La maggior parte delle caratteristiche del mare sono determinate dalle proprietà chimiche e fisiche dell'acqua le cui molecole sono polarizzate e legate tra di loro da legami idrogeno.
La forza dei legami idrogeno permette all'acqua di rimanere alla stato liquido alla pressione e alla temperatura atmosferica tipiche.
Le cariche asimmetriche delle molecole accentuano la capacità dell'acqua di funzionare da solvente, combinandosi con ioni o altre molecole polarizzate. Nel fare ciò, le molecole di acqua possono ridurre l'attrazione tra ioni di carica opposta di circa 80 volte, facilitando lo scioglimento di cristalli di sale come il cloruro di sodio (NaCl).
L'acqua di mare è infatti una soluzione complessa con una concentrazione media di sali disciolti pari a 35 g/kg.

•  Acqua
•  Altri elementi

La forza di coesione tra le molecole d'acqua, determinata dai legami idrogeno, è responsabile della tensione superficiale all'interfaccia acqua-aria. Nel punto di contatto con l'aria, l'acqua si comporta come una pellicola tesa ed elastica che può sorreggere corpi leggeri senza che questi affondino.

legami Idrogeno tra molecole d'acqua

La coesione è anche responsabile della viscosità dell'acqua.
La viscosità è una proprietà dei fluidi che indica la resistenza allo scorrimento e dipende dal tipo di fluido e dalla temperatura diminuendo nei liquidi al crescere di quest'ultima.

Negli oceani la viscosità aumenta anche con la salinità delle acque. Essa ha un effetto importante per gli organismi, influenzando la velocità con cui i corpi affondano e il movimento nel mezzo acquatico.
Così, ad esempio, organismi planctonici di acque fredde e salate tendono ad affondare nella colonna d'acqua più lentamente di quelli che vivono in acque calde e poco salate.

La viscosità ha quindi un effetto importante sulla vita degli organismi marini condizionandone le dimensioni ma anche la forma.

Se per gli organismi planctonici, con limitate capacità di movimento, la viscosità delle acque è di aiuto ad evitare la discesa verso il fondo, per organismi di maggiori dimensioni la viscosità costituisce un ostacolo. Pesci e altri organismi pelagici hanno, infatti, sviluppato forme idrodinamiche per ridurre la resistenza al movimento.
Altre proprietà importanti dell'acqua sono connesse alla sua elevata capacità termica, cioè alla quantità di calore necessario ad innalzare la sua temperatura.
A parità di massa, la quantità di energia necessaria ad incrementare di 1 grado la temperatura dell' acqua di mare è 3.300 volte superiore a quella necessaria ad aumentare la temperatura dell'aria.
Il grafico nella figura qui di seguito riportata mostra come la capacità termica dell'acqua influenzi la quantità di energia richiesta per aumentare la temperatura dell'acqua e il suo stato.
La forza di coesione tra le molecole d'acqua si riduce progressivamente all'aumentare della temperatura fino alla loro evaporazione. In questo processo viene assorbita una grande quantità di calore. Partendo da un grammo di ghiaccio, per innalzare la sua temperatura da -40ºC a 0 ºC sono necessarie 20 calorie.
Raggiunta la temperatura di 0 ºC, ci vogliono altre 80 calorie per determinare lo scioglimento del ghiaccio e cominciare a far salire la temperatura dell'acqua. Questa quantità di energia necessaria per lo scioglimento del ghiaccio (80 calorie per 1 g di ghiaccio) è detta calore latente di fusione.
Allo stato liquido l'acqua aumenta velocemente di temperatura se riscaldata fino a raggiungere la temperatura di ebollizione a 100 ºC. Sono necessarie altre 100 calorie per portare 1 g di acqua da 0 a 100 ºC. A questo punto continuando a riscaldare l'acqua la sua temperatura non aumenta ma comincia ad evaporare e sono necessarie altre 540 calorie (calore latente di vaporizzazione) per completare il processo di evaporazione.

