Introdução a Oceanografia GEO232

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1 Introdução a Oceanografia GEO232 Módulo 3 Oceanografia Física Aula 3 Circulação Oceânica e Massas d Água 1º semestre 2007 Carlos Lentini [email protected]

2 Sumário Introdução Circulação na superfície dos oceanos Propriedades físicas da água do mar As massas de água e a circulação termohalina Considerações finais

3 Introdução O que é a Oceanografia Física? É o estudo do movimento dos fluidos nos oceanos. O seu objetivo é o entendimento destes processos nas várias escalas espaciais e temporais, a simulação destes processos e se possível, a previsão destes processos. Quais as variáveis estudadas? Estuda a distribuição das propriedades físicas da água do mar (S, T, P, ρ) e a sua relação com com a circulação (U, V, W e η)

4 Introdução O que é uma corrente e quais os seus mecanismos geradores? O que é uma massa de água?

5 Introdução Uma corrente é caracterizada por um fluxo de água no oceano que apresenta uma distribuição coerente em termos de médias temporais A importância de uma corrente é avaliada pelo seu transporte (tanto de volume como de calor) e pela variabilidade dos mesmos As correntes oceânicas tem uma contribuição extremamente relevante no transporte de calor para os pólos (principalmente em latitudes médias) O estudo da circulação oceânica pode ocorrer através de observações in situ (navios, bóias, instrumentos fundeados, satélites, derivadores), modelos analíticos e modelos numéricos

6 Circulação Atmosférica O campo de ventos para a terra sem rotação:

7 Circulação Atmosférica

8 Força de Coriolis A terra gira!!! Aparecimento força aparente: a Força de Coriolis HN: deflete para a direita HS: deflete para a esquerda

9 Força de Coriolis Filmes!

10 Consequências da Força de Coriolis Fluidos em movimento (atmosfera e oceano) defletem para a direita no Hemisfério Norte; Fluidos em movimento (atmosfera e oceano) defletem para a esquerda no Hemisfério Sul;

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

12 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

13 Circulação Oceânica gerada pelo Vento Circulação gerada pela vento: Ventos estacionários produzem ondas e colocam o oceano em movimento; Parcela de água em movimento é defletida para a direita (esquerda) no Hemisfério Norte (Sul); Com isso iniciamos o movimento do giro principal das águas de superfície do oceano

14 Circulação Oceânica gerada pelo Vento Circulação gerada pela vento: Em média concentram-se nos primeiros 1000-m da coluna d água; Correspondem a 10-20% do volume de água dos oceanos; As correntes oceânicas têm um papel importante na redistribuição de calor;

15 Circulação Oceânica gerada pelo Vento Circulação gerada pela vento: O calor armazenado é transportado em direção aos pólos; Variação sazonal até escalas climáticas; Escalas de bacia (L ~ 5000 km; Pacífico ~ km).

16 1 Sverdrup = 10 6 m 3 /s (Sv) Circulação Oceânica gerada pelo Vento

17 Circulação Oceânica gerada pelo Vento Principais feições: Cinco (5) grandes giros; Corrente Circumpolar Antártica (CCA); Sistema de Contra-Correntes Equatoriais; Velocidades variam mais intensas são da ordem de metros/segundo

18 Circulação gerada pelo vento: Os grandes Giros Oceânicos Corrente Quente CCA Corrente Fria CCA

19 temperatura da superfície do mar ( 0 C) salinidade da superfície do mar Circulação gerada pelo vento: Os grandes Giros Oceânicos Miami Isopynic Coordinate Ocean Model (MICOM)

20 Correntes Oceânicas Correntes Oceânicas são influenciadas por: 1. Ventos 2. 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

21 Correntes Oceânicas

22 Cisalhamento do vento induz a geração de correntes a direita (esquerda) do vento no Hemisfério Norte (Sul) Correntes Oceânicas

23 Correntes Oceânicas Combinação dessas forças faz com que exista uma circulação horária Atlântico Norte e anti-horária no Atlântico Sul, p.ex.

