La marea è un fenomeno oceanico costituito da ampie masse d'acqua (oceani, mari e grandi laghi) che si innalzano (flusso, alta marea) e si abbassano (riflusso, bassa marea) anche di 10-20 metri (nella baia di Mont Saint-Michel) con frequenza giornaliera o frazione di giorno (solitamente circa ogni sei ore, un quarto di giorno terrestre) dovuto all'attrazione gravitazionale esercitata sulla Terra dalla Luna, che, pur essendo circa duecento volte meno intensa dell'attrazione esercitata dal Sole, è la principale responsabile delle maree, in conseguenza del fatto che la misura del diametro terrestre non è del tutto trascurabile rispetto alla distanza tra la Luna e la Terra, mentre lo è rispetto alla distanza tra la Terra e il Sole.
Descrizione Luoghi con notevoli ampiezze di marea Baia di Fundy Canada ca. 20 m Río Gallegos Patagonia ca. 18 m Portishead Gran Bretagna ca. 16 m Granville Francia ca. 15 m Australia ca. 14 m Saint-Malo Francia ca. 13 m Ampiezza (detta alta e bassa marea), frequenza e orario delle maree sono legati ai suddetti fenomeni astronomici e da numerosi aspetti morfologici (superficie della massa d'acqua, forma della costa, differenza di profondità dei fondali). Le maree hanno effetto anche sul livello dei fiumi che sfociano nel mare. Le stesse forze e gli stessi principi che regolano le maree dei corpi liquidi, agiscono pure sui corpi solidi, in particolare è stata documentata la deformazione della crosta terrestre.
Diverse motivazioni fanno sì che alcuni litorali dello stesso mare o oceano non conoscano maree di rilievo mentre su altri litorali, anche prossimi, le maree possano avere ampiezza di molto superiore a dieci metri.
Solitamente le maree hanno una frequenza legata al paesaggio. Fenomeni simili alle "onde statiche" (la marea può essere considerata un'onda estesa, detta onda di marea, di lunghezza eguale alla semicirconferenza terrestre e periodo di 12 h 25 min) fanno sì che in alcune zone costiere oceaniche non vi sia alcuna marea (per esempio in alcuni mari dell'Europa settentrionale). Mentre solitamente gli orari delle maree variano di giorno in giorno (come la variazione dell'orario della luna), esistono posti (per esempio nell'oceano Pacifico) nei quali le maree avvengono sempre negli stessi orari.
Su coste oceaniche basse e debolmente inclinate, come quelle delle aree continentali cratoniche e quelle prospicienti pianure alluvionali, l'effetto della marea porta alla sommersione e all'emersione ciclica di vaste superfici di territorio e dà luogo alla formazione di piane di marea, ambienti sedimentari caratterizzati dal trasporto di sedimento sia verso terra sia verso mare e conseguentemente da strutture sedimentarie bidirezionali. Esempi tipici sono la costa franco-olandese in Europa e quella canadese. Questi ambienti sono però diffusi su tutte le aree costiere oceaniche.
L'ampiezza effettiva del livello del mare dipende inoltre da fenomeni meteorologici per nulla legati alle maree, ma che ne esaltano gli effetti. In particolare si tratta degli effetti del vento (soffiando verso la costa innalza il livello del mare sui litorali, soffiando verso il largo abbassa il livello presso i litorali) nonché di differenziali di pressione atmosferica tra il mare aperto e la zona costiera.
Il fenomeno della risonanza della marea, molto bene documentato nella Baia di Fundy, è dovuto al fatto che l'onda di marea viene riflessa dalla costa di una baia e incontra la successiva onda di marea che arriva dall'oceano. In tal modo le due onde si sommano formando delle ampiezze di marea particolarmente forti. Il caso opposto avviene quando l'onda di marea riflessa incontra l'onda di marea sfasata (il massimo di marea incontra il minimo di marea o viceversa) rendendo minime le variazioni del livello del mare.
