ESTRATIFICAÇÃO E ESTABILIDADE NO OCEANO

Transcrição

1 Se uma massa de água mais densa está por cima de uma menos densa há instabilidade e ocorre afundamento da água mais densa. Na situação inversa, massa de água menos densa sobre uma mais densa, a interface de separação entre as duas encontra-se numa situação de estabilidade, que é tanto maior quanto maior for a diferença de densidades através da interface. A Estabilidade Estática é importante no escoamento de um fluido estratificado em que aumenta com a profundidade. Como critério para determinar a importância da estabilidade pode-se usar o parâmetro de estabilidade, dado pela Equação de Estabilidade (válida para E>50x10-8 m -1 ) 1 d E dz Então, a estabilidade é definida de tal forma que E>0, situação estável, E=0, estabilidade neutra, E<0, situação instável.

2 O uso da densidade in situ não é completamente correto porque: - A densidade da partícula (volume controle) isolada varia conforme ela expande ou contrai ao subir e ao descer. - Contudo, a partícula vai expandir-se um pouco menos quando sobe e contrair-se um pouco menos quando desce do que seria de esperar devido à compressibilidade que provoca a subida da temperatura da partícula, e por isso uma expansão, à medida que a partícula desce, e provoca a descida da temperatura da partícula, e por isso uma contracção, à medida que a partícula sobe. Assim, o gradiente de densidade eficaz para determinar a estabilidade estática será utilizando a densidade potencial ρ ϴ (podia ser sigma-t potencial, é o mesmo!), pois esta é uma função de S e ϴ, mas não da pressão! Uma expressão equivalente é: 1 d g E dz C Onde g é a aceleração da gravidade e C a velocidade do som in situ. A adição do novo termo entra em linha de conta com a compressibilidade da água do mar na definição da estabilidade estática 2

3 Quanto mais horizontal for a isopícnica potencial mais difícil será quebrar a estabilidade. No processo A o trabalho realizado sobre a partícula de água é menor do que no processo B, pois como o oceano é mais estável quanto mais horizontais forem as isopícnicas Consideremos o processo adiabático. Quando a partícula de água é deslocada para cima é mais pesada que a água circundante e as buoyont forces (forças de impulsão) tendem a puxa-la para baixo. Quando é deslocada para baixo, é mais leve e as forças tendem a puxar para cima, para a sua posição de equilíbrio. Para mover a partícula da posição de equilíbrio é necessário realizar trabalho, que será tanto maior quanto maior for o gradiente de densidade. Para o mesmo deslocamento vertical, é necessário mais trabalho se a isopícnica potencial estiver mais na horizontal.

4 A importância da estratificação

5 A influência da estabilidade é expressa através de uma frequência de estabilidade, N, designada por Frequência de Brunt-Väisälä ou Frequência de Estratificação, N 2 ge N ge ( ciclos / segundo, Hz) e o período é: T N 2 / Como a Frequência de Brunt-Väisälä quantifica a importância da estabilidade, é uma variável fundamental em Dinâmica de Escoamentos com estratificação. A Frequência de Brunt-Väisälä pode ser interpretada como a frequência do movimento vertical sentido por uma parcela de fluido que é deslocada da sua posição de equilíbrio através de uma excitação correspondente a um deslocamento vertical a Frequência de Brunt-Väisälä é a frequência máxima das ondas internas no Oceano e apresenta valores típicos de alguns ciclos/hora. N

6 Os períodos mais pequenos observados no oceano andam à volta de um minuto, o que corresponde a uma estabilidade de E = 10-3 /m. No oceano profundo, onde a estabilidade é da ordem de 10-7 a 10 8 /m, o período de Brunt-Väisälä é da ordem de 3 a 5 horas. Em regiões onde o oceano tenha estabilidade neutra (regiões com ρ ϴ constante), o período é infinito! - A frequência é maior quanto mais horizontal é a isopícnica da densidade, isto é, quanto mais estável for o oceano maior é a frequência de Brunt-Väisälä. - Num oceano com isopícnicas mais afastadas (menos estratificado mais bem mistutrado) o mesmo deslocamento provoca menor diferença entre a densidade da partícula e a densidade do da vizinhança do que num oceano onde as isopícnicas estejam mais apertadas (mais estratificado). Inversamente, num oceano com isopícnicas mais apertadas o mesmo deslocamento provoca maior diferença entre a densidade da partícula e da vizinhança, logo as forças de impulsão também são maiores.

7 Implicação da estratificação do oceano: Mistura vertical: quanto mais estratificado for um oceano, mais trabalho é necessário para o misturar. Logo, quanto menos estratificado (ou seja, mas bem misturado) for um oceano, maior a sua energia potencial. Os ventos misturam a camada superficial do oceano, formando a camada de mistura - mixed layer: É necessário muito mais energia para misturar uma termoclina pronunciada (à superfície) do que o oceano profundo, pouco estratificado. Quanto mais pronunciada for a picnoclina do oceano maior terá de ser a energia cinética do vento para que haja a mistura de águas. Mistura horizontal: a mistura ao longo das isopícnicas é muito mais fácil que perpendicularmente às isopícnicas (num factor de 10 8 ). É necessário pouco trabalho para misturar ao longo das linhas de igual densidade. As isopícnicas são, em geral, quase horizontais no oceano aberto. Logo, a mistura horizontal é muito mais fácil que a mistura vertical no oceano, por consideração de ordem energética.

8 (a) Potential density and (b) Brunt-Väisälä frequency (cycles/h) and period (minutes) for a profile in the western North Pacific.

9 Frequência de estratificação observada no Oceano Pacífico. Esquerda: estabilidade da termoclina profunda, a leste da corrente de Kuroshio. Direita: estabilidade da termoclina superficial, característica das regiões tropicais. Repare-se nas diferenças de escalas.