Meteorologia e Oceanografia

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1 INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFÍSICA E CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Meteorologia e Oceanografia Prof. Ricardo de Camargo Aula 1 - ACA Meteorologia Sinótica e Aplicações à Oceanografia

2 Meteorologia e Oceanografia Relações Básicas Dinâmica dos Fluidos Principais efeitos dos padrões atmosféricos no oceano

3 Relações Básicas

4 Contrastes de propriedades Densidade na superfície: 1,2 kg/m³ para o ar e 1025 kg/m³ para o oceano; Há uma interface bastante estável devido à intensidade da força restauradora, que é a gravidade; Em cada meio existe uma camada limite, junto à interface; As transferências de propriedades, como calor e momento, entre os meios ocorrem em uma superfície bem definida; A descontinuidade de densidade implica também em descontinuidades óticas, que tem grande impacto no balanço de radiação (absorção e emissão);

5 Contrastes de propriedades A massa do oceano é cerca de 270 vezes maior que a massa da atmosfera, o que significa que o peso de toda a coluna atmosférica acima de nós é equivalente a aproximadamente o peso de uma coluna de apenas 10 m de água; Esta diferença de massa implica em uma grande diferença na capacidade térmica, além do fato de que o calor específico da água é 4 vezes maior que o do ar; Uma camada de 2,5 m de água tem a mesma capacidade térmica por unidade de área que toda coluna atmosférica; Esta capacidade térmica do oceano tem extrema importância nas variações sazonais, uma vez que o excesso de calor recebido no verão é armazenado nas camadas superficiais (0-100m) e é devolvido para a atmosfera no inverno;

6 Contrastes de propriedades Assim, a temperatura superficial dos oceanos varia muito menos do que a dos continentes, que não conseguem armazenas calor;

7 Contrastes de propriedades Média sazonal da variação da amplitude da temperatura de superfície da Terra

8 Associações entre Atmosfera e Oceano Camada de mistura: limite entre os meios, na qual as propriedades estão quase homogeneizadas; Salinidade x Umidade: assim como existe o vapor d água dissolvido na atmosfera, existem sais dissolvidos na água do mar; A salinidade é uma característica de toda a coluna de água enquanto que a maior parte da umidade se restringe aos níveis baixos e médios da atmosfera; A umidade da atmosfera pode causar instabilidades mais intensas do que a salinidade no oceano.

9 Dimensões Atmosfera: horizontalmente contínua e limitada apenas por uma superfície inferior; altura média da troposfera: km extensão horizontal: km Oceano: horizontalmente limitado (bacias oceânicas de milhares de km) e também com limites superior e inferior; profundidade média dos oceanos: 4 km extensão horizontal (Pacífico): km Ambos podem ser considerados uma fina camada sobre a superfície da Terra

10 Ordem de Grandeza de ventos e correntes na interface Vento: média de 4-5 m/s, com valores máximos acima de 40 m/s em situações extremas; Correntes: média inferior a 1 m/s, com valores máximos de 3-4 m/s nas correntes de contorno oeste mais intensas.

11 Dinâmica dos Fluidos

12 Dinâmica dos Fluidos Fluidos com vórtices turbulentos; Importantes trocas de calor; Governados pelas mesmas leis da física: Força do Gradiente de Pressão; Força de Atrito; Força da Gravidade; Conservação de massa; Conservação de energia; e Conservação de momento angular.

13 Força de Coriolis Força inercial que se aplica a corpos que se movimentam sobre uma superfície em rotação. Aceleração de Coriolis: 2v Fictícia Não provoca aceleração Desvia o movimento

14 Força de Coriolis O efeito da rotação da Terra implica em tendências de giro para determinados movimentos, defletindo-os para a direita (esquerda) no Hemisfério Norte (Sul); Lembrar: movimentos ciclônicos são no mesmo sentido de rotação da Terra e anticiclônicos no sentido oposto (regra da mão direita)

15 Força Centrífuga Força aparente que se equilibra com a força centrípeta (real) F m ² cf r : velocidade angular do objeto.

