Introdução a Oceanografia GEO232

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1 Introdução a Oceanografia GEO232 Módulo 3 Oceanografia Física Aula 2 Interação Oceano-Atmosfera 1º semestre 2007 Carlos Lentini cadlentini@gmail.com

2 Escalas típicas: Atmosfera e Oceano Fluídos geofísicos: rotação estratificação L ~ U/Ω e U ~ ( ρ ρ/ρ gh) 1/2 Eliminando a velocidade U, temos que: L ~ ( ρ ρ/ρ gh) 1/2 / Ω

3 Escalas típicas: Atmosfera e Oceano Para: Ω= 7,29 x 10-5 rad s -1 g = 9,81 m s -2 Atmosfera ρ atm = < 1,2 kg m -3 > ρ atm = 0,03 kg m -3 H atm = 5000 m L atm ~ 500 km U atm ~ 30 m s -1 Oceano ρ oce = < 1028 kg m -3 > ρ oce = 2 kg m -3 H oce = 1000 m L oce ~ 60 km U oce ~ 4 m s -1

4 Escalas típicas: Atmosfera e Oceano

5 Interação Oceano-Atmosfera - variabilidade climática - Tempo de resposta diferente; Resposta atmosférica da ordem de dias a semanas; Resposta oceânica da ordem de semanas a meses;

6 Interação Oceano-Atmosfera - variabilidade climática - Tempo de resposta diferente; Linearidade vs. não-linearidade; Resposta atmosférica da ordem de dias a semanas; Resposta oceânica da ordem de semanas a meses; Atmosfera é muito mais não-linear;

7 Interação Oceano-Atmosfera - variabilidade climática - Tempo de resposta diferente; Linearidade vs. não-linearidade; Capacidade térmica diferente. Resposta atmosférica da ordem de dias a semanas; Resposta oceânica da ordem de semanas a meses; Atmosfera é muito mais não-linear; Oceano tem maior inércia térmica.

8 Interação Oceano-Atmosfera : alguns exemplos Circuito auto-suficiente com nuvens como flywheel (T~1 mês): evaporação excessiva (céu limpo) aumento de nebulosidade movimento descendente (dissipação de nuvens) resfriamento águas (redução na evaporação)

9 Interação Oceano-Atmosfera : alguns exemplos Mecanismo de feedback positivo estável: cisalhamento vento na superfície A desenvolvimento e alteração das correntes oceânicas mudanças dinâmica atmosférica diminuição diferencial calor para a atmosfera Perturbação morre em A devido a diferença nas frequências de resposta.

10 Interação Oceano-Atmosfera : alguns exemplos Mecanismo auto-oscilatório (oceano e gelo polar = frequência resposta semelhante) mudanças dinâmica oceânica alterações cobertura gelo polar mudanças cisalhamento dos ventos mudanças na dinâmica atmosférica albedo variações na quantidade de calor na atmosfera inferior armazenamento energia devido a variação camada gelo

11 Interação Oceano-Atmosfera

12 Interação Oceano-Atmosfera Oceano ocorre o oposto mecanismos de transferência

13 Interação Oceano-Atmosfera

14 Interação Oceano-Atmosfera

15 O Balanço Global de Energia S = 1360 W/m 2 (m 2 de área do disco) ou S = 342 W/m 2 (m 2 de área da esfera) Efeito Estufa!

16 Efeito Estufa

17 Circulação Atmosférica

18 Circulação Atmosférica O campo de ventos para a terra sem rotação: Resfriamento Aquecimento Resfriamento

19 Circulação Atmosférica

20 Circulação Oceânica As correntes oceânicas são geradas por dois mecanismos: Circulação gerada pela vento; Circulação termo-halina.

21 Circulação Oceânica As correntes oceânicas são geradas por dois mecanismos: Circulação gerada pela vento: - associada ao padrões de distribuição de ventos globais que formam os giros oceânicos em escalas de bacias Circulação termo-halina: - diferenças de densidade geradas por trocas de calor (aquecimento, resfriamento) e ou água doce (evaporação, precipitação) entre a atmosfera e o oceano

22 Circulação Oceânica

23 Circulação Oceânica As correntes oceânicas têm um papel importante na redistribuição de calor; O calor armazenado é transportado em direção aos pólos; Clima na península escandinava é um ótimo exemplo.

