Circulação Termohalina

Transcrição

1 Circulação Abissal Olga T. Sato, Ph.D. Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 1 / 45

2 Roteiro 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 2 / 45

3 Leitura requisitada Stewart (online): capítulos 13 Open University - Ocean Circulation: Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 3 / 45

4 Roteiro Circulação Termohalina Motivação 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 4 / 45

5 Motivação Temperatura e salinidade Aquecimento e resfriamento mudam a distribuição de temperatura nos oceanos. Evaporação, precipitação, descarga de rios e formação de gelo mudam a salinidade. Juntos são conhecidos como as forçantes termohalinas. Processos termohalinos são responsáveis pela estratificação dos oceanos: 1 Estrutura das camadas superiores (excluindo se os efeito do vento). 2 Picnoclina, termoclina e haloclina; 3 Propriedades abissais; Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 5 / 45

6 Motivação Quão fundo vai a influência da superfície? A mais potente fonte de energia (geradora de movimentos) dos oceanos é o vento: Domina a circulação dos oceanos superiores. Seu efeito pode ser sentido até o fundo nas correntes mais forte como a Corrente do Golfo e a Circumpolar Antártica; Para a maior parte dos oceanos, o efeito da circulação devido ao vento só atinge até profundidades médias. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 6 / 45

7 Motivação Circulação profunda Diversos nomes tem sido utilizados para descrever a circulação do fundo dos oceanos: 1 Circulação Abissal; 2 Circulação termohalina: termo muito utilizado anteriormente; 3 Circulação de Revolvimento Meridional: termo mais utilizado atualmente. Fluxo mostrado em função da profundidade e latitude. 4 Circulação global ( conveyor belt ); Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 7 / 45

8 Motivação Importância da Circulação profunda A circulação do fundo dos oceanos carregam águas de altas latitudes no inverno para baixas latitudes em todo o mundo. 1 Contraste entre água fria no fundo e quente na superfície geram estratificação nos oceanos. Isso influencia a dinâmica dos oceanos; 2 O volume de água do fundo dos oceanos é muito maior que o volume da superfície. Embora as correntes no fundo são relativamente fracas, o transporte no fundo é comparável ao da superfície; 3 O fluxo de calor e de outras variáveis transportadas pelas correntes de fundo influenciam o balanço de calor e o clima. Os fluxos podem variar de décadas a séculos e milênio e essa variabilidade podem modular o clima nessas escalas de tempo. 4 Os oceanos podem ser a principal causa da variabilidade em escalas de tempo de anos a décadas e pode ter ajudado a modular o clima da última era glacial. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 8 / 45

9 Motivação Conexão com o Clima Aspectos importantes que estão ligados à circulação de fundo e o clima: CO 2 dissolve melhor na água fria do que água morna. 1 Oceanos são o reservatório principal de CO 2 disponível. 2 Oceano: 40,000 GtC; continentes: 2,200GtC; atmosfera: 750 GtC. Oceanos armazena 50 vezes mais carbono que o ar; Habilidade das correntes de fundo modularem o transporte de calor dos trópicos para altas latitudes; Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 9 / 45

10 Motivação O que é a circulação termohalina? A circulação predominantemente horizontal é forçada pelo vento e é da ordem de 0,1 a 1 m/s. A circulação termohalina é da ordem de 1 cm/s e leva séculos para redistribuir o calor no planeta. Sua dinâmica é baseada no empuxo causado por variações decadais/seculares de densidade fluxo de sal e calor. As velocidades verticais são pequenas, mas muito importantes neste caso. 1 kg de água armazena 4000 vezes mais calor que 1 kg de ar. 2.5 m de oceano armazenam tanto calor quanto a atmosfera toda. A circulação termohalina pode ter mais de um estado estável. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 10 / 45

11 Motivação Circulação Abissal Categoria genérica de correntes no fundo dos oceanos. Teorias sobre a formação da circulação abissal foram retomadas por H. Stommel, na década de Isso aqueceu o interesse da comunidade gerando séries estudos que ficaram conhecidas como a Circulação do Revolvimento Meridional ou a Circulação Termohalina; Estudos originais são de 1800s e começo de 1900s por pesquisadores alemães, ingleses e noruegueses. Termohalina se refere a toda circulação que não é gerada pelo vento; Difusividade turbulenta é o principal aspecto da circulação termohalina pois requer que águas mais densas (frias) retornem à sua origem na superfície como águas menos densas. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 11 / 45

12 Motivação Circulação geral dos oceanos em camadas Fonte: Rahmstorf (2002), Nature Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 12 / 45