24 Balanço ou Equilíbrio Geostrófico (HN) HN Empilhamento Água FC FGP Corrente Superfície Vel G FC Corrente Geostrófica FGP H HS Vel G fv = ρ 1 P x fu = 1 P ρ y FC FGP

25 Balanço ou Equilíbrio Geostrófico O balanço geostrófico: Ocorre amplamente no interior do oceano e da atmosfera É representado pelo equilíbrio entre a Força do Gradiente de Pressão e a Força de Coriolis É um equilíbrio estacionário A pressão em um ponto no interior do oceano é função do peso de água acima deste, que é função da densidade ρ (S,T,P) e da altura da coluna d água

26 Balanço ou Equilíbrio Geostrófico Em um fluxo geostrófico, a água (ar) move-se ao longo de isóbaras, com a alta pressão à sua esquerda no HS e à sua direita no HN

27 Circulação na Troposfera Oceânica Rotacional do Cisalhamento do Vento troposfera oceânica superfície Interior Geostrófico Stress Turbulento (importante) Stress Turbulento (não-importante) base da termoclina permanente

28 Teoria de Ekman (1905) Observações de Nansen (1898) V vento velocidade iceberg V + F A + F C = 0 F A F C atrito força de Coriolis V = Cisalhamento do vento F A = Fricção (Atrito) F C = Força de Coriolis Adaptado de Stewart (2002)

29 Teoria de Ekman Espiral Ekman Approx. 30 m Correntes são observadas nas primeira dezenas de metros. São chamadas de Correntes de Ekman

30 Teoria de Ekman Espiral Ekman

31 Teoria de Ekman Espiral Ekman HN vento HN 45 0 V transporte de Ekman Adaptado de Brown et al (1995)

32 Teoria de Ekman Espiral Ekman HN vento HN 45 0 V transporte de Ekman 45 0 vento HS V 0 Adaptado de Brown et al (1995) transporte de Ekman 90 0

33 Teoria de Ekman Transporte ressurgência subsidência Fonte: Stewart (2002)

34 Teoria de Ekman Transporte 40 0 N Vento de Leste Vento de Oeste Ventos Westerlies Acúmulo de Água 20 0 N Ventos Alísios Transporte de Ekman Empilhamento de água no centro Giro Subtropical

35 Transporte Ekman e Geostrofia O efeito líquido do transporte de Ekman é produzir uma área de alta pressão, i.e., um empilhamento de águas relativamente quentes no centro do giro subtropical; O balaçoabaixoda Camada de Ekman envolve o equilíbrio entre a Força do Gradiente de Pressão e a rotação da Terra (Força de Coriolis) = Balanço Geostrófico.

36 Circulação gerada pelo vento: Os grandes Giros Oceânicos Corrente Quente CCA Corrente Fria CCA

37 Dinâmica Equatorial Circulação superficial: (forçada pelo vento e restrita a camada de mistura e topo da termoclina ) Zona de convergência intertropical não é exatamente no Equador 3 convergências 2 divergências empilhamento de água na parte oeste do oceano adaptado de Brown et al (1995)

38 Transporte de Ekman e ressurgência equatorial Parcela de Água Conservação de Volume divergência Equação da Continuidade

39 Dinâmica Equatorial Fcor Fgp Fgp Fcor HN HS adaptado de Brown et al (1995)

40 Transporte de Ekman e ressurgência costeira Hemisfério Norte: transporte a 90 0 e a direita da direção do vento Hemisfério Sul: transporte a 90 0 e a esquerda da direção do vento

41 Cortesia: M. Kampel (INPE-SJC) Teoria de Ekman Ressurgência Exemplo costa brasileira Frente térmica da Corrente do Brasil Ressurgência Cabo Frio (RJ) Vórtices ciclônicos (núcleo frio)

42 Teoria de Ekman - Ressurgência

43 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)

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

45 Circulação Termo-Halina Circulação termohalina: Correspondem a 80-90% do volume de água dos oceanos; As massas de água deslocam-se através das bacias oceânicas devido a gradientes de densidade e gravidade; A diferença de densidade ( gradiente de densidade ) é obtido em função das diferenças em temperatura, salinidade e pressão;

46 Circulação Termo-Halina Circulação termohalina: Nas regiões de altas latitudes, as massas d água perdem calor para a atmosfera e afundam devido ao aumento de densidade; Variações em escalas climáticas; Escala global.

47 Perfil Esquemático Vertical do Oceano Ventilação da Termoclina contato com a atmosfera contato com a atmosfera

48 Massas de Água É um corpo de água com uma história de formação comum e que tem sua origem em uma região específica do oceano. Massas de água são entidades físicas que possuem um volume mensurável, ocupando uma parcela finita no oceano. Na sua região de formação, elas ocupam uma parcela exclusiva de uma determinada parte do oceano. Em outras regiões, elas dividem o oceano com outras massas de água, com as quais se misturam. O volume total de uma massa de água é dado pela soma de todos os seus elementos, independente da sua localização.

