone dove la temperatura è inferiore. Mentre l'aria si raffredda, avviene un'ulteriore condensazione, e si possono formare le nubi.

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Precipitazione: il rilascio d'acqua dalle nuvole

La precipitazione è l'acqua rilasciata dalle nuvole sotto forma di pioggia, pioggia gelata, neve, o grandine. Il in modo principale in cui l'acqua atmosferica ritorna sulla Terra. La maggior parte delle precipitazioni sono piogge.

Come si formano le gocce di pioggia?

Le nuvole che passano in cielo contengono vapore acqueo o goccioline troppo piccole per cadere come precipitazione, ma grandi abbastanza per formare delle nuvole visibili. L'acqua evapora e condensa continuamente nel cielo. La maggior parte dell'acqua condensata nelle nuvole non cade per via delle correnti ascensionali che sostengono le nubi. Perché la precipitazione si verifichi, bisogna che prima si condensino le goccioline d'acqua e poi che queste si uniscano per formare gocce più grandi e pesanti a sufficienza per cadere come precipitazione. Ci vogliono milioni di goccioline di nuvola per formare una goccia di pioggia.

La intensità di precipitazione varia geograficamente e nel tempo.

La precipitazione non cade con la stessa intensità su tutta la Terra, su una Nazione, o anche su una città. Per esempio ad Atlanta, in Georgia negli USA, i temporali estivi possono produrre più di 2 centimetri di pioggia in un'area mentre possono lasciare asciutte zone distanti pochi chilometri. Ma la pioggia che cade in un mese su Atlanta è spesso di più di quella che cade su Las Vegas, nel Nevada, in un anno. Il record del mondo di pioggia annuale appartiene a Monte Wailaleale, nelle I. Hawaii, con circa 11.400 millimetri di pioggia per anno. All'altro estremo, ad Arica, in Cile, non piovve per 14 anni. In Italia cadono circa 950 millimetri di pioggia all'anno.

La carta sottostante mostra la precipitazione media annua, in millimetri ed in pollici, per la Terra. La aree in verde chiaro possono essere considerate "deserti". Vi aspettavate certo che il Sahara, in Africa, fosse un deserto, ma vi aspettavate che una gran parte della Groenlandia e del continente Antartico fossero dei deserti?

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L'immagazzinamento dell'acqua nel ghiaccio, nei ghiacciai e nella neve

Le coperture di ghiaccio nel mondo.

L'acqua conservata per lunghi periodi di tempo nel ghiaccio, nella neve e nei ghiacciai, sono parte del ciclo idrologico globale. La stragrande maggioranza, circa il 90 per cento, delle masse glaciali della terra è in Antartide, mentre il ghiacciaio continentale della Groenlandia contiene circa il 10 per cento della massa di ghiaccio totale del globo. In Groenlandia, il ghiacciaio continentale ha uno spessore medio di circa 1.500 metri, ma può raggiungere i 4.300 metri. Intorno al Polo Nord esiste uno strato di ghiaccio galleggiante (banchisa) spesso pochi metri.

Il ghiaccio ed i ghiacciai vanno e vengono

Il clima terrestre cambia sempre, sebbene non abbastanza rapidamente da essere notato dalla gente. Ci sono stati molti periodi caldi, come quando vivevano i dinosauri, circa 100 milioni di anni fa, e molti periodi freddi, come l'ultima età glaciale, da circa 20.000 a circa 10.000 anni fa. Durante l'ultima età glaciale molta parte dell'emisfero settentrionale era coperta di ghiaccio.

Alcuni aspetti dei ghiacciai delle valli di tipo alpino e continentali.

• I ghiacciai coprono il 10-11 per cento di tutte le terre emerse.
• Se tutti i ghiacciai fondessero oggi, il livello del mare risalirebbe di circa 70 metri. Da National Snow and Ice Data Center.
• Durante l'ultima età glaciale, il livello dei mari era circa 122 metri più basso di oggi, ed i ghiacciai coprivano circa un terzo delle terre emerse.
• Durante l'ultimo periodo caldo, 125.000 anni fa, I mari erano circa 5,5 metri più alti di oggi. Circa tre milioni di anni fa, il livello dei mari potrebbe essere stato fino a 50 metri più alto.