Le maree possono anche essere utilizzate per produrre energia.
Spiegazione scientifica
Effetto della Luna
Considerando per semplicità soltanto la Luna e trascurando per ora gli altri corpi del sistema solare, la forza che provoca le maree risulta dalla risultante di tre forze: l'attrazione gravitazionale esercitata dalla Terra su ciò che si trova sulla superficie terrestre, l'attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna sulla Terra e la forza centrifuga dovuta alla rotazione della Terra intorno al centro di massa del sistema Terra-Luna (che si trova a circa 4.700 km dal centro della Terra, e circa 1.700 km sotto la superficie terrestre).
Al centro della Terra queste tre forze si annullano esattamente.
Consideriamo un punto della superficie terrestre rivolta verso la Luna. Qui agiscono tre forze: una forza gravitazionale verso il centro della Terra, una forza gravitazionale verso il centro della Luna e una forza centrifuga esercitata dal centro di massa del sistema Terra-Luna, che ha la stessa direzione e verso della forza centripeta verso la Luna. Le due componenti che agiscono parallelamente in direzione della Luna sono sufficientemente intense da provocare il fenomeno delle maree, nonostante la forza gravitazionale terrestre: la sommatoria risultante è infatti una forza diretta verso la Luna che provoca l'innalzamento del livello del mare. Contemporaneamente, in un punto della superficie terrestre opposto rispetto alla faccia rivolta verso la Luna, possiamo osservare che: la forza gravitazionale lunare agisce contro l'innalzamento della marea, parallelamente alla forza gravitazionale terrestre; tuttavia, la forza centrifuga del centro di massa del sistema Terra-Luna agisce in verso opposto alle altre due ed è maggiore in intensità grazie alla maggiore distanza di tale superficie dal centro di massa stesso. Per tale motivo, anche in questa parte della Terra, opposta alla superficie esposta verso la Luna, osserviamo un innalzamento della marea.
Ne consegue un innalzamento del mare sia sul lato della Terra rivolto verso la Luna, sia sul lato opposto (la cosiddetta "seconda gobba" della marea). Ecco perché l'alta e la bassa marea si alternano all'incirca due volte al giorno, e non una come potrebbe suggerire un'analisi superficiale.
Risultando dalla differenza tra due forze quasi uguali tra loro, l'intensità della forza di marea è alquanto minore di quella di ciascuna delle due forze prese singolarmente (matematicamente parlando, si tratta di un effetto di secondo ordine). Sulla superficie della Terra essa vale circa un decimilionesimo della forza di gravità. Tale forza, apparentemente piccolissima, è però sufficiente a produrre effetti giganteschi a causa dell'enorme massa d'acqua su cui agisce. Per una spiegazione dettagliata vedi: Tidal forces
Calcolo dettagliato
In un qualunque punto della superficie terrestre, il potenziale gravitazionale esercitato dalla Terra e dalla Luna è
dove G è la costante di gravitazione universale, MT la massa della Terra, ML la massa della Luna, rT la distanza dal centro della Terra, rL la distanza dal centro della Luna. A esso va aggiunto il potenziale della forza centrifuga:
dove ω è la velocità di rotazione del sistema Terra-Luna, mentre r è la distanza dal centro di massa di tale sistema. ω si può ricavare uguagliando l'accelerazione del centro della Terra dovuta alla rotazione con quella prodotta dall'attrazione gravitazionale della Luna:
dove rC è la distanza del centro della Terra dal centro di massa del sistema, mentre dTL è la distanza tra il centro della Terra e quello della Luna. Inoltre, applicando il teorema del coseno, r e rL si possono scrivere rispettivamente come
