Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas

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1 Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas Oceanografia Costeira Olga T. Sato, Ph.D. olga.sato@usp.br Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 1 / 47

2 Roteiro 1 Região costeira Caracterização Diferenças Maré Meteorológica 2 Circulação e mistura em estuários Caracterização Classificação Tempo de residência Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 2 / 47

3 Roteiro Região costeira 1 Região costeira Caracterização Diferenças Maré Meteorológica 2 Circulação e mistura em estuários Caracterização Classificação Tempo de residência Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 3 / 47

4 Região costeira Leitura Requisitada Descriptive Oceanography, Pickard e Emery: cap 8 mattom/shelfcoast/index.html Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 4 / 47

5 Região costeira Caracterização Definições Costa: limite entre a a água e a terra; Praia: parte terrestre perto do mar que foi modificada pela ação do mar; Plataforma continental: extensão em direção ao mar desde a praia até um gradiente médio de 1 para 500. Talude: parte exterior da PC com gradiente de 1 para 20. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 5 / 47

6 Região costeira Caracterização Condições oceanograficas da região costeira Presença da costa como uma condição de contorno para o fluxo; Região de profundidade limitada sobre a plataforma continental: entre a isóbata de 200 m e a costa (limite entre a água e a terra); fluxo; Parte do continente coberta pela água ou a parte do oceano onde a água escorre sobre os continentes; Largura varia consideravelmente na plataforma. Processos: descarga de rios e precipitação, efeitos de massa de ar continental que passam em direção ao oceano aberto. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 6 / 47

7 Região costeira Caracterização Relevância da região costeira Marés - existem em todo o oceano mas as correntes de maré são mais fortes perto da costa; Variações de temperatura, salinidade, nível do mar e correntes são mais pronunciadas na região costeira; Dois terços da população do mundo vive perto da costa: importância da região costeira para a atividade humana; Pesca é concentrada na região costeira que sofre com o aporte de esgoto e descarga industrial; Conhecimento da região costeira é crítica para a pesquisa e operações de resgate, exploração e derramamento de óleo, e recreação entre outros. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 7 / 47

8 Região costeira Caracterização Forçantes Termohalinas Zona costeira Maior variabilidade de TS dos oceanos Variações de temperatura devido: Aumento de mistura por marés Profundidades mais rasas Advecção de ar mais frio/quente do continente Variações de salinidade: Exposto ao mesmo balanço E-P do oceano aberto; Recebe contribuição água de descarga. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 8 / 47

9 Região costeira Diferenças Diferenças entre região costeira e oceano aberto: I Profundidade de águas rasas: Presença do fundo dos oceanos em profundidade onde a corrente é de moderada a forte é responsável pelos efeitos de atrito na região costeira que são usualmente desprezíveis no oceano aberto; Movimento sobre o fundo do oceano estabelece uma camada limite de atrito próxima ao fundo, da mesma forma que o vento produz a camada de Ekman na superfície, onde o momento é transferido do vento para a corrente. As correntes de fundo são normalmente muito fracas de forma que a camada limite de fundo é desprezada na dinâmica. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 9 / 47

10 Região costeira Diferenças Diferenças entre região costeira e oceano aberto: II Aumento do efeito da maré: Marés são ondas oceânicas de comprimento de onda muito longas e geralmente de pequenas amplitudes em águas profundas; Na plataforma continental a amplitude da maré aumenta (da mesma forma que a amplitude das ondas de gravidade de superfície geradas pelo vento aumentam em profundidades mais rasas); A propagação da crista da onda é retardada; Ocorre um aumento significante da corrente de maré: na plataforma esse tipo de movimento é dominante; Dinâmica de estuários depende completamente das maré. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 10 / 47

11 Região costeira Diferenças Marés em áreas rasas Somente corpo de águas grandes, como oceanos, podem experimentar as forças geradoras de maré como descritas por Laplace; Corpos menores de água como mares marginais e estuários não produzem uma resposta à maré astronômica; Os movimento são forçados por correntes de oceano profundo que entram e saem dessas regiões periodicamente: co oscilação de maré; Estas regiões possuem suas frequência de ressonância própria, definida pelas dimensões; Variações grandes de maré estão geralmente associadas à fortes correntes de maré geralmente muito mais intensos que as de oceano aberto. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 11 / 47