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Ruscellamento da fusione delle nevi:

In tutto il mondo, il ruscellamento da fusione della neve è una parte rilevante del movimento globale d'acqua. Nei climi più freddi, la maggior parte del ruscellamento primaverile e del flusso nei corsi d'acqua proviene dalla neve e dal ghiaccio in fusione. A parte le inondazioni, lo scioglimento rapido della neve può innescare delle frane, incluse le colate di detrito.

Un buon modo per capire come la fusione della neve influenza la portata dei fiumi, è osservare l'idrogramma qui sotto, che mostra la portata giornaliera media per quattro anni nel North Fork American River, presso la diga North Fork in California. I grandi picchi nel diagramma sono soprattutto il risultato della fusione della neve. Confrontare la minima portata media giornaliera di Marzo 2000, era pari a circa 34 metri cubi al secondo, mentre in agosto, dopo che la neve era completamente sciolta, la portata divenne molto inferiore, variando tra 1,6 e 2,1 metri cubi al secondo.

Il ruscellamento da fusione della neve varia da stagione a stagione e di anno in anno. Confrontate gli alti picchi di portata del 2000 con le portate molto inferiori del 2001. Sembra che una grande siccità avesse colpito quella parte della California nel 2001. La carenza di acqua conservata come manto nevoso in inverno può diminuire la disponibilità d'acqua per il resto dell'anno. Ciò può avere degli effetti sulla quantità d'acqua nei serbatoi artificiali a valle, e ciò può ridurre l'acqua disponibile per l'irrigazione e l'uso idropotabile per le popolazioni.

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Ruscellamento superficiale: ruscellamento da precipitazione che si muove verso i fiumi sulla superficie terrestre.

Il ruscellamento superficiale è il ruscellamento da precipitazione sul paesaggio.

Molte persone probabilmente pensano che la precipitazione cade sulla terra, scorre in superficie (ruscellamento) e corre nei fiumi che quindi si riversano nei mari. In realtà è più complicato, perché anche i fiumi prendono e cedono acqua al terreno. Tuttavia, molta dell'acqua dei fiumi proviene direttamente dal ruscellamento da precipitazione, definito ruscellamento superficiale.

Normalmente, parte della pioggia che cade inzuppa il terreno, ma quando la pioggia  colpisce un terreno saturo o impermeabile, come una strada pavimentata o un parcheggio, comincia a scorrere tutta verso valle come ruscellamento. L'acqua scorre prima come un velo continuo, ma presto si incanala nei solchi del suolo e da qui verso i fossi permanenti, i torrenti ed i fiumi. Questa figura mostra come il ruscellamento superficiale (qui mentre fluisce fuori da una strada) entri in un piccolo fosso. In questo caso il ruscellamento scorre su suolo nudo e trasporta sedimenti verso un corso d'acqua (male per la qualità dell'acqua). Il ruscellamento sta così iniziando il suo viaggio di ritorno al mare.

Come in tutte le parti del ciclo idrologico, l'interazione tra precipitazione e ruscellamento superficiale varia in base alla geografia e nel tempo. Temporali simili che avvengono sulla jungla amazzonica e sui calanchi della Calabria ionica produrranno differenti distribuzioni del ruscellamento. Il ruscellamento è infatti influenzato sia dai fattori meteorologici sia dalla geologia, topografia e copertura vegetale del terreno. Solo un terzo circa della precipitazione scorre in superficie verso i fiumi e ritorna la mare. Gli altri due terzi evaporano, sono traspirati, o s'infiltrano nel terreno. Il ruscellamento superficiale può essere utilizzato dall'uomo per i loro fini pratici.

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Flusso incanalato:Il movimento dell'acqua nei fiumi.

Il Servizio Geologico degli Stati Uniti usa il termine "portata" per riferirsi alla quantità di acqua che scorre in un fiume, in un torrente o in un ruscello.

