TEMPERATURA, SALINIDADE E DENSIDADE

Transcrição

1 As propriedades físicas da água pura relevantes para o estudo da dinâmica de fluidos são a pressão e a temperatura. Para a água do mar tem que se juntar a salinidade. A temperatura e a salinidade são duas das mais importantes propriedades físicas da água do mar pelas seguintes razões: ajudam a identificar massas de água particulares no oceano; em conjunto com a pressão determinam a densidade da água do mar (ρ(s,t,p)). A densidade é o fator mais importante no movimento vertical das águas oceânicas, pois determina a profundidade à qual uma massa de água alcança o estado de equilíbrio no campo gravítico. Propriedades Conservativas da água do mar são propriedades que variam apenas por mistura de massas de água, depois da água se ter afastado do contacto com a atmosfera e outras influências externas. Exemplos: temperatura potencial e salinidade. Propriedades Não-Conservativas da água do mar são propriedades que podem variar por processos distintos da mistura de massas de água. Exemplos: temperatura in situ, oxigénio dissolvido e concentração de nutrientes.

2 A temperatura é uma medida da energia cinética média das moléculas que constituem uma dada substância propriedade microscópica. Do ponto de vista macroscópico, a temperatura é uma propriedade de todos os sistemas termodinâmicos em equilíbrio térmico, ou seja, dois sistemas estão em equilíbrio térmico se e só se as suas temperaturas forem iguais. Transformações Adiabáticas são transformações que os fluidos sofrem em consequência da sua compressibilidade, sem haver troca de calor com o ambiente envolvente: quando um fluido se expande perde energia interna e a temperatura desce; quando se comprime ganha energia interna e a temperatura aumenta. Temperatura Potencial - Como a água é ligeiramente compressível, uma porção de água trazida do oceano profundo para a superfície expande-se e tende a arrefecer. A temperatura de uma porção de água do mar trazida adiabaticamente até à superfície é mais baixa do que a medida in situ. Esta propriedade termodinâmica chama-se temperatura potencial e é usada para comparar massas de água a profundidades significativamente diferentes ou quando se estuda movimentos verticais sobre uma gama de profundidades elevada. Calcule a temperatura potencial aqui:

3 FIGURE 3.3 (a) Potential temperature (θ) and temperature (T) ( C), (b) conductivity (mmho), and (c) salinity in the northeastern North Pacific (36 30 N, 135 W). TALLEY Copyright 2011 Elsevier Inc. All rights reserved

4 Potential density relative to (a) 0 dbar and (b) 4000 dbar as a function of potential temperature (relative to 0 dbar) and salinity. Parcels labeled 1 have the same density at the sea surface. The parcels labeled 2 represents Mediterranean (saltier) and Nordic Seas (fresher) source waters at their sills. A água fria é mais compressível que a água quente. Duas águas com a mesma desnsidade mas com T e S diferentes, deixam de ter a mesma densidade em profundidade. Superfície isentrópica: Aquela onde uma partícula de água se move adiabáticamente. FIGURE 3.5 TALLEY Copyright 2011 Elsevier Inc. All rights reserved

5 A dissolução dos sais na água pura provoca modificações nas suas propriedades: pequenas variações na compressibilidade, expansão térmica e índice de refracção; grandes variações na densidade, nas temperaturas do ponto de congelação e de densidade máxima e na condutividade eléctrica. Temperatura de densidade máxima e do ponto de congelação da água do mar em função da salinidade.

6 Salinidade é uma medida da quantidade de sais dissolvidos na água do mar. Até 1980 a salinidade era expressa em partes por mil ( ppm ou ). A salinidade média dos oceanos é 35. Métodos de Medição da Salinidade: Medição Gravimétrica: método moroso e impreciso devido à decomposição de alguns sais durante o aquecimento até à evaporação. Medição Química: baseado na titulação para determinar a clorinidade; utilizado até meados da década de 60 do século XX. Métodos Físicos: baseados na condutividade eléctrica; utilização de uma fórmula empírica para converter razões de condutividade em salinidades. Definição actual de salinidade baseada em fórmulas empíricas, que envolvem uma razão de condutividades padrão, R 15 =C(S,15,0)/C(35,15,0). A salinidade é determinada a partir de medições da conductividade eléctrica e da temperatura. Sensores de conductividade (C), temperatura (T) e pressão (D, do inglês depth) são habitualmente reunidos no mesmo aparelho de medida, o CTD.