13 Motivação Circulação termohalina (CTH) Elementos importantes da CTH: Formação de água de fundo: afundamento de água devido à convecção (processo vertical). Advecção das águas de fundo: 1 Água de Fundo do Atlântico Norte (NADW); 2 Água Profunda da Antártica (AABW); 3 Através das correntes de fundo de contorno oeste (DWBC). Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 13 / 45

14 Motivação Circulação termohalina (CTH) (cont.) Elementos importantes da CTH: Ascensão das água de fundo: difícil de observar. Possivelmente ocorre na região da Corrente Circumpolar Antártica com o auxílio do vento (divergência de Ekman); Correntes próximas à superfície fechando a circulação. O fluxo de sub superfície que compensa a Água de Fundo do Atlântico Norte (NADW); 1 Corrente de Benguela desde o Sul da África; 2 Corrente do Golfo; 3 Corrente do Atlântico Norte. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 14 / 45

15 Motivação Analogia com a atmosfera Atmosfera Oceano A energia do sol é absorvida pelo solo que aquece o ar adjacente e gera um movimento ascendente. Cúmulos que se desenvolvem num dia de verão revelam onde ocorrem os fluxos ascendentes. Numa escala global, os oceanos tropicais e continentes são muito mais quentes que as regiões polares, então, o ar sobe nos trópicos e afunda em altas latitudes. A descida do ar em altas latitudes é facilitada pela radiação que nessa região é para fora do planeta. A CTH é oposta e diferente da atmosfera; Esfriamento ocorre na superfície do oceano e em altas latitudes que faz com que a água afunde por convecção; Esta água deve subir de novo em baixas latitudes. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 15 / 45

16 Processos termohalinos Motivação As equações utilizadas para determinar as variações da densidade devido aos processos termohalinos são: T t S t + u T x + v T y Q H + ρc p x (K H + u S x + v S y Q S + x (K H + w T z = (1) T x ) + y (K T H y ) + z (K T V z ) + w S z = S x ) + y (K H S y ) + z (K S V z ) onde Q H é a fonte de calor (+ para aquecimento), C p é o calor específico da água do mar, Q S é a fonte de salinidade (+ para evaporação e rejeição de sal e - para precipitação e descarga), K H e K V são os coeficientes horizontal e vertical das difusividades turbulentas. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 16 / 45

17 Convecção Circulação Termohalina Motivação Movimento vertical quando a água da superfície se torna mais densa e afunda. Ocorre em várias escalas de tempo: 1 Diurna: convecção ocorre à noite em áreas onde a superfície se torna muito estratificada durante o dia - geralmente em condições de muito aquecimento e pouco vento; 2 Anual: esfriamento começa no outono e continua até a primavera gerando a convecção cujo efeito cumulativo faz com que a densidade e profundidade máxima sejam sentidas no fim do inverno: camada de mistura; Excesso de evaporação pode gerar convecção mas a perda de calor latente associada à evaporação é dominante. Convecção durante o inverno que chega até 200 m geram massas d água conhecidas como águas modais: são camadas grossas de água isoladas da superfície que afundam. Normalmente são encontradas no lado mais quente de correntes fortes. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 17 / 45

18 Difusão Circulação Termohalina Motivação Como não existe uma fonte significativa de calor nos oceanos, a água de fundo somente consegue retornar à superfície como resultado da mistura do calor da superfície para as camadas inferiores: difusividade turbulenta. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 18 / 45

19 Roteiro Circulação Termohalina Principais Teorias 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 19 / 45

20 Principais Teorias Duas maneiras de ver o problema Difusiva ou diabática (Robinson & Stommel 1959, Salmon 1990) Ventilada ou adiabática (Welander 1959, Luyten, Pedlosky & Stommel 1983) Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 20 / 45

21 Roteiro Circulação Termohalina Difusiva 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 21 / 45

22 Difusiva A Visão de Henry Stommel Há apenas duas pequenas regiões de formação de água de fundo, ambas no Atlântico, a do norte é mais ativa. Esta água sobe lentamente, a ascenção é balanceada pelo aquecimento da camada superior. Sem difusão a termoclina seria um salto de temperatura, diferente do que é observado. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 22 / 45

23 Difusiva Experimento de Stommel e Arons (1962) Fluxo para o sul de águas mais densas pelo fundo da corrente de borda oeste; Movimento ascendente em toda bacia; Isso causa estiramento do tubo de vórtice que move o fluxo para maiores valores de f, para os pólos, para conservar vorticidade potencial. A conexão entre a fonte de água fria e o interior do oceano, com fluxo para os pólos, é a corrente de borda oeste de fundo. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 23 / 45

