Le correnti oceaniche: il sistema di controllo del clima terrestre

Nell'inverno degli anni Cinquanta dell'Ottocento, un ex tenente della marina statunitense sedeva a un lungo tavolo di quercia nell'Osservatorio Navale di Washington, sepolto sotto pile di giornali di bordo. Matthew Fontaine Maury aveva raccolto i resoconti manoscritti dei mercantili atlantici, dei balenieri del Pacifico e delle fregate della marina, e ora ne stava ricavando qualcosa che nessuno aveva mai messo insieme prima: un quadro coerente di come il vento e l'acqua si muovessero realmente attraverso l'intero globo. Un incidente a cavallo anni prima aveva posto fine alla sua carriera in mare e gli aveva lasciato una scrivania, una pensione e una montagna di giornali di bordo, e da quella limitazione costruì una nuova scienza.

Il libro nato da questo lavoro, pubblicato da Harper nel 1855 e intitolato The Physical Geography of the Sea, è considerato il testo fondativo dell'oceanografia fisica. L'intuizione centrale di Maury era che l'oceano non fosse una distesa d'acqua priva di caratteristiche da attraversare, ma un sistema strutturato e in circolazione, percorso da fiumi al suo interno, fiumi di acqua calda e fredda che le navi potevano cavalcare come una corrente che scorre verso valle. Quell'intuizione è il punto di partenza di tutto ciò che oggi comprendiamo su come il mare governi il clima. La domanda a cui questo articolo risponde è ingannevolmente semplice: come fa una massa di acqua salata, per lo più fredda e buia, a finire per controllare la temperatura dei continenti e il ritmo del tempo atmosferico dall'altra parte del pianeta?

Un mare costruito a strati, non un'unica vasca

La prima cosa da abbandonare è l'immagine dell'oceano come un'unica massa uniforme. L'oceano aperto è strutturato verticalmente in tre strati principali che si comportano in modo molto diverso l'uno dall'altro. In cima si trova lo strato mescolato, agitato dal vento e dalle onde fino a profondità che vanno da decine a qualche centinaio di metri, relativamente caldo e ben miscelato, la parte dell'oceano che interagisce direttamente con l'atmosfera. È lo strato su cui navigano le navi e che scambia calore e gas con l'aria.

Sotto lo strato mescolato si trova il termoclino, la zona in cui la temperatura cala bruscamente con la profondità. Nel giro di poche centinaia di metri l'acqua può passare dal piacevole tepore della superficie a un freddo prossimo al congelamento, e questo ripido gradiente di temperatura agisce come una specie di coperchio, separando il mondo soleggiato e mosso dal vento sopra di esso dal regno sottostante. Sotto il termoclino c'è l'oceano profondo, freddo, buio e dal movimento lento, che racchiude la maggior parte dell'acqua salata del pianeta in volume, lontano dalla luce del sole e dalle tempeste e in movimento su scale temporali che non hanno nulla a che fare con il tempo atmosferico di una qualsiasi settimana. Tenere a mente questi tre strati è essenziale, perché i due grandi sistemi di circolazione dell'oceano appartengono ciascuno a una parte diversa di questa struttura verticale.

Fiumi spinti dal vento

Le correnti delle prime centinaia di metri sono mosse, in ultima analisi, dai venti dominanti. Quando venti costanti soffiano sulla superficie del mare, l'attrito mette in movimento l'acqua, e poiché la Terra ruota, l'acqua in movimento non viaggia in linea retta. Si organizza invece in grandi sistemi rotanti chiamati vortici (gyre), uno per ciascun grande bacino oceanico. Questi vortici girano in senso orario nell'emisfero settentrionale e in senso antiorario in quello meridionale, una differenza imposta dall'effetto di Coriolis, la deviazione apparente degli oggetti in movimento su un pianeta che ruota.

La caratteristica più spettacolare di ogni vortice è il suo margine occidentale. Sul lato occidentale di ogni bacino il flusso si concentra in un fiume veloce, stretto e caldo noto come corrente di confine occidentale. Nell'Atlantico settentrionale si tratta della Corrente del Golfo, che trasporta acqua tropicale calda verso nord lungo la costa orientale degli Stati Uniti prima di piegare verso il largo attraverso l'oceano. Le correnti di confine occidentale sono tra i flussi più rapidi del mare, i nastri trasportatori che spostano il calore tropicale verso i poli. Una corrente superficiale come la Corrente del Golfo completa un giro del suo bacino in una manciata di mesi, un anello vivace, caldo e mosso dal vento, confinato nell'oceano superiore al di sopra del termoclino.