L'importanza dei fiumi

I fiumi sono importanti non solo per la gente, ma per la vita in ogni luogo. I fiumi non solo sono dei gran posti per giocare per la gente (e per i loro cani), ma l'acqua dei fiumi è utilizzata per bere, per irrigare, per produrre elettricità e come fonte di energia meccanica, per allontanare rifiuti liquidi (possibilmente trattati), per trasportare mercanzie e persone, e per ricavarne cibo. I fiumi sono essenziali per le piante e gli animali. Aiutano a mantenere carichi gli acquiferi sotterranei scaricando acqua in profondità attraverso il loro letto. Infine, i mari rimangono pieni d'acqua anche perché vi sboccano i fiumi.

Bacini imbriferi e fiumi

Pensando ai fiumi, è importante pensare ai bacini imbriferi dei fiumi. Cos'è un bacino imbrifero? Se siete in piedi sul terreno, in questo momento, vi basta guardare in basso. State, ed ognuno sta, in un bacino imbrifero, che è il territorio in cui tutta l'acqua che vi precipita viene convogliata verso lo stesso punto. Un bacino può essere piccolo come un'impronta di piede nel fango, o grande da contenere tutto il territorio racchiuso tra la catena delle Alpi e gli Appennini, o ancora così grande da estendersi per la maggior parte degli Stati Uniti e convogliare le acque nel F. Mississippi che le porta nel Golfo del Messico. Un bacino è costituito da bacini più piccoli che confluiscono in tratti di canali in comune con altri bacini a formare un sistema di drenaggio. I bacini imbriferi sono importanti perché la portata e la qualità dell'acqua di un fiume sono influenzate da elementi e fatti, umani e non, che si trovano o succedono nel bacino.

La portata cambia continuamente

La portata cambia in continuazione, di giorno in giorno e anche di minuto in minuto. Naturalmente, la principale influenza sulla portata è esercitata dal ruscellamento da precipitazione nel bacino. La pioggia causa l'innalzamento del livello dei fiumi, ma ciò può avvenire solo se piove nella parte alta del bacino: ricordate che la maggior parte dell'acqua che cade in un bacino alla fine passerà dalla sezione di chiusura. Le dimensioni di un fiume dipendono dalle dimensioni del suo bacino: i grandi fiumi hanno grandi bacini, ed i piccoli fiumi hanno piccoli bacini. Analogamente, fiumi di diversa grandezza rispondono differentemente alle precipitazioni. I grandi fiumi si gonfiano e diminuiscono più lentamente di quelli piccoli. In un piccolo bacino, la portata del fiume crescerà o diminuirà nel giro di minuti o ore, mentre un grande fiume impiegherà giorni per crescere o diminuire di portata.

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Immagazzinamento di acqua dolce: acqua dolce sulla superficie terrestre

Una parte del ciclo idrologico essenziale per tutte le forme di vita sulla Terra è l'acqua dolce superficiale. Provate a chiedere ai vostri vicini, ad una pianta di pomodoro, ad una trota, o a quella zanzara. Le acque superficiali includono fiumi, laghi, serbatoi artificiali, e zone umide di acqua dolce.

La quantità di acqua nei fiumi e nei laghi cambia continuamente a causa delle immissioni e delle emissioni. Le immissioni provengono dalle precipitazioni, dal ruscellamento, dal flusso sotterraneo, e dai tributari. Le emissioni dai laghi e ai fiumi comprendono l'evaporazione e la ricarica verso l'acqua sotterranea. Gli uomini usano l'acqua superficiale per i loro bisogni. La quantità e la posizione dell'acqua superficiale varia nel tempo e nello spazio, sia naturalmente, sia per cause umane.