24 Difusiva Corrente de Contorno de Oeste de Fundo Comprovação através de observações; Formada por processos de convecção no norte do Atlântico Norte; Corrente mais salgada no lado oeste do Atlântico Sul. Note também a Água de Fundo da Antártica que é mais doce e flui para o norte. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 24 / 45

25 Difusiva Evidências da circulação abissal CFC - Cloro-Fluor-Carbono Substância feita pelo homem que só surgiu no século 20; Concentração atmosférica de CFC-11 aumentou dramaticamente nos meados do século passado que dissolveu se na superfície da água (1960s); CFC mistura por convecção em altas latitudes e advectado pelas correntes de fundo; CFC em 2000m. Simulação em vermelho mostra a distribuição de CFC. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 25 / 45

26 Circulação Termohalina Difusiva Circulação Abissal Sem estiramento ou movimentos verticais, então as colunas devem se mover zonalmente para conservar vorticidade potencial. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 26 / 45

27 Difusiva A Termoclina Difusiva, Diabática Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 27 / 45

28 Roteiro Circulação Termohalina Ventilada 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 28 / 45

29 Ventilada A Termoclina Ventilada, Adiabática Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 29 / 45

30 Ventilada A termoclina aflora na borda do giro subtropical Esqueminha é do hemisfério sul. A termoclina chega à superfície na borda dos giros subtropicais. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 30 / 45

31 Roteiro Circulação Termohalina O Oscilador de Stommel (1961) 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 31 / 45

32 Mais simples não pode ser Circulação Termohalina O Oscilador de Stommel (1961) Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 32 / 45

33 O Oscilador de Stommel (1961) A circulação termohalina pode variar Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 33 / 45

34 Roteiro Circulação Termohalina Observações 1 Circulação Termohalina Motivação Principais Teorias Difusiva Ventilada O Oscilador de Stommel (1961) Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 34 / 45

35 Observações Seção vertical do Atlântico 1 Núcleo de baixa salinidade a 1000 m em 55 S: Água Intermediária da Antártica (AIA); 2 Abaixo da AIA: Água Profunda do Atlântico Norte; 3 Água de Fundo da Antártica; Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 35 / 45

36 Observações Formação de Massas d água profunda e do fundo Água de Fundo da Antártica (AFA): muito fria, rica em oxigênio. Água Profunda do Atlântico Norte (APAN): alta salinidade, rica em oxigênio. Água de alta densidade. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 36 / 45

37 Correntes de Fundo Circulação Termohalina Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 37 / 45

38 Correntes de Fundo Circulação Termohalina Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 38 / 45

39 Observações Água Profunda do Atlântico Norte Cinco fontes: 1 Entrada: Camadas superiores do Atlântico Norte, desde a Corrente do Golfo até o giro subpolar, incluindo a Água Intermediária da Antártica e água de superfície do oceano Índico; 2 Entrada: Água de Fundo da Antártica; 3 Saída: Evaporada, e advectada das águas do Mediterrâneo; 4 Saída: Convecção em profundidades intermediárias no Mar do Labrador 5 Saída: Convecção de profundidade intermediárias no mar da Groenlândia. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 39 / 45

40 Fontes da água de fundo Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 40 / 45

41 Água do Mar do Labrador Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 41 / 45

42 Variações de longo termo Observações Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 42 / 45

43 Circulação Termohalina Observações Corrente de Fundo do Atlântico Norte Primeiras observações da Corrente de Fundo por Swallow e Worthington seguindo as indicações teóricas de Stommel. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 43 / 45

44 Traçadores Circulação Termohalina Observações Utilizados no mapeamento do caminho de uma determinada água do mar. 1 Salinidade, propriedade conservativa; 2 Oxigênio: conserva parcialmente (reduz por respiração e oxidação do carbono orgânico. 3 Silicato: se conserva abaixo da zona eufótica; 4 Fosfato, utilizado por todos os organismos marinhos e fornece informações adicionais. 5 3 He, se conserva mas gerado em poucos pontos: vulcões profundos e fontes quentes; 6 3 H (trítio), produzido por testes atômicos na atmosfera na década de 1950s. Entra na circulação através da camada de mistura. Tem uma meia-vida de 12,3 anos. 7 Fluor carbono (gas usado em A/C). 8 Hexafluoreto de Enxofre (SF 6 ), injetado na água do mar, sua concentração pode ser medida por meses. Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 44 / 45

45 Observações Obrigada! Olga T. Sato (IOUSP) Circulação Termohalina 45 / 45