dove θ è l'angolo tra la linea che congiunge il centro della Terra con il punto in cui si calcola il potenziale e quella che congiunge il centro della Terra con quello della Luna (si noti che anche il centro di massa del sistema si trova su quest'ultima linea). Sviluppando in serie di Maclaurin otteniamo quindi
e sostituendo nell'espressione del potenziale
avendo utilizzato i seguenti valori numerici: G = 6,674 · 10−11 kg−1m3s−2 ML = 7,348 · 1022 kg rT = 6,3728 · 106 m (valore medio) dTL = 3,844 · 108 m (valore medio) Indicando con ΔP i termini non costanti del potenziale, si ottiene (valore massimo)
per cui il potenziale è minimo nel punto della superficie terrestre rivolto verso la Luna e nel punto opposto, mentre è massimo nella direzione approssimativamente perpendicolare (cosθ = 0,0083 corrisponde a un angolo di 89°30'). Ai minimi corrisponde l'alta marea (il livello dell'acqua si innalza per compensare la differenza di potenziale), al massimo la bassa marea,
Dividendo per il valore medio dell'accelerazione di gravità sulla superficie terrestre, g = 9,8 ms−2, otteniamo anche il valore teorico dell'ampiezza di marea:
Effetto del Sole Il Sole esercita sulla Terra una forza di marea analoga a quella esercitata dalla Luna; poiché però la distanza Terra-Sole è maggiore (mediamente circa 390 volte) della distanza Terra-Luna, sebbene il Sole abbia una massa molto maggiore della Luna, la forza di marea del Sole risulta pari solo al 46% circa di quella della Luna. Anche gli altri pianeti del sistema solare esercitano una forza di marea, ma avendo una massa molto inferiore a quella del Sole, l'entità di tali forze è del tutto trascurabile (meno di un decimillesimo della forza di marea della Luna).
A seconda della posizione relativa di Terra, Sole e Luna, la forza di marea del Sole può agire nella stessa direzione di quella della Luna oppure in direzione a essa perpendicolare: ne risulta un rafforzamento della marea quando i due astri si trovano in congiunzione (Luna nuova) o in opposizione (Luna piena), e un suo indebolimento quando si trovano in quadratura (primo o ultimo quarto). L'ampiezza delle maree perciò aumenta e diminuisce ciclicamente, con un periodo di circa quindici giorni.
Altri effetti Per il calcolo preciso dell'ampiezza, della frequenza e dell'orario delle maree in un determinato momento dell'anno e in un determinato punto della superficie terrestre, occorre tenere conto di diversi aspetti:
Aspetti astronomici la Luna: la sua massa, il suo passaggio, la sua distanza, l'inclinazione della sua orbita sul piano equatoriale; il Sole: la sua massa, la sua distanza, l'inclinazione della sua orbita sul piano equatoriale. Aspetti geografici superficie delle acque; differenziale di profondità dei fondali; forma a cuneo delle baie. Aspetti meteorologici (agiscono indipendentemente dalle maree, ma in alcune combinazioni le possono rendere catastrofiche per le attività dell'uomo) intensità e direzione dei venti; gradiente di pressione atmosferica.
Questi aspetti possono, in alcune località, determinare un'ampiezza di marea superiore anche di decine di volte al valore teorico calcolato sopra.
Gli effetti della marea nei fiumi che sfociano su coste interessate da ampie maree, dipendono (oltre che dalla marea a livello costiero) anche da: pendenza; profondità; larghezza.
In alcuni fiumi francesi gli effetti delle maree si riscontrano anche a più di cento chilometri dalla costa.
Periodicità delle maree Il ciclo delle maree determinato dall'attrazione della Luna si ripete approssimativamente due volte al giorno: il picco di alta marea si verifica mediamente ogni 12 ore e 25 minuti circa, così come il picco di bassa marea, sfalsati tra di loro di poco più di 6 ore (Dopo circa 6 ore da un picco di alta marea si ha un picco di bassa marea; dopo circa altre 6 ore si ha il secondo picco di alta marea, e dopo circa 6 ore il secondo picco di bassa marea).