L'acqua superficiale fa andare avanti la vita

Come si vede in questa immagine del delta del Nilo in Egitto, la vita può fiorire anche nel deserto se c'è disponibile un apporto di acqua superficiale (o sotterranea). L'acqua sulla superficie realmente sostiene la vita. E l'acqua sotterranea esiste a causa del movimento dell'acqua superficiale giù verso gli acquiferi sotterranei. Potete pensare che i pesci che vivono nei mari salati non sono influenzati dall'acqua dolce; invece, senza l'acqua dolce che ricolma i mari, questi alla fine evaporando diventerebbero troppo salati perché i pesci vi possano sopravvivere.

L'acqua dolce è relativamente scarsa sulla Terra. Solo il tre per cento circa di tutta l'acqua sulla Terra è dolce, ed i laghi e gli stagni rappresentano solo lo 0,29 per cento dell'acqua dolce terrestre. Il venti per cento di tutta l'acqua dolce superficiale si trova in un solo lago, il lago Baikal in Asia. Un altro venti per cento è conservato nel Grandi Laghi (Huron, Michigan, and Superior) degli Stati Uniti. I fiumi contengono solo lo 0,006 per cento dell'acqua dolce superficiale mondiale. E' chiaro che la vita sulla Terra si basa su una sola goccia nel vaso della disponibilità totale d'acqua dolce terrestre!.

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Infiltrazione: il movimento dell'acqua dalla superficie verso il basso nel sottosuolo.

L'acqua sotterranea inizia come precipitazione

Dappertutto nel mondo, parte dell'acqua che precipita come pioggia o neve s'infiltra nel sottosuolo. L'entità di questa parte dipende da numerosi fattori. L'infiltrazione della precipitazione che cade sui ghiacci della Groenlandia può essere molto piccola, mentre, come mostra questa immagine del fiume che scompare in una grotta in Georgia, in un solo punto la quantità di infiltrazione può essere elevatissima.

Parte dell'acqua che s'infiltra rimane negli strati superficiali del suolo (deflusso ipodermico), da dove può filtrare verso un canale del sistema di drenaggio. Parte s'infiltra più profondamente (deflusso sotterraneo), ricaricando di acqua sotterranea gli acquiferi. Dagli acquiferi è possibile che l'acqua venga a giorno da sorgenti o che se ne possa estrarre scavando dei pozzi o delle gallerie. L'acqua può percorrere lunghe distanze o rimanere in un acquifero per lungo tempo prima di ritornare in superficie o filtrare verso un'altra massa d'acqua, come un fiume o il mare.

Acqua sotterranea

Quando la precipitazione s'infiltra nel suolo, forma una zona satura ed una zona non satura, sovrapposte, normalmente con la zona satura in basso. Nella zona non satura c'è dell'acqua presente nei pori della roccia e del suolo, ma non li riempie completamente. La parte più alta della zona non satura è la zona del suolo, che presenta delle cavità intorno alle radici delle piante e delle fessure del terreno, lungo le quali si può facilmente infiltrare l'acqua piovana. L'acqua nella zona del suolo è utilizzata dalla vegetazione e da questa viene in parte trasformata in traspirazione. Nella zona satura, l'acqua occupa completamente gli spazi (pori e fratture) nella roccia e nel suolo. Da questa zona, che in pratica è un acquifero, l'acqua può essere estratta con i pozzi.

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Immagazzinamento dell'acqua sotterranea. L'acqua rimane a lungo sotto la superficie terrestre.

L'acqua immagazzinata come parte del ciclo dell'acqua

Grandi quantità d'acqua sono immagazzinate nel terreno. L'acqua è in movimento, normalmente molto lentamente, ed è ancora parte de ciclo dell'acqua. La maggior parte dell'acqua sotterranea proviene dalla precipitazione che s'infiltra attraverso la superficie. La parte superiore del terreno è la zona non satura (o insatura) dove la quantità d'acqua varia nel tempo, ma non giunge a saturare il suolo. Al di sotto di questo livello c'è la zona satura, dove tutti gli spazi disponibili e comunicanti fra di loro sono pieni d'acqua. L'acqua nel terreno si indica con acqua sotterranea. Enormi quantità di acqua sotterranea sono immagazzinate negli acquiferi in tutto il mondo e la gente dipende da quest'acqua per la loro vita quotidiana.

