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Lo stato di Washington è molto vario dal punto di vista topografico, a causa delle sue coste frastagliate ed al suo interno, formato da diverse unità fisiche. In effetti, questo territorio del nord-est degli Stati Uniti ha 280 Km di costa sull'oceano Pacifico ma con più di 3.000 chilometri esposti all'azione del mare attraverso canali ed estuari. L'altezza media dello stato di Washington è di 519 m, con il punto più elevato sulla cima del monte Rainier, di 4.392 m sul livello del mare. Lo stato può essere diviso in sette grande zone fisiche: la penisola Olympic, le pianure dell'Estuario Puget, le colline di Willapa, la catena delle Cascate, gli altipiani di Okanogan, il bacino del Columbia ed i monti Azzurri (Blue Mountains). La penisola Olympic si trova a nord-ovest dello stato, circondata dello stretto di San Juan di Fuca, l'Estuario Puget e l'oceano Pacifico. Questa penisola si alza da una stretta pianura costiera fino ad un'altezza di 2.324 m, (monte Olympus), situata nella zona selvaggia del nord. I monti Olympic sono formati da cime innevate circondati da foreste, in molti punti inaccessibili, con valli strette e profonde, dove l'effetto dei ghiacciai ha formato cascate laghi e praterie alpine. Questo territorio incontaminato fa parte dell'area protetta del Parco Nazionale Olympic. L'Estuario Puget è un braccio di mare dell'oceano Pacifico che penetra all'interno della regione ovest del territorio dello stato. Inizia nello stretto di San Juan di Fuca e ha un'estensione approssimativa di 200 Km e una larghezza media di 64 km. All'interno si trovano più di trecento isole, tra esse quella di Whidbey. Per le sue caratteristiche ospita numerosi porti, tra essi quello di Seattle e quello di Everett, quest'ultimo scelto dalla Marina come uno dei centri della flotta del Pacifico. Il terreno che circonda il canale, tra i monti Olympic e la catena delle Cascate, è una pianura di origine glaciale. La regione delle colline di Willapa si trova a sud dell'Estuario Puget, nella zona sud-occidentale dello stato ed è limitata dall'oceano Pacifico e dal fiume Columbia. Si tratta di un territorio di colline dolci che si alzano da ovest verso est fino ai limiti della catena delle Cascate. In questa zona ci sono valli, poche praterie e numerosi laghi di piccole dimensioni circondati da foreste.
La Catena delle Cascate è la spina dorsale dello stato di Washington poiché lo percorre da sud a nord, dove si estende per tutta la frontiera col Canada. Questa catena di origine vulcanica, ha sei cime principali: il monte Baker, 3.276 m, il monte Shuksan, 2.755 m, il monte Glacier, 3.181 m, il monte Rainier, 4.392 m, il monte Adams, 3.751 m, ed il monte Saint Helens, 2.948 m, che eruttò nel 1980 e causò 60 morti. Questa catena forma una barriera naturale, limitando le comunicazioni, in quanto vi sono solo cinque passaggi naturali per comunicare dall'interno dello stato con la costa. Gli altipiani Okanogan si trovano a nord della catena delle Cascate e sono limitati dallo stato dell'Idaho e dai fiumi Spokane e Columbia. Si tratta di una regione montuosa, di valli e con alcune colline. La regione del bacino del Columbia si trova a sud degli altipiani Okanogan, ed a est ed ovest del fiume Columbia. Si tratta di un altopiano che si alza, da 150 m sul livello del mare, sulle rive del fiume, fino a poco più di 600 m. Il terreno è in genere pianeggiante, arido anche se ci sono alcune zone collinari. A sud del bacino del Columbia si alzano i monti Azzurri che si estendono dallo stato dell'Oregon, verso sud-est, e che hanno su un'altezza massima nel territorio di Washington di 2.134 m sul livello del mare.
