3 ESTRATIFICAÇÃO E ESTABILIDADE NO OCEANO E SUAS IMPLICAÇÕES

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1 3 ESTRATIFICAÇÃO E ESTABILIDADE NO OCEANO E SUAS IMPLICAÇÕES A densidade de um volume de controle de do mar é determinado pela sua temperatura, salinidade e pressão a que está sujeita. Para alguns fins é possível ignorar essas pequenas variações na densidade e assumir o oceano como homogéneo (75% do oceano se não considerarmos a compressão tem a densidade entre 1026,4 e 1028,1 Kg/m 2 ). Mas para outros fins estas variações são muito importantes. Para se determinar a densidade com precisão é necessário um trabalho cuidado e difícil de laboratório, o que não pode ser, em geral, feito a bordo de um navio. Assim, calcula-se a densidade recorrendo a valores observando a temperatura, salinidade e pressão, utilizando a equação de estado da do mar. um Oceano estratificado corresponde a um aumento da densidade em. Poderá a variação da densidade com a causar movimento vertical da? Se existir um fluido mais leve por cima de um outro fluido mais pesado não haverá a tendência para o movimento vertical. Se o mais pesado estiver sobre o mais leve há tendência para que o mais pesado afunde e o mais leve suba: a distribuição de densidade é instável. Temos pois que examinar o gradiente vertical da densidade para determinar se o fluído () é estável (resiste ao movimento vertical), se é neutro (não oferece resistência ao movimento vertical) ou se é instável (tem tendência para se mover verticalmente). Em notação: < 0 estável > 0 instável valores de Z para cima! = 0 neutro Quando consideramos a distribuição de densidade e a sua relação com a estabilidade, não podemos esquecer a compressibilidade e as trocas de calor com a vizinhança do volume de controle. O conceito de temperatura potencial, permite-nos não considerar as trocas de calor com a vizinhança. Vejamos como: O conceito de é uma consequência da 1ª Lei da Termodinâmica Lei da Conservação da Energia: int = Q + W Conceito da O nosso sistema é o volume de controle. Se assumirmos que não há trocas de calor com a vizinhança (ou seja, o processo é adiabático) a variação de energia interna é igual ao trabalho realizado sobre o volume de controle. Uma vez que a do mar é ligeiramente compressível, é realizado trabalho a comprimir a à medida que ela afunda e a pressão aumenta. De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica, vai dar-se um aumento da energia interna no volume de controle, ou seja, vai observar-se um aumento de temperatura, que é uma medida da energia interna. O inverso também é verdadeiro, quando se dá uma subida do nosso volume de controle: a pressão diminui, a expande-se e a temperatura baixa (a expande-se o trabalho é realizado pelo volume de controle).

2 EXEMPLO: balão Considera-se uns quantos litros de num balão perfeitamente elástico e isolado, a uma de m e com uma temperaturaa in situ dee 1,00ºC e uma salinidade de 35psu. Suponhamos que elee sobe atéé à superfície e que a subida é feita de forma perfeitamente isolada da vizinha (ouu seja, não há trocas de d calor pelas paredes do balão e por isso o processo é adiabático). A porção de expande-se à medida que a pressão diminuii e a sua temperatura à superfície não será 1,00ºC, mas sim 0,58ºC. Dizemos então que a temperatura potencial da porção de é 0,58ºC. Analogamentee também podemos dizer que uma cuja temperatura à superfície seja 0,58ºC terá uma temperatura de 1,00ºC se for levada de forma adiabática até m de. Se calcularmos a densidade, não com a temperaturaa in situ, mas com a temperatura potencial temos a densidadee potencial. Quando falamos de densidade estamos a falar, obviamente de sigma-t. A densidade potencial, será pois a densidade que terá uma quando é trazida à superfície através de um processo adiabático. Questão a discutir: devido á compressão, a temperatura do Oceano aumenta em. No entanto não é isso que se verifica! Porquê? De qualquer maneira, em regiões profundas e em quase todo o Oceano Pacífico a é isotérmica relativamente à temperatura potencial. Define-snormalizada (daí o factor 1/, para normalizar na densidade!): estabilidade estática E, como a taxaa de crescimento da densidade com Z, 1 A estabilidade estática é uma medida do trabalho que é necessário realizar para mover uma partícula de para cima ou para baixoo na coluna de. EXEMPLO: partícula de - Quanto mais horizontal for a estabilidadee do oceano. isopícnica potencial mais difícil será quebrar a - Logo, no processo A o trabalho realizado sobre a partícula de a é menor do que no processo B, pois como o oceanoo é mais estável quanto mais horizontais forem as isopícnicas mais difícil será quebrar a estabilidade. Para quebrar esse equilíbrio será necessário realizar um maior trabalho. Partícula de Isopícnicaa potencial Partícula de Posição de equilíbrio Posiçãoo de equilíbrio A B

3 Consideremos o processo adiabático. Quando a partículaa de é deslocada para cima é mais pesada que a 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 posiçãoo 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 i potencial estiver mais na n horizontal. No entanto, é errado usar a densidade in situ para calcular estes trabalhos 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 issoo uma expansão, à medida que a partícula desce, e provoca a descida da temperatura a da partícula, e por isso uma contracção, à medida que a partícula sobe. Assim, o gradientee de densidade eficaz para determinar a estabilidade estática será: 1 z onde é a densidade potencial (podia ser sigma-t, é o mesmo!) ) e é uma função de S e, mas não da pressão! Contudo, uma vez que a compressibilidade varia com a temperatura, a equação escrita acima, não é exacta. Mostra-se que uma formulação exacta é: 1 - z g _ c 2 onde é a densidade in situ, g a gravidade e c a velocidade do som na. Que é função da temperatura, densidade e pressão. Em oceanografia usa-se muito uma outraa medida da estabilidade estática que é a frequência de Brunt Väisälä (N). Em referência à figura que esquematiza a a subida e a descida de uma partícula de ao longo de uma coluna de figura abaixo esquematizada verificamos que as forças de impulsão, na ausência de atrito, são proporcionais à distância da posição de equilíbrio e restauram o movimento. Estas são equivalentes às forças que controlam c o movimento de um oscilador harmónico simples, tal como um pêndulo ou uma mola. Quantoo maior o gradiente de densidade maiores serão as forças de impulsão e mais pequeno será o período de oscilação. Isopícnica Partícula de potencial Partícula de Posição P de equilíbrioe Posição de equilíbrioo

4 tempo tempo C Referente a A D Referente a B A frequência e o período de oscilação são dados por: N = (g E) ½ T N = 2 N Onde N é a frequência de Brunt-Väisälä. Os períodos mais pequenos observados no oceano andam à volta de um minuto, o que corresponde a uma estabilidade de 10-3 /m. No oceano profundo, onde a estabilidade é da ordem de 10-7 a 10 8 /0, o período de Brunt-Väisälä é da ordem de 3 a 5 horas. Em regiões onde o oceano tenha estabilidade neutra (regiões com 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 o mesmo deslocamento provoca menor diferença entre a densidade da partícula e a densidade do oceano, onde as isopícnicas estejam mais apertadas; num oceano com isopícnicas mais apertadas o mesmo deslocamento provoca maior diferença entre a densidade da partícula e do oceano, logo as forças de impulsão também são maiores. 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: Energia cinética vento realização de trabalho energia potencial oceano superficial 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 s.

5 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.