Gli oceani quindi, in virtù dell'elevata capacità termica dell'acqua, incamerano grandi quantità di calore e hanno perciò un effetto importantissimo sul clima, attenuando le oscillazioni termiche che avvengono nell'atmosfera.
Un altro aspetto importante, per i riflessi che ha sulla vita in mare, è la relazione tra densità (massa divisa per il volume) e temperatura.
La maggior parte dei liquidi allo stato solido sono più densi che allo stato liquido. Ciò non avviene per l'acqua dolce, che raggiunge la massima densità a 4ºC. Un ulteriore raffreddamento, riduce infatti la densità dell'acqua che, a 0ºC, ghiacciandosi forma uno strato galleggiante.
In mare le cose sono leggermente diverse. Il sale contenuto nell'acqua abbassa sia il punto di congelamento dell'acqua di circa 2ºC che la temperatura cui l'acqua raggiunge la sua massima densità fino a circa 0ºC. Quindi, nelle acque oceaniche i moti convettivi che portano verso il fondo l'acqua più fredda non sono bloccati dalla differenza di densità come nelle acque dolci.
Le creature che vivono sul fondo degli oceani artici sono adattate a vivere a temperature prossime a 0ºC.
Alla normale salinità dell'acqua di mare l'acqua congela a circa -1,9ºC; il ghiaccio che si forma è sostanzialmente privo di sale ed ha densità paragonabile a quella del ghiaccio di acqua dolce.
Questo ghiaccio galleggia sulla superficie, mentre il sale che ne è stato "espulso" va ad aumentare salinità e densità dell'acqua vicina, la quale scende per convezione verso il fondo.
Ciò spiega il motivo per cui alle alte latitudini gli strati di acqua profonda degli oceani non ghiacciano consentendo la vita al di sotto del ghiaccio superficiale.

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La temperatura
La temperatura media delle acque superficiali degli oceani è di 15°C mentre se si considerano le acque profonde la media scende a soli 3,5°C.
Infatti l'acqua superficiale si riscalda a contatto con l'atmosfera e sotto i raggi del sole, in profondità invece, si accumulano le acque fredde che, essendo più dense, sono più pesanti.
Le acque abissali oceaniche di tutte le latitudini hanno temperature costanti e molto prossime allo zero, ma non congelano a causa delle elevate pressioni alle quali sono sottoposte.
Le acque profonde del Mediterraneo, che in alcuni punti supera i 4000 m di profondità, hanno una particolarità in quanto presentano sempre valori di circa 12-13°C.
Il calore che scalda le acque superficiali oceaniche proviene dal sole e varia in intensità con la stagione e la latitudine. L'assorbimento della radiazione solare causa quindi un incremento di temperatura delle acque marine che è proporzionale alla quantità di energia assorbita. Il maggiore aumento di temperatura si ha negli strati superficiali, dove l'assorbimento è maggiore, e diminuisce rapidamente con la profondità.
La variazione della temperatura con la profondità non segue, comunque, in maniera precisa la curva di assorbimento del calore con la profondità come ci si potrebbe attendere.
Tale discrepanza è dovuta all'effetto del vento che, soffiando sulla superficie del mare, determina il rimescolamento dello strato superficiale delle acque. Questo strato superficiale ha quindi una temperatura costante, invece che decrescente, fino ad una certa profondità dove si incontra una zona di transizione in cui la temperatura decresce in modo repentino (termoclino).

Sotto alla zona di transizione in cui si incontra il termoclino le acque hanno una temperatura costante.
La profondità dello strato di acque superficiali dipende dall'intensità del vento. Se il vento continua a soffiare, la turbolenza determinata dalle onde induce un progressivo aumento della profondità delle acque superficiali rimescolate. Ciò avviene però con una riduzione della temperatura superficiale, infatti l'acqua più calda in superficie si rimescola con acqua fredda più profonda che caratterizza il termoclino.

L'importanza del termoclino per i processi biologici è grandissima. La diminuzione repentina della temperatura (oltre 10º C) che si ha in sua corrispondenza determina una forte variazione della densità delle acque (picnoclino) che costituisce uno sbarramento per la diffusione dei nutrienti, tra le acque più calde superficiali e quelle più fredde al di sotto del termoclino, e per i movimenti verticali del plancton.
I processi di produzione primaria sono pertanto fortemente condizionati dalla presenza e dalla profondità del termoclino.