12 Região costeira Diferenças Diferenças entre região costeira e oceano aberto: III Presença da costa: Linha da costa é um obstáculo para o fluxo; Correntes que se aproximam da costa desenvolve um fluxo convergente que resulta em aceleração do fluxo; Convergência das correntes de superfície pode resultar em afundamento das águas superficiais em grandes profundidades; Divergência resulta em ressurgência; Convergência e divergência em oceanos abertos estão relacionados com velocidades verticais muito menores comparados com os da região costeira. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 12 / 47

13 Região costeira Diferenças Diferenças entre região costeira e oceano aberto: IV Variações do nível do mar São produzidas pelo fluxo convergente e divergente; No oceano aberto, o acúmulo de água em regiões de convergência é pequeno, resultando em afundamento da água para grandes profundidade: bombeamento de Ekman; Em regiões de plataforma, a água consegue ser empilhada gerando um forte gradiente de pressão encostada na costa: geração de correntes geostróficas. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 13 / 47

14 Região costeira Circulação Atmosférica Diferenças Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 14 / 47

15 Região costeira Diferenças Circulação Oceânica de Larga Escala A tensão de cisalhamento do vento τ depende do vento u: τ = ρ a C d u u. Correntes de superfície dependem de τ em várias escalas; A posição meridional dos giros subtropicais oceânicos é, em primeira ordem, determinada pela linha de τ = 0. Junto à costa o τ não é necessariamente predominante, pois o continente impõe uma condição de contorno. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 15 / 47

16 Região costeira Diferenças Vento: Resposta no Oceano Aberto Superfície do mar: Divergência (afundamento) Convergência (elevação) Anomalia típica da altura O(10)cm. Dinâmica de Ekman (Hem. Norte): Corrente de superfície: 45 do vento; Transporte: normal ao vento. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 16 / 47

17 Região costeira Diferenças Vento: Em Regiões Costeiras é Diferente! A presença da costa: Inibe o fluxo perpendicular a ela. Acentua a convergência e divergência Profundidade reduzida sobre plataforma continental inibe movimentos verticais de larga escala Empilhamento contra a costa: ressaca, maré meteorológica Agravado se coincidir com ciclo de maré Amplificado se coincidir com ondas de Kelvin (Hemisfério Norte) Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 17 / 47

18 Região costeira Diferenças Solução no HS à Maré Meteorológica Transporte horizontal na camada de Ekman. Conservação de massa ressurgência ou subsidência na costa. Efeito do vento comunicado para baixo por p. Inclinação da superfície correntes geostróficas. Escala horizontal ditada pelo raio de deformação de Rossby R = gh/f Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 18 / 47

19 Região costeira Movimento Forçado Pelo Vento Maré Meteorológica Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 19 / 47

20 Região costeira Maré Meteorológica Propagação da Maré Meteorológica Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 20 / 47

21 Região costeira Onda de Kelvin Costeira Maré Meteorológica Propagação ao longo da costa: Costa à direita no HN e à esquerda no HS; ou Em direção ao equador na borda oeste e aos pólos na borda leste; Ou ainda, se movem ciclonicamente em torno das bacias. A altura da superfície varia exponencialmente com a distância da costa para sustentar o balanço geostrófico. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 21 / 47

22 Região costeira Maré Meteorológica Diferenças entre região costeira e oceano aberto: V Estratificação Profundidades rasas limitam o volume de água disponível para mistura; Aumento do ciclo sazonal da temperatura: esquenta ou esfria mais rápido que águas de oceano aberto; Salinidade em região costeira pode variar fortemente durante o ano: influência de ciclo sazonal de adição de água doce por descarga, precipitação; Formação de termoclina sazonal forte durante o verão: impede a troca de propriedades; Mistura da coluna d água é reduzida, correntes estão restritas à camadas acima da termoclina e portanto a qualidade da água pode ser afetada pela falta de trocas difusivas das propriedades. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 22 / 47