49 Massas de Água A maioria das trocas de calor e água doce entre o oceano e a atmosfera ocorrem na camada superficial dos oceanos (até 150 m) Quando uma parcela de água é removida da camada superficial, sua temperatura e salinidade permanecem inalterados até que a mesma retorne a superfície No entanto, estes movimentos são lentos e a medição direta destes deslocamentos é difícil

50 Massas de Água O diagrama TS (O exemplo do Atlântico Sul) Água Superficial (até 200 m) Água Central (termoclina) Água Intermediária Água Profunda Água de Fundo

51 Fonte: Godoi (2005) Circulação e Massas d Água nas regiões S e SE do Brasil Água Tropical (AT) Água Central do Atlântico Sul (ACAS) Água Intermediária Antártica (AIA) Água Profunda do Atlântico Norte (APAN)

52 Hidrologia e Massas de Água Diagrama esquemático das massas de água segundo Sverdrup et al (1942)

53 Seção meridional através de um oceano hipotético, mostrando as termoclinas permanente, sazonal e tropical, as zonal de convergência/divergência e as massas de água. A importância dos trópicos não é apresentada aqui porque o gráfico não apresenta a convergência dos meridianos em direção aos pólos.

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55 Massas de Água As principais massas de água nos 3 oceanos: extraido de Tomczak (1996)

56 Água Profunda do Atlântico Norte A circulação termohalina descrita por Gordon (1986). As setas verdes representam o fluxo de NADW e AAIW. As setas vermelhas representam o fluxo da Água Central, que ocupa a termoclina.

57 Circulação Termo-Halina

58 Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) 1. Corrente do Golfo (e sua extensão, a Corrente do Atlântico Norte) carregam águas quentes e salinas para o Atlântico NE, aquecendo o oeste da Europa; 2. Parcela de água se resfria, misturando-se com águas frias oriundas do Oceano Ártico, tornando-se mais densa que afunda ao sul e a leste da Groenlândia; 3. Se diminuirmos a escala da figura ( zooming out ), veremos que esta corrente é parte de um grande sistema, conectando o Atlântico Norte O Atlântico Tropical... Circulação Termo-Halina

59 5.... O Atlântico Sul... Circulação Termo-Halina Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) os Oceanos Índico e Pacífico E o Oceano Austral. Afundamento de outras massas d água com elevada densidade ocorre nas proximidades da Antártica. 8. Se olharmos abaixo da superfície, massas de água de 2 fontes afundam e se espalham em sub-superfície atingindo praticamente todas as outras bacias oceânicas em profundidades superiores a 1000-m...

60 Circulação Termo-Halina Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) 10. Águas frias, densas gradualmente se aquecem e retornam a superfície (profundidades inferiores a 1000-m); 11. As correntes de superfície e sub-superfície, as regiões de subsidência ( afundamento ) e as regiões de retorno de massas d água formam um circuito fechado chamado de Circulação Termohalina ( Global Termohaline Conveyor Belt )

61 Circulação Termo-Halina

62 Considerações finais A distribuição de T, S e ρ é varia tanto em latitude como em longitude e é distinta nos 3 oceanos A circulação gerada pelo vento (principalmente associada aos giros subtropicais), apresenta uma forte simetria entre o HN e HS A circulação envolvendo os 1000 m do oceano é mais rápida, ocorre em escalas de bacias e medidas diretas podem ser usadas para a sua avaliação A circulação termohalina é lenta, ocorre em escala global e é geralmente estudada através do conceito de massas de água

63 Referências Bibliográficas Glossary of Meteorology (AMS Glossary): Introduction to Physical Oceanography: contents.html

64 Referências Bibliográficas 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.

65 Módulo 3: Oceanogr. Física: Aula 3: Circulação Oceânica: Merci!!!

66 Previsão Climática Alta Previsibilidade jul 06 aug sep oct nov dec jan07 Baixa Previsibilidade Média Previsibilidade jul 06 aug sep oct nov dec jan07 Exemplodaaltadispersãoe dificuldade em se prever o clima (precipitação) para a região SE do Brasil com um Modelo de Circulação Global Atmosférico (MCGA). jul 06 aug sep oct nov dec jan07

67 Limitações e conhecimentos das Previsões Regiões que tem uma forte conexão com os oceanos tropicais a previsão sazonal funciona melhor. Tanto com modelos estatísticos quanto dinâmicos Ex: Norte e NEB, Sul do Brasil, Nordeste da Argentina Regiões que não tem uma forte conexão com os oceanos a previsão sazonal ainda é um grande desafio. Ex: Sudeste do Brasil Papel do ATL Sudoeste no Clima do Brasil é ainda uma questão controversa! Tem impactos, porém não são claros como o ATL e PAC Tropical (El Niño, La Niña, Dipolo do ATL)