DINÂMICA DO OCEANO NAS REGIÕES COSTEIRAS INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN

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1 DINÂMICA DO OCEANO NAS REGIÕES COSTEIRAS INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN Existem variações no campo das correntes nas zonas costeiras em resultado das características do próprio oceano costeiro é essencial referir as ondas aprisionadas na costa responsáveis pela maior parte da variabilidade das correntes na plataforma em muitas regiões do oceano costeiro mundial. A compreensão da geração e propagação de ondas aprisionadas na zona costeira parte das condições de equilíbrio de forças básico em oceano aberto, designado por equilíbrio geostrófico: a força do gradiente de pressão actua na direção perpendicular ao escoamento e é equilibrada pela força de Coriolis, também perpendicular ao escoamento mas no sentido oposto ao da força do gradiente de pressão; o sentido da corrente geostrófica é tal que no Hemisfério Norte as altas pressões estão à sua direita e no Hemisfério Sul à esquerda. Representação da circulação geostrófica em torno de centros de alta pressão (centros anticiclónicos, nível do mar elevado) e de baixas pressões (centros ciclónicos, nível do mar baixo) no hemisfério norte(à esquerda) e no hemisfério sul(à direita) em oceano aberto.

2 Representação da dinâmica dos centros de altas pressões (nível do mar elevado) ao longo dacostaedo Equador: - a circulação oceânica transporta água para o equador no lado oeste e para o pólo no lado leste dos oceanos; -ocentrode altaspressões progrideparaopóloalesteeparaoequadoraoeste; -no equadorocentrodealtaspressõesmove-se paraleste.

3 Representação da dinâmica dos centros de baixas pressões (nível do mar baixo) ao longo dacostaedo Equador: - acirculação oceânicatransportaáguaparaopólo a oesteeparaoequadoraleste dos oceanos; -ocentrode baixaspressõesprogrideparaopóloalesteeparaoequadoraoeste; -no equadorocentrodebaixaspressões move-se paraleste.

4 O movimento dos centros de altas e baixas pressões ao longo da costa é designado por Onda de Kelvin. As ondas de Kelvin dependem da existência de uma costa que provoca o empilhamento da água, mas não requerem a existência de plataforma também ocorrem em regiões costeiras onde o continente cai abruptamente para grandes profundidades, como por exemplo nas costas do Chile e do Peru. Principais características das ondas de Kelvin: aamplitude amplitude é máxima junto à costa; a amplitude decresce exponencialmente em direção ao oceano de tal forma que a sua presença é sentida somente numa estreita faixa de menos de 100 km de largura ao longo da costa; na costa oeste dos oceanospropagam-se apenas em direção ao Equador; na costa leste dos oceanospropagam-se apenas em direção aos pólos; têm períodos numa gama de vários dias até poucas semanas o que é traduzido por variações lentas do nível do mar e numa inversão das correntes junto à costa a uma taxa de mais ou menos uma vez por semana à medida que regiões de altas e baixas pressões sucessivas passam por um dado ponto de observação.

5 Ao longo do equador, longe das zonas costeiras, a corrente não pode circular em torno dos centros de altas e baixas pressões pois a força de Coriolis actua em sentidos opostos nos dois hemisférios e por isso o equilíbrio geostrófico é invertido. Em resultado disto: a corrente flui para leste em ambos os lados de uma célula de alta pressão e paraoesteemambos os ladosdeuma céluladebaixapressão; há transporte de massa de água e deslocamento dos centros tanto de altas como de baixas pressões para leste. Estas ondas são conhecidas como Ondas de Kelvin Equatoriais: têm periodicidades similares às das ondas de Kelvin costeiras mas propagam- se com uma velocidade muito maior uma onda de Kelvin equatorial atravessa todoooceanopacíficoemmenos dedoismeses.

6 Existem dois tipos de ondas de Kelvin, costeiras e equatoriais, ambas gravíticas e não-dispersiva. São muitas vezes originadas por uma mudança abrupta no campo de vento sobrejacente, como porexemplo a mudança nosventos alísios noinício doel Niño.

7 Os movimentos das ondas através de um meio como o oceano, em que as características físicas variam com a posição, podem criar reflexão no interior dessas variações, de modo que as ondas ficam aprisionada. Este aprisionamento das ondas é chamado de guia de ondas. Ondas de Kelvin equatoriais são não-dispersivas devido a viajarem no interior de um guia deondas. Ondas de Kelvin equatoriais propagam-se para leste no hemisfério norte, com o equador como um guia de ondas. Ondas de Kelvin costeiras propagam-se em torno dos oceanos do hemisfério norte em sentido anti-horário, com a costa como um guia de ondas. Propagam-se com velocidades de aproximadamente 2,8 m/s ou cerca de 250 km por dia. Uma onda de Kelvin leva cerca dedoismeses a atravessar o Pacífico, da NovaGuinéàAmérica Latina.

