2.1 Stoccaggio dell’acqua nell’idrosfera

L’idrosfera comprende le parti della Terra che sono principalmente acqua, come gli oceani, le calotte di ghiaccio, i laghi e i fiumi. Varie parti dell’idrosfera possono essere viste nella figura 2.1. Gli oceani sono blu; la neve e il ghiaccio sono bianchi nelle calotte di ghiaccio dell’Antartide e sulle alte montagne come il monte Kilimangiaro. (Le aree gialle e marroni sono deserti, e la vegetazione appare grigio-verde.)

Figura 2.1 Una vista della Terra dall’Apollo 17 nel 1972. Le aree blu sono gli oceani, i vortici bianchi sono le nuvole e l’area uniformemente bianca è la calotta antartica.

L’acqua si muove sopra, sopra e attraverso la Terra in un ciclo continuo guidato dal Sole e dalla gravità. È conosciuto come il ciclo dell’acqua o il ciclo idrologico (mostrato dalle frecce blu nella figura 2.2) e coinvolge l’acqua come liquido, solido (ghiaccio e neve) e gas (vapore acqueo). L’acqua può prendere molti percorsi diversi attraverso il ciclo, ma il volume totale dell’acqua nel ciclo dell’acqua rimane virtualmente costante. Ci sono due tipi principali di acqua nel ciclo:

1. acqua meteorica, che è acqua dolce derivata per condensazione dall’atmosfera e che si accumula come acqua superficiale (fiumi e laghi d’acqua dolce) e sotterranea;

2. acqua salina, l’acqua marina degli oceani e di molti laghi.

Figura 2.2 Il ciclo dell’acqua, o idrologico. L’acqua si muove (frecce blu) tra i serbatoi (caselle) dell’idrosfera.

Piccole quantità di acqua magmatica dall’interno della Terra sono aggiunte al ciclo dalle eruzioni vulcaniche. D’altra parte, l’acqua intrappolata nei pori dei sedimenti, l’acqua di formazione, è, almeno a breve termine, isolata dal ciclo dell’acqua. Questa può essere sia acqua originariamente intrappolata nei sedimenti durante la loro formazione, sia acqua che è percolata nelle rocce più tardi. L’acqua di formazione è solitamente salina, principalmente perché la maggior parte dei sedimenti sono marini e l’acqua intrappolata nei sedimenti sarebbe acqua di mare.

Tutte le parti dell’idrosfera immagazzinano acqua temporaneamente, e sono chiamate serbatoi. Questi serbatoi naturali dell’idrosfera non vanno confusi con i serbatoi costruiti dall’uomo per immagazzinare l’acqua sulla terraferma: per esempio, l’atmosfera è un serbatoio, contenente 13 × 1015 kg di acqua. Lo studio del movimento dell’acqua sopra e sotto la terra e la fisica e la chimica dell’acqua si chiama idrologia.

L’acqua risiede per diverse durate nei diversi serbatoi. La lunghezza media del tempo in cui l’acqua rimane in un serbatoio prima di spostarsi in un altro è chiamata tempo di residenza per quel serbatoio (Tabella 2.1). Un serbatoio idrosferico si svuota e si riempie alla stessa velocità, e il tempo di residenza è calcolato dal tasso di riempimento in relazione al volume del serbatoio. Ci possono essere diversi modi in cui l’acqua viene trasferita da e verso un serbatoio (Figura 2.2).

Per esempio, il tempo di residenza per i fiumi, assumendo che l’unico trasferimento significativo dai fiumi sia per deflusso:

Il tempo di residenza è un concetto che può essere applicato a qualsiasi processo ciclico, non solo al ciclo dell’acqua. La figura 2.2 mostra che i trasferimenti del ciclo sono in equilibrio: in particolare, l’acqua persa nell’atmosfera per evaporazione e traspirazione è bilanciata dall’acqua restituita dalle precipitazioni. Il tempo di residenza dà un’indicazione di quanto velocemente l’acqua in un serbatoio dell’idrosfera può essere rinnovata. Il tempo di residenza più breve, 11 giorni, è per il vapore acqueo nell’atmosfera, che è continuamente rinnovato dall’evaporazione dagli oceani e dalla terra, e viene perso dalle precipitazioni. Questo è un sottociclo rapido del ciclo dell’acqua. I sottocicli che coinvolgono gli oceani, le calotte di ghiaccio e le acque sotterranee sono molto più lenti (Tabella 2.1).

C’è un grande volume di acqua dolce rinchiuso nelle calotte polari (Tabella 2.1), ma queste sono lontane dai centri abitati e dai paesi aridi che ne hanno bisogno. Non è economico trasportare quest’acqua al momento, ma potrebbe diventarlo in futuro.

Oltre agli oceani e alle calotte polari, il maggior volume d’acqua è nel sottosuolo, immagazzinato nelle rocce porose sotto la superficie terrestre. L’acqua sotterranea meno profonda si muove abbastanza rapidamente attraverso il ciclo ed è acqua dolce, quindi può essere utilizzata per le risorse idriche. Ma è solo una piccola parte dell’acqua sotterranea totale, e il suo tempo di residenza è relativamente breve, da poche settimane a pochi anni. L’acqua sotterranea al di sotto di poche centinaia di metri di profondità si muove più lentamente attraverso il ciclo, e i tempi di residenza sono molto più lunghi, fino a diecimila anni (tabella 2.1). Gran parte di quest’acqua è salina o perché ha avuto il tempo di sciogliere i sali dalle rocce, o perché proviene da acqua di mare.

I laghi del mondo contengono grandi volumi di acqua (Tabella 2.1) e sono più accessibili delle calotte polari. Tuttavia, più della metà di questi laghi sono salini (Figura 2.3), e l’80% dell’acqua dei laghi d’acqua dolce si trova solo in 40 grandi laghi, compresi i Grandi Laghi del Nord America (32 × 1015 kg) e il lago Baikal in Asia (22 × 1015 kg). I fiumi sono molto utili per le risorse idriche. Anche se immagazzinano poca acqua (Tabella 2.1), l’acqua in essi si rinnova rapidamente – ha un tempo di residenza di poche settimane.

Figura 2.3 Il Mar Morto, in Medio Oriente. Questo lago contiene grandi quantità d’acqua, ma è ancora più salino dell’acqua di mare, quindi non è pratico utilizzarlo come risorsa idrica.

L’acqua che si trova nel sottosuolo e nelle calotte glaciali, nei laghi e nei fiumi forma circa il 4% del totale nel ciclo dell’acqua; ma poiché l’acqua sotterranea più profonda, le calotte glaciali e i laghi salini non sono utilizzabili come fonti d’acqua al momento, la quantità d’acqua che può essere utilizzata per le risorse idriche è molto inferiore, solo circa l’1% del totale. Quest’acqua è distribuita in modo molto ineguale, come si può apprezzare quando si sente parlare delle estese carenze d’acqua e delle siccità in molte parti del mondo. Per capire meglio i problemi di disponibilità e distribuzione dell’acqua, esamineremo ora i processi del ciclo dell’acqua che trasferiscono l’acqua tra i serbatoi dell’idrosfera.