La latitudine e quindi la stagionalità influenzano in maniera importante la struttura termica delle acque. Nei mari tropicali, dove le variazioni stagionali nell'intensità della radiazione luminosa, sono ridotte o assenti, il termoclino è presente durante tutto l'anno e le acque sono costantemente stratificate.
Nelle regioni temperate, la quantità di energia solare che raggiunge le acque marine superficiali si modifica stagionalmente. Di conseguenza la temperatura delle acque superficiali varia nel corso dell'anno dai minimi invernali ai massimi estivi.
In estate si forma un termoclino ben definito che separa nettamente uno strato di acque calde superficiali da uno strato inferiore di acque più fredde. In autunno, la radiazione luminosa è meno intensa, mentre i venti sono più forti, la temperatura delle acque superficiali tende a decrescere e il termoclino a indebolirsi. In inverno, l'ulteriore diminuzione della temperatura delle acque superficiali determina la scomparsa del termoclino e il completo rimescolamento delle acque. Infine in primavera la temperatura delle acque aumenta e progressivamente si riforma una stratificazione delle acque.

Ai poli le acque non sono mai rigidamente stratificate come nelle regioni temperate o tropicali. Un termoclino si forma quando si sciolgono i ghiacci, per cui le acque superficiali hanno una temperatura più bassa di quelle più profonde.

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I gas disciolti
Tutti i gas si possono disciogliere in acqua secondo una legge fisica ben nota ai subacquei: la legge di Henry.
I gas infatti vengono continuamente scambiati tra l'atmosfera e l'acqua. Nel favorire questo passaggio un ruolo fondamentale è giocato dalle onde, soprattutto quando si infrangono e si rompono spumeggiando. La quantità di gas che può entrare in soluzione però diminuisce con l'aumentare della temperatura e della salinità.
L'Ossigeno è uno degli elementi fondamentali della vita, anche di quella acquatica, ed è quindi importantissimo che possa passare dall'atmosfera al mare. Una volta entrato in acqua però l'ossigeno ha una diffusione estremamente lenta ed il suo trasporto in profondità è legato soprattutto alle correnti. Nelle acque superficiali si trovano disciolti in media 8 mg/l di ossigeno. Questo valore rappresenta in genere il livello di saturazione (100%), tale valore può però variare con la temperatura e la salinità: acque fredde e dolci possono contenere più ossigeno.
L'ossigeno è indispensabile per la respirazione della maggior parte degli esseri viventi. Durante questo processo avviene la combustione degli alimenti per produrre energia con conseguente formazione di anidride carbonica (CO²). La maggior parte dei vegetali è inoltre in grado, mediante la fotosintesi, di realizzare un processo inverso grazie all'energia solare, organicando il carbonio e liberando ossigeno. Quindi alghe e piante marine, presenti fin dove si spinge la luce, sono una fonte indispensabile di ossigeno.

L'anidride carbonica ha un'elevata solubilità in acqua ed in mare raggiunge una concentrazione media di 10 mg/l, questo valore aumenta con la respirazione e con i processi di combustione in genere, mentre diminuisce con i processi fotosintetici. Tale elemento è importantissimo poichè permette la formazione del carbonato di calcio, indispensabile per la formazione di gran parte delle strutture scheletriche degli organismi marini e dei gusci calcarei delle conchiglie, inoltre mantiene costante il tasso di acidità nell'ecosistema attraverso un sistema tampone. In pratica si forma un equilibrio dinamico fra anidride carbonica, acido carbonico, bicarbonato e carbonato che permette di mantenere il Ph fra 7,8 e 8,3.
Il fatto che non vi siano brusche variazioni di pH permette la vita anche ad organismi strutturalmente molto semplici e non dotati di meccanismi fisiologici atti a contrastarle. In acqua si possono trovare altri gas disciolti come ad esempio l'azoto (N²) che deriva dall'atmosfera e che in questa forma è pressochè inerte. Solo alcuni organismi, come ad esempio le Cianoficee (alghe azzurre), sono in grado di trasformare l'azoto molecolare in ammoniaca (NH³) attraverso un processo chiamato azotofissazione, punto di partenza per la sintesi dei composti organici azotati.
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