23 Região costeira Maré Meteorológica Diferenças entre região costeira e oceano aberto: VI Influência terrestre: Precipitação e evaporação parte do ciclo hidrológico agem como fonte ou sorvedouro sobre a superfície dos oceanos; O terceito elemento descarga de rios formam uma coleção de pontos de fonte de água que impactam exclusivamente a região costeira; Introdução de água doce em regiões rasas podem produzir gradientes horizontais de densidade para gerar correntes governadas por forças termohalinas (empuxo). Coexistência de fluxos governados pelo vento e por diferenças de densidade nas camadas superiores não são normalmente encontrados em oceano aberto. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 23 / 47

24 Região costeira Maré Meteorológica Circulação Costeira com Descarga de Rio (HS) Água doce diminui a densidade da água na plataforma; Inclinação das isopicnais: mais baixo perto da costa; FGP resultante correntes geostróficas paralelas à costa Descarga circulação ciclônica em torno das bacias Nem sempre fáceis de observar: superimposta à circulação geral de larga escala devido ao vento Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 24 / 47

25 Região costeira Maré Meteorológica Circulação Costeira com Descarga de Rio Descarga de rios produz uma circulação ciclônica em torno das bacias oceânicas; Circulação restrita à plataforma e sobreposta à circulação geral devido ao vento: não são fáceis de identificar nas observações; No lado oeste dos oceanos as correntes de borda oeste são muito fortes e mascaram completamente a circulação devido aos rios; Nos subtrópicos a circulação do oceano aberto é anticiclônico e portanto ao contrário dessa circulação. Pode ser observada como uma contra corrente estreita sobre a plataforma; Correntes do lado leste dos oceanos são mais fracas que as de borda oeste e novamente as correntes devido à densidade ocorrem como contra correntes. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 25 / 47

26 Roteiro Circulação e mistura em estuários 1 Região costeira Caracterização Diferenças Maré Meteorológica 2 Circulação e mistura em estuários Caracterização Classificação Tempo de residência Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 26 / 47

27 Estuários Circulação e mistura em estuários Caracterização Corpos de água parcialmente fechados com abertura para o mar adjacente, onde a água do mar é diluída pela água de origem fluvial Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 27 / 47

28 Circulação e mistura em estuários Caracterização Forçantes no estuário Os movimentos nos estuários podem ser gerados pelas seguintes forçantes: Variações do nível do mar; Descarga de rio; Gradiente de pressão devido à influência da salinidade sobre a densidade; Circulação na plataforma continental adjacente; Vento sobre a superfície livre. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 28 / 47

29 Circulação e mistura em estuários Caracterização Classificação de movimentos Existem dois tipos de processos que podem gerar mistura no estuário: Movimento médio ou macroscópico: gerado pela maré, descarga fluvial e diferenças de densidade Advectivo Movimentos aleatórios em escala microscópica Difusão molecular ou turbulenta. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 29 / 47

30 Circulação e mistura em estuários Caracterização Processos de mistura Advecção: O material é carregado pelo fluxo médio. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 30 / 47

31 Circulação e mistura em estuários Caracterização Processos de mistura Mistura turbulenta (difusão turbulena): o material é carregado randomicamente por vórtices turbulentos. Podem não ter fluxo médio mas o material é transportado seguindo o gradiente de concentração, de valores altos para baixos. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 31 / 47

32 Circulação e mistura em estuários Caracterização Como a mistura é realizada através das camadas? Através da instabilidade devido ao cisalhamento Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 32 / 47

33 Circulação e mistura em estuários Caracterização Balanço entre os efeitos de estabilidade O balanço entre: Efeito estabilizador do gradiente de densidade e Desestabilizador do cisalhamento entre as correntes é expresso pelo número de Richardson, R i : R i = g dρ ρ dz ( dv dz )2 R i < 0: gravitacionalmente instável, overtuning occurs; 0 < R i < 0.25: instabilidade por cisalhamento entre as camadas se desenvolve; R i > 0.25: Fluxo é estável e não ocorre mistura entre as camadas. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 33 / 47

34 Circulação e mistura em estuários Caracterização Consequências da mistura turbulenta Entranhamento entre uma camada que se move relativamente à outra que esta parada. Neste caso, o material é carregado com o fluxo: processo advectivo Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 34 / 47