24 Os Grandes Giros Oceânicos Corrente Quente Corrente Fria

25 Circulação Oceânica As correntes oceânicas são geradas por dois mecanismos: Circulação gerada pela vento: - associada ao padrões de distribuição de ventos globais que formam os giros oceânicos em escalas de bacias Circulação termo-halina: - processos relacionados as trocas de calor (aquecimento, resfriamento) e ou água doce (evaporação, precipitação)

26 Circulação Termo-Halina Correntes Rasas e Quentes Correntes Frias, Fundas e mais salinas Áreas Formação de Massas d Água

27 Agentes Forçantes Os fluxos entre o oceano e a atmosfera: Fluxos de calor (balanço de radiação, trocas de calor latente e calor sensível) Fluxo de água doce (precipitação e evaporação) O efeito dos fluxos no oceano: Resfriamento e evaporação densidade aumenta Aquecimento e precipitação densidade diminui

28 Balanço de Calor no Oceano Variações na quantidade de calor armazenada nas camadas superiores do oceano resultam em um desequilíbrio entre o input e o output de calor na superfície do mar; Essa transferência de calor através da superfície é chamada de fluxo de calor; O fluxo de calor em camadas mais profundas é bem menor do que na superfície;

29 Balanço de Calor no Oceano Calor transportado pelas correntes oceânicas é chamado de advecção (de calor); Globalmente, o somatório de todos os fluxos de calor no oceano deve ser zero (p.ex., Atlântico está 0,5 0 C + quente nos últimos 15 anos); Caso contrário, os oceanos podem aquecer ou resfriar.

30 Balanço de Calor no Oceano ALBEDO: porção da radiação solar incidente que é refletida de volta ao espaço

31 Balanço de Calor no Oceano Radiação de Ondas Curtas: Q SW Fonte: Stewart (2002)

32 Radiação de onda curta (Q SW ): recebida pela Terra <Q SW anual> Fonte: International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP)

33 Balanço de Calor no Oceano Radiação de Ondas Longas: Q LW Janela Atmosférica Depende espessura das nuvens; Altura das nuvens; Temperatura da água (quanto + quente, + calor é radiado); Conteúdo de vapor atmosférico; Cobertura de gelo e neve; Mais importante na determinação do Q LW : nuvens e vapor d água (ao invés de TSM) range de Q LW : - 60 W/m 2 < Q LW < - 30 W/m 2 (média anual) Fonte: Stewart (2002)

34 Balanço de Calor no Oceano Radiação de Ondas Longas: Q LW Janela Atmosférica 10µm-14µm Fonte: Stewart (2002)

35 Constituintes Atmosféricos - absorção radiação solar incidente -

36 Radiação de onda longa (Q LW ): emitida pela Terra <Q LW anual> Fonte: International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP)

37 Balanço de Calor no Oceano Fluxo de Calor Sensível: Q S Velocidade do Vento; Diferença de temperatura na interface ar-mar; Ventos fortes e grandes diferenças de temperatura gera altos fluxos de Q S range de Q S : - 42 W/m 2 < Q S < - 2 W/m 2 (média anual) Fonte: Stewart (2002)

38 Balanço de Calor no Oceano Fluxo de Calor Latente: Q L Velocidade do Vento; Umidade relativa; Ventos fortes e baixa umidade, altos fluxos de Q S range de Q L : W/m 2 < Q L < - 10 W/m 2 (média anual) Fonte: Stewart (2002)

39 Trocas de calor entre atmosfera e oceano Q T = Q SW - Q LW - Q S - Q L + Q V [watts/m 2 ] Q S Q T Q L Troca de calor = radiação líquida fluxo de calor latente fluxo de calor sensível ( + atmosfera)

