Perché si forma la schiuma al mare? La spiegazione scientifica

Cosa pensate quando vedete quella schiuma bianca che si forma sulla riva del mare? Credete che sia un buon segno o no? Alcuni pensano che questo fenomeno sia legato esclusivamente all’inquinamento, ma in realtà è molto probabile che si formino grazie alla presenza di molecole di origine biologica, come ad esempio le proteine. In questo articolo vediamo come si forma la schiuma del mare dal punto di vista fisico e chimico e quali sono i fattori che influenzano la loro formazione.

Come si forma la schiuma?

Se prendete un bicchiere d’acqua e lo agitate fortemente con un cucchiaio noterete che si formano delle piccolissime bolle che poi risalgono in superficie e spariscono in fretta. Un processo simile accade in mare, dove il vento rompe gli strati superficiali dell’acqua e penetra all’interno creando delle bolle d’aria.

Per la differenza di densità, le bolle d’aria (costitute principalmente da azoto e ossigeno) salgono in superficie e prima di andare nell’atmosfera attraversano lo strato superficiale dell’acqua, venendo avvolti da una sottile pellicola di acqua e adottando la caratteristica forma sferica delle bolle. Questa struttura si forma grazie ad una proprietà dei liquidi, la tensione superficiale.

In questo caso possiamo interpretare la tensione superficiale come la “fragilità” della bolla. Più elevata è la tensione superficiale, più fragile sarà la membrana d’acqua che si forma e più facilmente si romperà la bolla a causa della differenza di pressione tra interno ed esterno.

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La chimica della schiuma: come le proteine denaturate stabilizzano le bolle

Quali sono i fattori che influenzano la schiuma?

Se avete girato più di una spiaggia vi sarete accorti che non tutta la schiuma che si forma è uguale: mentre in certi casi la schiuma è molto sottile e poco persistente, in altri è molto voluminosa e duratura. Queste differenze si devono principalmente alle condizioni climatiche e alla diversa composizione chimica dell’acqua di mare.

Nel mare troviamo un’infinità di organismi viventi come alghe, fitoplancton e animali che rappresentano una fonte continua di materia organica. Dopo la loro morte di questi organismi, vengono rilasciate molecole organiche come proteine, carboidrati, zuccheri, amminoacidi o lipidi.

Tali molecole organiche, soprattutto le proteine, fungono da tensioattivi. In chimica, un tensioattivo è una sostanza che abbassa la tensione superficiale di un liquido, rendendo più “elastico” l’involucro delle bolle.

Nella figura sotto viene rappresentata la struttura di un tensioattivo: questi possiedono una “testa” idrofila e una “coda” idrofoba. Le molecole d’acqua in superficie vengono avvolte dalle teste idrofile, alle quali piace stare insieme all’acqua, mentre le code si dispongono all’esterno. Queste code sono idrofobe, il che vuol dire che non gradiscono il contatto con l’acqua.

Quindi se immaginiamo la superficie del mare in presenza di un tensioattivo, troveremmo le teste idrofile immerse nell'acqua e le code idrofobe "all'aria", formando una specie di pellicola in superficie che abbassa la tensione superficiale.

Bene, adesso abbiamo capito cosa accade in superficie, ma…cosa succede alle bollicine d'aria all'interno dell'acqua durante il tragitto di ascesa? In questo caso, le code idrofobe dei tensioattivi si dispongono verso l'interno della bolla d'aria mentre la testa idrofila all'esterno. Pertanto, man mano che continuano il loro viaggio verso la superficie, le bollicine d'aria si caricano dei tensioattivi presenti nel mezzo, come proteine o carboidrati.

Di conseguenza, quando arrivano in superficie le bolle non scoppiano così facilmente e si aggregano fra loro formando la schiuma. Questo perché due strati sottilissimi di tensioattivo racchiudono le molecole d’acqua, diminuendone la tensione superficiale e rendendo più elastiche le pareti delle bolle come possiamo vedere schematizzato nell'immagine sottostante

In secondo luogo, essendo la formazione delle bolle un processo meccanico, il ruolo delle onde e del vento è fondamentale. Immaginate di avere un bicchiere con acqua e sapone: più velocemente agiterete e più schiuma si formerà.

Questo è dovuto al fatto che agitando fortemente, iniettiamo più aria nel liquido e promuoviamo la formazione delle bolle. Lo stesso processo avviene in mare. Onde alte e venti forti permetteranno l’ingresso di una maggior quantità d’aria all’interno dell’acqua, generando così un elevato numero di bolle.

Inoltre, l'energia meccanica dell'onda che si infrange aiuta a "srotolare" le proteine presenti che riusciranno meglio ad agire come tensioattivi, stabilizzando così le bollicine generate e formando una schiuma maggiore.

Come possono queste molecole fare da tensioattivo?

Le proteine sono molecole che si presentano in natura come lunghe catene arrotolate su loro stesse. In certe condizioni, possono “srotolarsi” e riorientarsi con la parte idrofila verso l’acqua e la parte idrofoba al di fuori, permettendo così di intrappolare l’acqua all’interno e di abbassare la tensione superficiale.

Il processo di "srotolamento" si conosce come denaturazione delle proteine ed è favorito, come abbiamo indicato sopra, dall'energia meccanica trasmessa dalle onde.

Questo comportamento delle proteine rende le bolle molto più stabili e di maggior durata, generando così una schiuma molto più persistente. Dunque, nella maggior parte dei casi, una schiuma densa è segno di un'elevata attività oceanica.

Purtroppo, bisogna dire che non sempre una schiuma abbondante è dovuta solo alla presenza di molecole organiche in mare. Anche l’immissione di residui industriali o gli scarichi delle navi possono fare da tensioattivo e generare una schiuma persistente.