16 Equilíbrio Hidrostático Equilíbrio entre a força de gravidade e do gradiente vertical de pressão. Dw Dt 1 p z g C F z Z Componente Vertical da Força de Atrito 0 Componente vertical da Força de Coriolis Em larga escala: p z g

17 Geostrofia Equilíbrio Geostrófico: Equilíbrio entre a Força de Coriolis e a Força do Gradiente Horizontal de Pressão f 0 v 1 p x f 0 u 1 p y Movimentos horizontais muito maiores do que os verticais Na atmosfera: movimentos acima da Camada Limite Planetária (CLP) No oceano: movimentos a mais de 100 m de profundidade e distantes 100 km da costa

18 Termo de Atrito Caso não-geostrófico fv 2 1 p u 1 p v A x v fu A z 2 y v z 2 2 Solução de Ekman nas condições de contorno: Na atmosfera: inferior (superfície); No oceano: superior e inferior.

19 Conservação de Massa Para a atmosfera (compressível): Para o oceano (incompressível): 0 1 z w y v x u Dt D 0 z w y v x u

20 Conservação de Calor e Sal Volume constante: Com precipitação (P), evaporação (E) e fluxo do rio (R): Sal não é removido nem depositado no mar: o o i i v v E P R v v i o o o o i o o S v S v

21 Conservação de Momento Angular Para escoamento barotrópico divergente: D Dt g h f 0 g v g x u g y h: espessura do fluido. f 2sen Dois processos que frequentemente dominam o balanço de vorticidade: criação de vorticidade pelo estreitamento do tubo de vorticidade; advecção horizontal de vorticidade absoluta.

22 Alta e Baixa Pressão Alta pressão Divergência Baixa pressão Convergência Alta pressão: Anticiclônica: Hemisfério Norte Horário Hemisfério Sul Anti-horário Baixa pressão: Ciclônica: Hemisfério Norte Anti-horário Hemisfério Sul Horário

23 Exemplo: Baixa Pressão Furacão Catarina: Hemisfério Sul Rotação no sentido horário. Furacão Katrina: Hemisfério Norte Rotação no sentido anti-horário.

24 Troca de Momento Camada Limite Planetária (CLP): Forças viscosas são válidas; Movimentos turbulentos origem mecânica e térmica. Mecânica: cisalhamento do vento; Térmica: aquecimento devido ao ciclo diurno. Camada Limite Oceânica (CLO): Interações dinâmicas de pequena escala entre oceano e atmosfera; Transferência de momento flutuações de pressão, velocidade e tensão produzidos pela onda.

25 Ondas e Momento Causas: astronômicas, sísmicas ou meteorológicas; Natureza mecânica: intensidade, persistência e pista de vento; Dependem dos fenômenos meteorológicos: mesoescala e escala Sinótica; Dissipação de ondas: o quebra de onda devido ao vento (whitecapping); o interação com o fundo; o quebra de onda devido ao próprio fluido.

26 Em termos energéticos, distúrbios causados pelo vento são dominantes.

27 Correntes e Momento Ondas em altas frequências podem bloquear ou quebrar, se propagadas contra fortes correntes (estuários); Correntes fortes maior interação onda/corrente variações de frequência absoluta, número de onda e amplitude; Modelos de camada de mistura oceânica todo o fluxo de momento da atmosfera é transferido para as correntes; Ondas curtas retornam momentos quase localmente; Ondas longas carregam suas dissipações para longas distâncias.

28 Transporte de Ekman Transferência de tensão de camadas superiores para inferiores: geração de correntes, por efeito da tensão de cisalhamento do vento (atrito) Desvio na direção de acordo com a Força de Coriolis: Hemisfério Norte: desvio das águas para a direita. Hemisfério Sul: desvio para a esquerda. Espiral de Ekman, no Hemisfério Norte.