40 Distribuição superficial da temperatura (anual)

41 Balanço entre precipitação e evaporação

42 Balanço entre precipitação e evaporação

43 (Evap-Precip) Balanço entre precipitação e evaporação

44 Distribuição superficial de salinidade (anual)

45 Balanço de Calor no Oceano Termos mais importantes do balanço de calor na superfície: Radiação de Ondas Curtas: Q SW Radiação de Ondas Longas: Q LW Fluxo de Calor Sensível: Q S (condução) Fluxo de Calor Latente: Q L (evaporação) Advecção: Q V (correntes)

46 Balanço de Calor no Oceano Conservação requer: Q T = Q SW - Q LW - Q S - Q L + Q V [watts/m 2 ] Radiação de Ondas Curtas: Q SW Radiação de Ondas Longas: Q LW Fluxo de Calor Sensível: Q S (conduçãoconvecção) Fluxo de Calor Latente: Q L (evaporação) Advecção: Q V (correntes)

47 Balanço de Calor no Oceano Oceano: Q = Q Q Q Q + T SW LW S L Q V HS EQ HN Fonte: Stewart (2002)

48 Fluxos Meridionais de Calor A pouca variabilidade da temperatura média global implica na pequena variação do balanço entre a radiação solar absorvida e a radiação solar emitida, porém a variação desse balanço radiativo com a latitude é significante; A radiação solar é principalmente absorvida nos trópicos; A Q LW, determinada principalmente pelas propriedades da atmosfera, terra e oceano, é muito menos dependente da latitude;

49 Fluxos Meridionais de Calor Em conseqüência disso, existe um FLUXO DE CALOR dos trópicos em direção aos pólos; A medição desse fluxo é importante pois ele regula o clima, sendo variável fundamental para modelos atmosféricos, oceânicos e acoplados.

50 O que é o Fluxo? O fluxo de uma propriedade é a quantidade dessa propriedade que atravessa perpendicularmente uma área unitária por unidade de tempo: Fluxo = [propriedade]/[área]/[tempo] (J.s -1.m -2 ou W.m -2 )

51 Transporte Meridional de Calor no Oceano HS EQ HN Transporte de calor meridional total e para cada oceano calculado para o ano de 1988 pelo método residual usando o transporte atmosférico do ECMWF e fluxos no topo da atmosfera a partir do satélite Earth Radiation Budget Experiment satellite (ERBS) Fonte: Stewart (2002) 1 Peta Watt = 1PW = 1 x W

52 Variabilidade Interanual: ENOS

53 Variabilidade Interanual: ENOS El Niño (Jul 97 Jun 98)

54 Variabilidade Multi-Decadal Anomalias de TSM (i.e., SST) do oceano superior (e.g., m) extraídas do COADS para os meses de Janeiro de por Hansen & Bezdek (1996, JGR.). Anomalias indicam variabilidade curta (sazonal) e longa (decadal) no Atlântico Norte. Vermelho: Anomalias Quentes (+); Azul: Anomalias Frias (-); Amarelo: Quantidade dados insuficiente. Hansen & Bezdek (1996)

55 Considerações Finais Características particulares da atmosfera e do oceano são responsáveis pela variabilidade do tempo e do clima; Interação atmosfera-oceano acontece em diferentes escalas temporais e espaciais (e.g., fluxos de micro-escala na interface ar-mar até variabilidades interanuais e decadais); Apesar do conceito de fluxo de calor líquido ser relativamente simples, os valores de transporte meridional de calor nas diferentes bacias oceânicas apresentam erros consideráveis;

56 Considerações Finais Para entender de clima, é necessário compreender melhor os processos de troca de calor na interface ar-mar; Tópico está em voga devido ao comportamento do clima principalmente nos últimos 05 anos.

57 Referências Bibliográficas World Ocean Air-Sea Interaction: Introduction to Physical Oceanography: contents.html Dados Projeto PIRATA online:

58 Referências Bibliográficas TAO/TRITON Data Display and Delivery: American Meteorological Society. Online Ocean Studies, 2005, Boston, MA, EUA. 404 pp. Harold V. Thurman. Essentials of Oceanography (5 th edition), 1996, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, EUA. 399 pp.

59 Módulo 3: Oceanogr. Física: Aula 2: Interação Oceano-Atmosfera: Thanks!!!