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Il Mali confina con Algeria, Burkina faso, Mauritania, Costa d,avorio, Guinea, Senegal, posto nella zona centro-occidentale dell'Africa settentrionale, totalmente continentale, il territorio del Mali comprende a sud l'alto bacino del Niger, mentre a nord penetra nel cuore del deserto sahariano fino al Tanezrouft ed alle aride scarpate del Tassili-Oua-n-Ahaggar. Morfologicamente il territorio è piatto al centro e rialzato ai bordi; non ha rilievi notevoli, ma non è neppure costituito quasi esclusivamente di basse pianure. I rilievi sono tutti nelle zone periferiche, e comprendono: a ovest, l'altopiano del Kaarta, l'altopiano del Bambouck e i monti di Kéniéba. Essi raggiungono altitudini variabili da 400 a 600 m e dominano la piana di sprofondamento del Falémé, dalla quale li separa la falesia rettilinea di Tambaoura. A sud-ovest, lungo il Niger, i monti dei Mandingo, prolungamento della catena del Fouta Djalon, si abbassano progressivamente dal confine guineano verso Koulikoro, dove spariscono sotto il delta centrale del Niger; a sud, il massiccio cristallino del Kénédougou (col monte Mina) supera gli 800 m. Nella parte centrale del territorio, l'altopiano di Bandiagara, è separato dalle pianure del Gondo e del Séno mediante falesie, alte qualche centinaio di metri; vi si trovano numerose sorgenti. A nord dell'altopiano si ergono i monti di Douentza e di Hombori (1155 m), che si susseguono in direzione sudovest-nordest. A nord-est sorgono infine l'Adrar des Iforas e il Djebel Timétrine, massicci che si allungano per 350 km, con un'altitudine di 800 m. All'infuori di questo orlo rialzato, interrotto da pianure, e dei modesti rilievi all'estremità settentrionale, il resto del Paese è occupato da una grande pianura centrale e, a nord, dal bacino tettonico di Taoudenni. La parte centrale è rappresentata dal bacino del Macina, esso è costituito da una vasta pianura. Oltre alla pianura centrale e alle pianure periferiche (del Falémé, del Gondo e del Séno), importanti sono anche quelle del Gourma e dell'Azaouad, rispettivamente a sud e a nord dell'ansa del Niger.
L'idrografia è sviluppata soltanto nella sezione meridionale, attraversata per 1.800 km dal corso del fiume Niger e da quello superiore del fiume Senegal. Il Niger, proveniente come il Senegal dal massiccio del Fouta Djalon in Guinea, entra in territorio maliano con un percorso orientato da sud-ovest a nord-est, formando un'ampia ansa prima di mutare direzione verso sud-est. La vasta area, irrigata dal delta interno, rappresenta una felice eccezione nell'arida realtà saheliana e consente un notevole sfruttamento agricolo e pastorale. Il fiume Senegal scorre nel Mali per soli 450 km: il suo principale affluente è il Falémé al confine con lo Stato del Senegal.
Dal punto di vista climatico, il Mali è caratterizzato da tre distinte situazioni: nell'area settentrionale, oltre il margine saheliano, ci sono condizioni di clima desertico con temperature molto elevate in estate e nelle ore diurne (da 25° a 52° C), relativamente basse in inverno e durante la notte (da 0° a 5° C), caratterizzate dalla mancanza di precipitazioni. La regione saheliana centrale riceve più di 250 mm di piogge annue, mentre in quella meridionale, le precipitazioni medie annue superano i 600 mm e la stagione delle piogge inizia a fine aprile, prolungandosi fino a ottobre. Le temperature sono generalmente elevate in tutto il Paese. Le escursioni termiche si intensificano procedendo verso le aree più continentali: i valori medi delle temperature minime di gennaio sono di 17° a Bamako e di 14° a Gao, quelli massimi di maggio sono rispettivamente di 39° e di 43°. Durante tutto l'anno l'aliseo di nord-est domina nella regione settentrionale, Yharmattan soffia ovunque da novembre ad aprile.
Nel paesaggio vegetale predomina la savana arborata ricca di erbe alte, maestosi baobab e alberi da frutta, alternata a zone residuali di foresta tropicale e foresta a galleria lungo il corso dei fiumi Nella zona saheliana molto diffusa è la steppa: le alte erbe sono sostituite da graminacee provviste di spine, dalle gigantesche euforbie ed acacie. La fauna nella savana e ai margini della foresta equatoriale vivono scimmie, ruminanti, felini e rettili di grosse dimensioni. Anche nella regione saheliana troviamo animali come quelli presenti nella savana. Nei corsi d'acqua vivono coccodrilli, ippopotami e molte specie di pesci. Il parco nazionale del Baoulé, nella zona sud-orientale di Bamako. ospita una grande riserva faunistica.