Il fiume Columbia è il principale fiume di questo stato, navigabile da grandi navi fino a Vancouver. Entra nello stato di Washington dal Canada, nel nord-ovest, e dopo aver percorso la parte centrale dello stato forma la maggior parte della frontiera tra Oregon e Washington. Suoi principali tributari sono i fiumi Snake, Spokane, Wenatchee, Pend Oreille, Methow, Lewis, Cowlitz e Yakima. Altri fiumi che scorrono nello stato di Washington, molti di essi navigabili in gran parte del loro corso, sono il Chehalis, il Nisqually, il Nooksack, il Snohomish e lo Skagit. La maggior parte dei laghi naturali dello stato di Washington sono di origine glaciale. Tra essi il lago Chelan ed il lago Washington. La maggior parte dei laghi artificiali di questo territorio sono stati costruiti sul Columbia, tra essi il lago Roosevelt ed il lago Banks.
Il clima dello stato di Washington varia significativamente da est ad ovest, dovuto all'orografia ed all'azione del mare. Così, sulla costa si ha un clima considerevolmente più mite che in luoghi situati alla stessa latitudine, per l'effetto della corrente calda del Giappone. La regione orientale, tuttavia, non beneficia di questo fattore dovuto alla barriera della catena delle Cascate. Così, le temperature medie annuali oscillano tra gli 11 °C sulla costa e 4 °C alla frontiera con l'Idaho. Le temperature medie variano secondo le regioni, tra -4 °C e 5 °C in gennaio, e 19 °C e 21 °C in luglio. In quanto al regime delle precipitazioni, variano sempre a seconda delle zone, con medie annuali comprese tra 200 mm e 500 mm, sebbene un microclima eccezionale si trova nella zona ovest della penisola Olympic, dove si registra una piovosità annuale di quasi 4.000 mm che rende questo punto la zona più umida del territorio continentale degli Stati Uniti. Le nevicate sono frequenti nel versante occidentale della catena delle Cascate, con punti dove si hanno medie annue di più di 5.000 mm.
La zona occidentale di Washington è nota per il suo clima umido, ideale per la crescita di dense foreste temperate. Le specie arboree predominanti in questa regione includono diverse conifere come l'abete di Douglas, l'abete rosso, il cedro rosso occidentale e l'abete di Sitka. Accanto alle conifere, si trovano anche specie di latifoglie come l'ontano rosso, la betulla bianca e vari tipi di aceri, tra cui l'acero bigleaf. Ad altitudini maggiori, specialmente nelle Cascate e nei Monti Olimpici, la flora cambia drasticamente. Qui, il freddo e le condizioni subalpine favoriscono la crescita di specie come l'abete subalpino e il pino contorto. Le piante legnose dure, come il mirtillo e il rododendro, sono comuni nel sottobosco Oltre la catena delle Cascate, il clima diventa più secco e continentale. In queste aree, le foreste di pino ponderosa sono predominanti, insieme a zone di prateria e steppe dove prosperano arbusti resistenti come la salvia.
Lo stato di Washington è ricco di fauna selvatica, grazie alla varietà dei suoi habitat. I grandi mammiferi che si possono incontrare includono orsi bruni (grizzly) e orsi neri, che trovano rifugio nelle foreste dense e nei parchi nazionali. Gli alci, con la loro imponenza, sono spesso visti nelle zone umide e montuose, mentre i cervi muli e i cervi dalla coda nera sono comuni nelle foreste e nelle praterie. Il puma, o leone di montagna, è un predatore di vertice che vive nelle zone remote e montuose. Altri piccoli mammiferi, come la martora, la puzzola, la volpe rossa e il coyote, sono diffusi in tutto lo stato. I corsi d'acqua di Washington, inclusi i suoi numerosi fiumi e laghi, sono popolati da una varietà di specie ittiche. Le trote, in particolare la trota arcobaleno, sono abbondanti. Gli storioni, abitano i grandi fiumi. Le acque costiere di Washington, che si affacciano sull'Oceano Pacifico, sono famose per i loro salmoni, tra cui il salmone reale e il salmone sockeye. Inoltre, le acque marine ospitano piccoli squali, cranchi Dungeness, gamberi e altre specie di crostacei.