Per trovare l'acqua, guardate sotto la tavola…la tavola d'acqua

Spero che voi apprezziate tutta la fatica spesa in un ora al sole per scavare questa buca nella spiaggia. E' una bel modo per illustrare il concetto di come ad una certa profondità, il terreno, se è abbastanza permeabile da tenere acqua mobile, sia saturo d'acqua. La superficie dell'acqua in questa buca è la tavola d'acqua, e si estende entro il terreno circostante. Il mare è appena sulla destra di questa buca, ed il livello dell'acqua in questa buca è uguale a quello dell'acqua del mare. Naturalmente, il livello qui cambia da un minuto all'altro, a causa delle maree: quando la marea scende o risale, il livello d'acqua nella buca scende o risale pure.

Questa buca è come un pozzo usato per accedere all'acqua sotterranea. Se questa figura mostrasse acqua dolce, si potrebbe prendere un secchio e rifornirsi d'acqua. In realtà, se voi prendeste un secchio e cercaste di svuotare questa buca, si riempirebbe immediatamente perché la sabbia è così permeabile che l'acqua fluisce molto facilmente attraverso di essa. Per raggiungere l'acqua dolce, bisogna scavare dei pozzi profondi a sufficienza per raggiungere gli acquiferi. I pozzi sono in genere profondi decine o centinaia di metri. Ma il concetto è lo stesso della nostra buca nella spiaggia: raggiungere l'acqua nella zona satura.

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Venuta a giorno dell'acqua sotterranea. La fuoriuscita dell'acqua dal terreno

Voi vedete acqua intorno a voi ogni giorno come laghi, fiumi, ghiaccio, pioggia e neve. Vi sono anche grandi quantità di acqua che non si vede, acqua che si trova e si muove nel terreno. La gente ha utilizzato quest'acqua per migliaia di anni a continua ad usarla oggi, soprattutto per bere e per irrigare. La vita sulla terra dipende dall'acqua sotterranea proprio come dall'acqua di superficie.

L'acqua sotterranea scorre sotto terra

Parte delle precipitazioni che cadono sul terreno vi s'infiltrano e diventano acqua sotterranea. Una volta nel terreno, parte di quest'acqua si muove in prossimità delle superficie ed emerge presto come deflusso superficiale verso i corsi d'acqua, ma, a causa della gravità, la maggior parte di essa continua a scendere in profondità nel sottosuolo.

Come mostrato in questo diagramma, direzione e velocità dell'acqua sotterranea dipendono dalle varie caratteristiche dell'acquifero e dei livelli che lo delimitano (strati di roccia poco permeabile in cui l'acqua penetra con difficoltà). La mobilità dell'acqua sotterranea dipende dalla permeabilità (facilità con la quale un mezzo si fa attraversare da un fluido) e dalla porosità (volume di spazi comunicanti rispetto ad un volume di riferimento della roccia) dell'acquifero. In una roccia di elevata permeabilità, l'acqua può percorrere decine o centinaia di metri in qualche giorno. Se l'acqua raggiunge un acquifero profondo, può impiegare migliaia di anni per ritornare in superficie, o restare "confinata" a grandi profondità, come sotto il deserto del Sahara.

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Sorgente: luogo in cui l'acqua sotterranea defluisce in superficie

Cos'è una sorgente?

Una sorgente si forma dove l'acqua sotterranea in movimento incrocia la superficie ed affiora. Le sorgenti possono variare molto in importanza, da piccole venute temporanee che si formano in seguito alle piogge, a sorgenti perenni che possono raggiungere portate di decine di metri cubi al secondo (centinaia di migliaia di metri cubi al giorno).

Le sorgenti si possono trovare in ogni tipo di roccia, ma quelle più importanti si trova in genere nei calcari e nelle dolomite, che sono frequentemente fratturati. I calcari, inoltre, possono essere disciolti dall'acqua piovana che contiene sempre un po' di anidride carbonica, ed in essi si formano spesso ampi sistemi di piccole e grandi cavità sotterranee dove possono scorrere veri fiumi sotterranei (sistemi carsici). Se il flusso dell'acqua è prevalentemente orizzontale, questa può venire a giorno in grandi sorgenti.