7 A importância do conhecimento da densidade, ρ, está no facto do movimento das massas de água intermédias e profundas ser controlado, entre outros factores, pela densidade, ou seja, pela estabilidade gravitacional. Como a densidade depende da temperatura e da salinidade, a circulação vertical é controlada por variações destes dois parâmetros e por esta razão é designada Circulação Termohalina. A densidade da água do mar à superfície é controlada apenas pela temperatura e pela salinidade, mas no interior do oceano também depende da pressão, pois a água é um fluido ligeiramente compressível. A densidade decresce com a temperatura e cresce com a salinidade e a pressão. As unidades de densidade são kg/m 3. Gama de valores: 1021 kg/m 3 à superfície 1070 kg/m 3 a metros de profundidade. O valor médio é aproximadamente 1030 kg/m 3. Em Oceanografia utiliza-se por vezes o volume específico, α=1/ρ, e quase sempre uma quantidade chamadaσ t (sigma-t),σ t =ρ(s,t,p 0 )-1000, em que P 0 é a pressão ao nível do mar (1 atmosfera).

8 Como a densidade varia apenas nos dois últimos algarismos e como normalmente se compara massas de água à mesma profundidade (mesma pressão), ou gama de profundidades, o uso deσ t é mais prático. Emboraσ t tenha unidades, é usual omiti-las. Exemplo: T=10ºC, S=35 e P=0 ρ=1026,96 kg.m -3 σ t = Gama de valores paraσ t : 21 (superfície) 28,3 (10000 m). Associado à temperatura potencial, θ, define-se também a densidade potencial, sigma- θ, representada pelo símboloσ θ. Não existe método rápido, prático e seguro para medir a densidade in situ. Pode ser medida em laboratórios, mas os métodos são lentos. Na prática a densidade é deduzida a partir da temperatura, salinidade e pressão, medidas directamente. A dependência entre a densidade, a temperatura, a salinidade e a pressão é representada pela equação de estado da água do mar, que é bastante complicada.

9 Equação de Estado da Água do Mar com: e: Como verificamos a dependência da temperatura e da salinidade não é linear. Calcule a densidade (sigma-t) a partir de T, S e P aqui: A nova Equação de Estado da Água do Mar Thermodynamic Equation Of Seawater (TEOS-10)

10 A temperatura do oceano aberto está compreendida entre 2º C e 30º C e a salinidade entre 30 e 40. Cerca de 90% do oceano aberto está entre 2º C e 10º C e entre 34 e 35 e representa maioritariamente água sub-superficial. O restante é água de superfície. A densidade (em unidades de sigma-t) em função da temperatura e da salinidade, numa gama apropriada para todo o oceano. Note-se que 90% da água de todo o oceano está dentro da área a tracejado. Note-se ainda que a relação entre a densidade, a temperatura e a salinidade é não linear, mais na temperatura que na salinidade. A densidade é menos sensível a variações de temperatura a baixas temperaturas que a altas temperaturas.

11 Em Oceanografia considera-se a pressão hidrostática, isto é, a pressão devido apenas à coluna de água acima de um dado nível (profundidade), o que implica que P=0 quando o nível é a superfície,que está à pressão atmosférica. A Equação Fundamental da Hidrostática descreve a variação de pressão, p, com a profundidade, z, numa coluna de fluido: p=ρgz. Considerando ρ constante, a equação hidrostática traduz uma relação linear entre a pressão e a profundidade. Unidades de pressão: 1 Pa=1 N.m 2; 10 5 Pa=10 5 N.m 2 =1 bar 1 atmosfera. No oceano, pode-se usar a relação Z=1 m p 1 decibar (db).

12 ESTRUTURA VERTICAL DO OCEANO Perfis verticais da temperatura típicos para as diferentes latitudes do oceano. A termoclina sasonal ocorre devido ao forte aquecimento superficial do oceano durante o Verão nas latitudes médias. Sucessão de perfis de temperatura mostrando o desenvolvimento (linhas a cheio) e o decaimento (linhas tracejadas) da termoclina sasonal no hemisfério Norte.

13 ESTRUTURA VERTICAL DO OCEANO Perfis verticais médios de salinidade típicos para as diferentes latitudes do oceano mundial. Perfis verticais médios de densidade típicos para as diferentes latitudes do oceano mundial.

14 ESTRUTURA VERTICAL DO OCEANO A região superficial (na ordem de metros ou dezenas de metros) corresponde à camadade mistura onde o oceano está bem misturado devido à influência directa do vento. Nesta região, temperatura, salinidade e consequentemente a densidade, variam pouco em profundidade. Seguese uma região de forte gradiente vertical da temperatura (termoclina), da salinidade (haloclina) e em consequência, da densidade (picnoclina). Na região profunda estes parametros voltam a variar pouco em profundidade. Estrutura vertical típica do oceano

15 ESTRUTURA VERTICAL DO OCEANO Secção vertical norte-sul média zonal de temperatura para o oceano mundial Secção vertical norte-sul média zonal de densidade para o oceano mundial