29 Efeitos do Padrão Atmosféricos no Oceano

30 Temperatura e salinidade nos oceanos A distribuição de temperatura e salinidade na superfície dos oceanos é resultado dos diversos processos de interação entre o oceano e a atmosfera: balanço de calor, evaporação, precipitação e também da circulação de superfície. Temperatura Comportamento zonal das isotermas TSM 12/Fev/2009 TSM 11/Ago/2009

31 Temperatura e salinidade nos oceanos Salinidade Balanço entre precipitação e evaporação

32 Temperatura e salinidade nos oceanos Salinidade Menores valores: Costa descargas fluviais; Polos derretimento de gelo Maiores valores: Regiões dos Anticiclones pouca precipitação; Regiões com alta evaporação Salinidade Superficial 12/Fev/2009 Salinidade Superficial 11/Ago/2009

33 Circulação Oceânica Global Existem dois tipos de movimento responsáveis pelas correntes oceânicas: Diferença de densidade: função da temperatura e salinidade Circulação Termohalina. Vento: efeito em águas superficiais Circulação superficial: Giros Oceânicos

34 Circulação Termohalina Fonte:

35 Circulação Termohalina Águas mais densas afundam, enquanto águas menos densas tendem a submergir; Importante mecanismo de transporte de calor através do Globo; Pequenas alterações da Circulação Termohalina estão relacionas a grandes mudanças no clima da Terra. Liberação de Calor para a Atmosfera Liberação de Calor para a Atmosfera Fonte:

36 Circulação devido ao vento Os alíseos de leste na região equatorial e vento de oeste nos subtrópicos induzem grandes giros de superfície nos oceanos tropicais;

37 Circulação devido ao vento

38 Padrão de vento na superfície

39 Circulação devido ao vento Nas latitudes mais altas, as correntes e giros subtropicais nos oceanos são também gerados por ação do vento, porém possuem uma forte componente termohalina

40 Ressurgência e Subsidência Desvio da Convergência/Divergência Bombeamento Corrente Horizontal Vertical Oceano aberto; Costa oeste dos continentes; Região Equatorial

41 Ressurgência e Subsidência Desvio da Convergência/Divergência Bombeamento Corrente Horizontal Vertical Oceano aberto; Costa oeste dos continentes; Região Equatorial

42 Ressurgência e Subsidência Oceano aberto

43 Ressurgência e Subsidência Ressurgência Costeira Quando há remoção de água da região costeira em direção ao mar aberto, ocorre o fenômeno conhecido por ressurgência costeira, que é o afloramento de águas subsuperficiais, por tanto, mais frias. Exemplos: Costa do Peru, Costa da Califórnia, Bacia de Santos em maior escala e Cabo Frio-RJ em escala local. obs: o fato de haver águas mais frias junto à costa pode implicar em uma intensificação da célula de brisa marítima (gerada pelo contraste térmico entre o continente e o oceano)

44 Ressurgência e Subsidência Subsidência Costeira Por outro lado, pode haver o acúmulo de água na costa, o que causa subsidência costeira e também grandes inundações por aumento do nível médio do mar, conhecidas como marés meteorológicas; Estes aumentos não podem ser previstos com antecedência maior do que alguns dias (tábuas de marés, por exemplo, não incluem este fenômeno); Quando associados a condições meteorológicas extremas, podem ter graves consequências (Índia, por exemplo) e forte poder erosivo em regiões costeiras de caráter sedimentar (costa sul-sudeste do Brasil)

45 Brisa Marinha & Terrestre Circulação termicamente induzida; Causada pela diferença na capacidade térmica da terra e do mar: aquecimento diferencial.

46 Brisa Marinha & Terrestre Circulação termicamente induzida; Causada pela diferença na capacidade térmica da terra e do mar: aquecimento diferencial.