8 Estrutura de uma onda de Kelvin costeira Estrutura de uma onda de Kelvin equatorial, simétrica em relação ao equador

9 Equações que governam as ondas de Kelvin, para uma costa com orientação nortesul alinhada com o eixo dos yy s velocidade oeste-leste nula, u=0, - Diferenciando a 2ª equação em ordem ayea3ª em ordem atobtém-se a equação = + = = = = = y v h t y v x u h t y g t v y g fu t v x g fv x g fv t u de onda em águas pouco profundas na direcção y e a equação do equilíbrio geostrófico na direção x - Asoluçãogeraldosistema deequaçõesacimaé em que 0 éaamplitude daondanafronteira(costa). x g fv gh comc t C y = = =, C fx e t y = ) cos( 0 ω κ

10 A onda de Kelvin é uma onda de longo período e pequena amplitude que viaja paralelamente a uma fronteira fixa, tal como um canal largo ou uma linha de costa. Por acção da força de Coriolis, o equador, onde o parâmetro de Coriolis é igual a zeroemudadesinal,também servedeguiadeondasdekelvin. Na direção de propagação da onda a solução é idêntica à de uma onda nãodispersiva de águas pouco profundas, com propagação na direção norte-sul; a velocidade das partículas ao longo da direção de propagação da onda é u part w part ω = 0cos( κy ωt) κ h z = ω0 1 sin( κy ωt) h Na direção perpendicular ocorre balanço geostrófico; há um declive na superfície do mar de tal forma que a amplitude da onda decay exponencialmente da fronteira para o largo, = exp fx C = exp fx gh 0 = exp 0 ( ) ( ) ( x ) R d onder d = gh f é oraiodedeformaçãoderossby; em oceano abertor d é da ordem de 2000 km; em águas costeiras é da ordem de 300km neste casor d é uma medida da distância transversal à costa ao longo da qual se espera observar o efeito deuma onda dekelvin. 0

11 Ondas de Kelvin no hemisfério norte nas margens opostas de um canal cuja largura é superior ao raio de Rossby. As setas no plano projetado representam as correntes associadas.

12 Observações de ondas de Kelvin na plataforma africana do Oceano Atlântico. Pensa-se que as ondas são geradas na região equatorial ao largo do Brasil. Viajam ao longo do equador e atingem a costa de África ao fim de algumas semanas. Continuam a propagar-se ao longo da costa em direção aos pólos, atingindo a costa do Gana onde o litoral tem uma orientação zonal. - No topo: geografia e localização das estações. - Em baixo, à esquerda: temperatura da superfície do mar em várias estações ao longo da costa; o efeito das ondas de Kelvin na temperatura superficial traduz-se em processos periódicos de afloramento e subsidência que produzem descidas e subidas periódicas de temperatura; o período é de aproximadamente 14 dias. - Em baixo, à direita: temperatura e corrente paralela à costa a 12, 42 e 82 m de profundidade numa amarração localizada a meio da linha a negro perpendicular à costa a partir de Tema; também estão representados a temperatura e o nível do mar observados no porto de Tema; todas as variáveis apresentam uma periodicidade idêntica de 14 dias.

13 Séries temporais de nível do mar, pressão atmosférica e vento para o período de 11 a 25 de Janeiro de 1982 para estações das costas oeste, sudoeste e sul da Península Ibérica

14 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL A presença de uma plataforma pode originar uma outra classe de ondas costeiras conhecidas como Ondas de Plataforma (coastal trapped waves) a sua existência deve-se ao facto da plataforma não ter uma profundidade uniforme mas aumentar gradualmente em direção ao oceano profundo ( i.e., devido à presença de um fundo inclinado ou gradiente de profundidade). Ν Situação no Hemisfério Norte Representação da situação que pode dar origem a ondas de Plataforma. Os principais ingredientes são: (a) a rotação da Terra, indicada no canto superior esquerdo; (b) uma plataforma continental inclinada; (c) um forçamento externo variável como por exemplo uma tensão do vento periódica τ w. A tensão do vento afasta e aproxima da costa a água na camada de mistura superficial (camada de Ekman), produzindo afloramento e subsidência periódicos perto da costa isto gera escoamento alternadamente de e para o largo abaixo da camada de mistura. Se a região da plataforma for no hemisfério norte e o norte estiver para cima, a tensão do vento actuando para norte produz afloramento e a tensão do vento para sul gera subsidência.

15 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL Se a profundidade da plataforma for constante, a água abaixo da camada de mistura vai mover-se para dentro e para fora como resposta passiva à ação do vento e ao afloramento e subsidência periódicos associados. Numa plataforma de fundo inclinado uma coluna de água ao mover-se para o largo cresce em altura e diminui em espessura e quando se move para a costa decresce e alarga. Devido à rotação da Terra a coluna de água tem um certo momento angular a conservação do momento angular é uma das leis básicas da física e a coluna de água não pode alterar o seu momento angular de qualquer forma a coluna de água começa a rodar quando estreita e abranda a rotação quando alarga. A rotação em torno de um eixo vertical é quantificada através de uma quantidade designada por vorticidade omovimento para o largo e para a costa de uma coluna de água sobre uma plataforma inclinada, abaixo da camada de Ekman, está, então, associado a uma variação contínua da vorticidade.