Il nastro trasportatore millenario nelle profondità

Sotto la superficie mossa dal vento, una seconda circolazione, di gran lunga più lenta, opera secondo un principio del tutto diverso. È la circolazione termoalina, così chiamata per le due cose che la controllano: il calore (termo) e il sale (alino). Mentre le correnti superficiali funzionano grazie al vento, l'oceano profondo funziona grazie alla densità, e la densità è determinata da quanto l'acqua è fredda e salata. L'acqua fredda è più densa di quella calda, e l'acqua salata è più densa di quella dolce, perciò l'acqua più fredda e più salata è la più pesante di tutte e tende ad affondare.

Questo affondamento avviene in alcuni luoghi specifici. Nell'estremo Atlantico settentrionale e nei mari intorno all'Antartide, l'acqua superficiale diventa abbastanza fredda e salata da precipitare verso il basso, scivolando sotto l'acqua più leggera che si trova sopra e iniziando un lungo viaggio attraverso l'abisso. Da queste regioni di affondamento l'acqua densa fluisce verso sud e poi tutto intorno al globo nell'oceano profondo, strisciando lungo il fondale marino prima di risalire lentamente, tornando verso la superficie, soprattutto nei bacini dell'Indiano e del Pacifico. L'intero anello, spesso chiamato il grande nastro trasportatore oceanico, impiega all'incirca mille anni per completare un solo giro. L'acqua che affonda al largo della Groenlandia oggi potrebbe non riemergere nel Pacifico fino a ben dopo l'anno 3000. È questo il motore che ventila il mare profondo, portando ossigeno verso il basso e acqua antica verso l'alto su una scala temporale che fa impallidire qualsiasi cosa avvenga nell'atmosfera.

Due circolazioni, una sola massa d'acqua

È utile affiancare i due sistemi, perché condividono esattamente la stessa acqua eppure obbediscono a regole completamente diverse. Le correnti superficiali sono mosse dal vento, calde e veloci, e completano il giro di un bacino in pochi mesi. Le correnti profonde sono mosse dalla densità, fredde e lente, e completano un giro globale in circa mille anni. Una è la pelle dell'oceano, rapida, superficiale e spinta dal vento; l'altra è il suo interno, vasto, lento e ordinato per densità. Il termoclino è il confine tra le due, il gradino di temperatura che mantiene lo strato caldo mosso dal vento a galleggiare sopra la fredda massa profonda.

Le due non sono indipendenti. Le correnti superficiali trasportano calore e sale verso le regioni di alta latitudine dove si forma l'acqua profonda, contribuendo a creare le condizioni per l'affondamento, e la risalita profonda riporta infine l'acqua in superficie dove i venti possono afferrarla di nuovo. Insieme formano un'unica macchina interconnessa, ma comprendere l'oceano significa sapere sempre di quale delle due si sta parlando, perché le loro velocità e i loro motori non potrebbero essere più diversi.

Perché il sale conta più di quanto sembri

La salinità dell'oceano è facile da trattare come un dato statico, ma è una delle variabili maestre dell'intero sistema. La salinità media dell'oceano aperto è di circa il 3,5 per cento, cioè circa 35 grammi di sale disciolto in ogni chilogrammo di acqua di mare. Quel numero non è fisso ovunque. Sale dove l'evaporazione concentra il sale, come nelle calde regioni subtropicali, e cala dove pioggia, fiumi e ghiaccio che si scioglie aggiungono acqua dolce a diluirlo.

Queste variazioni contano perché la salinità, insieme alla temperatura, controlla la densità, e la densità è ciò che fa funzionare il nastro trasportatore profondo. Una porzione di oceano che diventa più salata, sia per via di una forte evaporazione sia per via dell'espulsione del sale quando il ghiaccio marino si congela, diventa più densa e più incline ad affondare. È esattamente per questo che la formazione di acqua profonda è sensibile al bilancio di acqua dolce delle alte latitudini. Un grande afflusso di acqua dolce dal ghiaccio che si scioglie può abbassare la salinità superficiale al punto da rallentare l'affondamento, e attraverso di esso l'intera circolazione millenaria. Il contenuto di sale del mare, in altre parole, non è un'etichetta passiva ma una manopola di controllo attiva della distribuzione del calore del pianeta.

Quando il Pacifico scambia la sua acqua calda

L'oceano non si limita a circolare; oscilla anche, e l'oscillazione più importante vive nel Pacifico equatoriale. Nel suo stato normale, gli alisei soffiano da est verso ovest lungo l'equatore, accumulando acqua superficiale calda in un grande bacino vicino all'Indonesia e al Pacifico occidentale, mentre acqua più fredda risale al largo della costa del Sud America. Ogni due o sette anni questa disposizione si rompe. L'oscillazione accoppiata di oceano e atmosfera tra la sua fase calda e quella fredda è chiamata El Niño-Oscillazione meridionale, e i suoi due estremi sono la fase calda, El Niño, e la fase fredda, La Niña.