35 Circulação e mistura em estuários Caracterização Consequências da mistura turbulenta A mistura vertical ocorre quando as duas camadas estão em movimento. Neste caso, o processo é difusivo. Não há transporte líquido de água, somente o material gradiente abaixo. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 35 / 47

36 Circulação e mistura em estuários Classificação de estuários Classificação Prisma de maré Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 36 / 47

37 Circulação e mistura em estuários Classificação Rio Mississippi Transporte de m 3 (0.016 Sv). Terceiro maior do mundo (Amazonas (0.175Sv) e Congo (0.038Sv)). Seção de salinidade e velocidade através da interface entre camada de água doce e prisma salgada. Separação entre o fluxo de água doce que sai pela camada superior e a água salgada que entra pelo prisma é claramente visível. Note a mudança de direção da corrente através da interface entre as duas camadas. A água é levada até a interface pelas duas camadas e removida em direção ao mar sendo primeiro elevada na interface. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 37 / 47

38 Circulação e mistura em estuários Classificação de estuários Classificação Parcialmente misturado ou parcialmente estratificado. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 38 / 47

39 Circulação e mistura em estuários Classificação de estuários Classificação Bem misturado ou verticalmente misturado Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 39 / 47

40 Circulação e mistura em estuários Classificação Canal do Rio Myall - Austrália Seção de salinidade. Os quadrados marcam as estações onde a salinidade foi medida. As isolinhas são espaçadas por 5 unidades. Observe a rápida transição entre as salinidades de 5 a 30 numa distância de poucos km. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 40 / 47

41 Perfil de salinidade Circulação e mistura em estuários Classificação Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 41 / 47

42 Circulação e mistura em estuários Tempo de residência Tempo de residência Tempo necessário para drenar um volume V através de A cuja velocidade da corrente é v. Em termos de estuários, t F é o tempo necessário para trocar o volume de água doce V F na taxa de fluxo líquida dada pela descarga do rio R: t F = V F R A fração de água doce f pode ser obtida através de medidas de salinidade: f = S 0 S S 0 onde S 0 é a salinidade oceânica medida na boca do estuário. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 42 / 47

43 Circulação e mistura em estuários Tempo de residência Tempo de residência O volume de água doce no estuário, numa determinada seção, é dada pela integral de f : F = fdv onde V é o volume da seção e F é a fração média de água doce. Podemos determinar o tempo de residência como: t F = F V R Este cálculo requer o conhecimento do volume do estuário que deve ser medida somente uma vez. A medida da taxa de descarga do rio R pode ser feita num só ponto no final do estuário. Amostragem da salinidade deve ser feita ao longo de todo o estuário. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 43 / 47

44 Circulação e mistura em estuários Tempo de residência Tempo de residência num estuário com prisma de maré 1 Volume de água do mar V T entra no estuário com a maré enchente; 2 Volume de água doce V R entra no estuário durante o ciclo de maré (enchente e vazante). 3 V T e V R são completamente misturados na maré alta; 4 Volume combinado, V T + V R saem do estuário durante a maré vazante. 5 Salinidade da água doce é zero e da água salgada é S 0. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 44 / 47

45 Circulação e mistura em estuários Tempo de residência Tempo de residência num estuário com prisma de maré No balanço de volumes temos: A salinidade S da mistura é: A fração de água doce é: usando que (V T + V R ) S = V T S 0 S = S 0 V T V T + V R F = (S 0 S S 0 = 1 S S 0 F = V R (V T + V R ) Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 45 / 47

46 Circulação e mistura em estuários Lagoa Mururoa, Polinésia Tempo de residência Esta lagoa de recife de corais foi usada para testes nucleares e modelos foram utilizados para determinar a circulação. Topografia Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 46 / 47

47 Circulação e mistura em estuários Tempo de residência Lagoa Mururoa, Polinésia Modelagem leva em consideração as marés e o vento. Inclui fluxo sobre o coral e através do canal de acesso. A maior parte da lagoa troca toda a água em 100 dias. Olga T. Sato (IOUSP) Processos físicos na plataforma continental e regiões estuarinas 47 / 47