L'acqua delle sorgenti non sempre è limpida

L'acqua delle sorgenti normalmente è limpida. Tuttavia, l'acqua di alcune sorgenti può avere il colore del tè, come questa sorgente in Colorado. Il suo colore rossiccio è causato dal fatto che l'acqua sotterranea è venuta in contatto con minerali di ferro. Il deflusso di acqua intensamente colorata può indicare che l'acqua, dopo essere stata contaminata, sta fluendo in superficie senza essere prima filtrata a sufficienza dalla roccia dell'acquifero.

Sorgenti termali

Le sorgenti termali sono sorgenti ordinarie salvo per la temperature dell'acqua che, in alcuni casi, è bollente, come nelle sorgenti di fango bollente nel Parco Nazionale dello Yellowstone, in Wyoming, USA. Molte sorgenti termali si trovano in regioni con attività vulcanica recente dove l'acqua è riscaldata al contatto con le rocce calde in profondità. Ma anche lontano dai vulcani, la crosta diviene più calda con la profondità (circa 2,5 gradi centigradi ogni cento metri), e se l'acqua profonda raggiunge una frattura lungo la quale può risalire rapidamente, si può formare una sorgente termale. Infine, l'acqua calda può provenire direttamente dai magmi profondi in raffreddamento. Le sorgenti termali si trovano in tutto il mondo e possono coesistere con gli icebergs, come possono testimoniare questi allegri Groenlandesi.

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Distribuzione dell'acqua globale

Per una dettagliata spiegazione su dove si trovi l'acqua della Terra, guardate il diagramma e la tabella di sotto. Finora, voi sapete che il ciclo dell'acqua descrive il moto dell'acqua terrestre, così capite che sia il diagramma sia la tabella descrivono la presenza dell'acqua terrestre ad un dato momento. Se controllate i dati relativi ad un arco di tempo di un milione di anni, questi numeri cambiano!

Notate come la disponibilità totale mondiale d'acqua sia di circa 1.386 miliardi di chilometri cubi (1 chilometro cubo corrisponde a un miliardo di metri cubi). Di questi, il 96 per cento è salata. Inoltre, su tutta l'acqua dolce, oltre il 68 per cento è bloccata nei ghiacci delle calotte e dei ghiacciai. Un altro 30 per cento è sotto terra. L'acqua dolce superficiale (laghi, fiumi) ammonta a soli 93.100 chilometri cubi, circa 7 millesimi dell'1 per cento dell'acqua totale. Tuttavia, i fiumi ed i laghi sono la fonte della maggior parte dell'acqua che la gente usa ogni giorno.

Stima della distribuzione dell'acqua terrestre:
Sorgente d'acqua	Volume d'acqua, in chilometri cubi	Volume d'acqua, in miglia cubiche	Percentouale d'acqua dolce	Percentouale d'acqua totale
Oceani, mari e golfi	1,338,000,000	321,000,000	--	96.5
Calotte glaciali, ghiacciai e nevi perenni	24,064,000	5,773,000	68.7	1.74
Acqua sotterranea	23,400,000	5,614,000	--	1.7
Dolce	10,530,000	2,526,000	30.1	0.76
Salata	12,870,000	3,088,000	--	0.94
Umidità nel suolo	16,500	3,959	0.05	0.001
Ghiaccio sotterraneo e permafrost	300,000	71,970	0.86	0.022
Laghi	176,400	42,320	--	0.013
Dolce	91,000	21,830	0.26	0.007
Salata	85,400	20,490	--	0.006
Atmosfera	12,900	3,095	0.04	0.001
Acqua di stagno	11,470	2,752	0.03	0.0008
Fiumi	2,120	509	0.006	0.0002
Acqua biologica	1,120	269	0.003	0.0001
Totale	1,386,000,000	332,500,000	-	100
Da: Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823.