Durante El Niño gli alisei si indeboliscono, la diga di vento che teneva il bacino caldo a ovest cede, e l'acqua calda rifluisce verso est attraverso il Pacifico. Poiché oceano e atmosfera sono accoppiati, questa ridistribuzione del calore sposta i luoghi in cui l'aria sale e cadono le piogge abbondanti, sconvolgendo il tempo atmosferico dall'Indonesia al Perù e propagandosi verso l'esterno fino a influenzare piogge, siccità e temperatura in gran parte del globo. I monsoni, la pesca e i raccolti del mondo ne risentono tutti. L'ENSO è la dimostrazione più chiara che l'oceano non è solo uno sfondo lento del clima, ma un attore attivo capace di riorganizzare il tempo atmosferico globale nell'arco di una sola stagione.

Il mito del dono della Corrente del Golfo

Poche idee in geografia vengono ripetute con più sicurezza, o con meno giustificazione, dell'affermazione che la Corrente del Golfo da sola mantenga calda l'Europa occidentale. Il ragionamento sembra plausibile: una corrente calda sale dai tropici, raggiunge l'Atlantico orientale e riscalda dolcemente Gran Bretagna, Francia e Scandinavia, ed è per questo che Londra è più mite di Terranova alla stessa latitudine. La corrente conta davvero, e immette del calore reale nell'Atlantico settentrionale, ma non è la causa dominante degli inverni miti dell'Europa.

La parte più consistente della spiegazione è atmosferica. I venti occidentali dominanti soffiano sulla calda superficie oceanica, ne raccolgono il calore e lo trasportano sul continente. Senza quei venti occidentali diretti verso terra, il calore immagazzinato nell'oceano farebbe molto meno per le temperature dell'aria europea, e studi dettagliati attribuiscono gran parte del contrasto tra l'Europa occidentale e l'America del Nord orientale alla configurazione dei venti e al modo in cui l'atmosfera ridistribuisce il calore, piuttosto che alla sola corrente. È una correzione utile, perché mostra che oceano e atmosfera lavorano come una coppia accoppiata. Nessuno dei due regola il clima da solo, e attribuire a una sola corrente gli inverni miti di un intero continente significa scambiare una componente per l'intera macchina.

Perché l'oceano è il sistema climatico

Facciamo un passo indietro, e il motivo per cui l'oceano merita di essere chiamato il sistema di controllo del clima del pianeta diventa chiaro. L'oceano racchiude più del novanta per cento del calore aggiuntivo intrappolato dai gas serra dal 1971, assorbendo la stragrande maggioranza dell'energia del riscaldamento globale nel suo immenso volume d'acqua. Inoltre sposta il calore tra le latitudini su una scala che nessun'altra parte del sistema climatico può eguagliare, trasportando il calore tropicale verso i poli attraverso i suoi vortici superficiali e ridistribuendolo attraverso il lento rimescolamento del nastro trasportatore profondo.

È per questo che l'oceanografia fisica, la disciplina che Maury fondò con una scrivania piena di giornali di bordo nel 1855, è il presupposto per comprendere il cambiamento climatico e il bilancio idrico planetario. Gli strati, le correnti, il sale e le oscillazioni sono parti di un unico sistema integrato che tampona l'atmosfera, definisce i climi regionali e immagazzina il calore che stiamo aggiungendo al pianeta. Chiedersi come cambierà il clima significa, in gran parte, chiedersi cosa farà l'oceano con il calore e l'acqua dolce che gli stiamo fornendo.

Punti chiave

L'oceano è stratificato, in circolazione, salato, ed è la componente dominante del sistema climatico. La sua acqua aperta è strutturata in uno strato mescolato agitato dal vento, in un netto termoclino e in un freddo oceano profondo che racchiude la maggior parte del volume; le sue correnti superficiali, come la Corrente del Golfo, sono mosse dal vento, calde e veloci, e si organizzano in vortici orari e antiorari che percorrono un bacino in pochi mesi, mentre la sua circolazione termoalina profonda è mossa dalla densità, fredda e lenta, fa affondare acqua fredda e salata nell'Atlantico settentrionale e intorno all'Antartide e impiega all'incirca mille anni per fare il giro del globo. La salinità media si aggira sui 35 grammi per chilogrammo e conta perché contribuisce a determinare la densità che alimenta il nastro trasportatore profondo; l'El Niño-Oscillazione meridionale rimescola l'acqua calda del Pacifico equatoriale ogni due o sette anni e sconvolge il tempo atmosferico in tutto il mondo; gli inverni miti dell'Europa devono di più ai venti occidentali che portano a terra il calore oceanico che alla sola Corrente del Golfo; e poiché l'oceano immagazzina più del novanta per cento del recente riscaldamento climatico e sposta il calore tra le latitudini come nient'altro può fare, comprendere correnti, salinità e strati è il fondamento per comprendere il clima stesso, una scienza che Matthew Maury stabilì con il suo Physical Geography of the Sea del 1855.