16 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL Afigura abaixo mostra uma situação em que o vento alterna de sentido entre o equador e os pólo ao longo da costa sobre uma distância de cerca de 2000 km, dimensão típica dos sistemas de tempo atmosférico que afetam a zona costeira. Uma linha imaginária paralela à costa algures a meio da plataforma é deformada numa linha ondulada em resposta ao forçamento pelo o vento. Ν Situação no Hemisfério Sul Representação do efeito de tensão do vento variável no oceano costeiro, numa plataforma no hemisfério sul. A camada de mistura superficial foi removido do diagrama e apenas é mostrada a água abaixo da camada de mistura. - A tensão do vento para norte produz subsidência e empurra a água abaixo da camada de mistura para longe da costa. Tensão do vento para sul produz afloramento e puxa a água abaixo da camada de mistura para a costa. - Como resultado disto, água que originalmente estava localizado na linha a tracejada paralela à costa é deslocada para a localização indicado pela linha vermelha. Uma coluna de água na secção central, localizada inicialmente sob a linha tracejada é deslocada para águas mais profundas e adquire vorticidade negativa; as colunas de água localizadas originalmente sob a linha quebrada em ambas as extremidades do diagrama movemse para águas pouco profundas e adquirem vorticidade positiva.

17 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL Numa plataforma com profundidade constante a linha imaginária iria oscilar, em resposta ao forçamento periódico do vento, entre duas linhas onduladas como a corda de uma guitarra estaria sujeita a uma oscilação estacionária. A figura abaixo mostra como a tendência do movimento da água sobre uma plataforma com fundo inclinado para induzir variações na vorticidade se traduz em movimento da água ao longo da costa. O resultado é uma oscilação que se propaga alinha ondulada não regressa à sua posição original mas desloca-se ao longo da costa. Ν Resultado do ganho alternado de vorticidade negativa e positiva na coluna de água quando o forçamento pela tensão do vento relaxa. A rotação induzida por uma alteração na vorticidade conduz as partículas de água para longe da costa nalguns lugares e em direção à costa noutros. Como resultado, a localização das partículas de água mudam da linha vermelha para uma nova posição sobre a linha amarela. O efeito prático da mudança de localização da partícula é uma deslocação para norte do padrão da onda, do vermelho para o amarelo; para um observador num local fixo isto aparece como uma onda em propagação para norte. Situação no Hemisfério Sul

18 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL Assumiu-se um forçamento do vento periódico mas estacionário em relação à plataforma: o vento varia entre as direções para o pólo e para o Equador em função do tempo, mas o campo de vento não se move ao longo da costa. A presença de uma plataforma inclinada resulta na geração de ondas que se propagam e deixam a região do forçamento periódico do vento e serão observadas como movimento periódico da água mais adiante, ao longo da costa, onde as variações no campo do vento não estão relacionadas com ela este movimento da água é a onda da plataforma. Representação da forma da onda da plataforma: a onda é aprisionada contra a costa mas, ao contrário de uma onda de Kelvin, o seu perfil não cai monotonamente da costa para o largo, mas exibe uma segunda região de grande amplitude sobre o bordo da plataforma.

19 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL Principais características das ondas da Plataforma: tal como as ondas de Kelvin, as ondas da plataforma só se podem propagar em direção ao Equador na costa oeste dos oceanos e em direção aos pólos na costa leste dos oceanos mas não podem existir no Equador; têm períodos similares aos das ondas de Kelvin (desde alguns dias até 2-3 semanas) e comprimentos de onda similares (da ordem dos 2000 km, determinados pelos padrões de tempo atmosférico) mas um perfil de onda diferente, com um máximo relativo de oscilação doníveldomarsobreobordodaplataforma); se for considerada a estratificação das águas de plataforma, a sua forma e as correntes associadas são modificadas ainda mais e podem ter correntes mais intensas a meia profundidade; como a estratificação em águas pouco profundas é fortemente afetada pelas estações do ano, o efeito das ondas aprisionadas à costa nas correntes da plataforma e nas variações do nível do mar pode variar de estação para estação.

20 O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA PLATAFORMA CONTINENTAL As ondas da plataforma podem ter uma contribuição significativa para a variabilidade do nível do mar e das correntes na plataforma. Propagação de ondas aprisionadas à costa ao longo da costa leste da Austrália, observadas a partir de registos do nível do mar obtidos na Grande Barreira de Coral durante Janeiro e Fevereiro de As observações foram filtradas para eliminar as marés e oscilações com períodos inferiores a 3 dias. Ondas individuais propagam-se para norte, de Bundaberg para Mourilyan Harbour, conforme indicado pela inclinação das linhas a verde.