Fundamentos de Oceanografia Física

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1 Fundamentos de Oceanografia Física Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Laboratório de Dinâmica Oceânica Departamento de Oceanografia Física, Química e Geológica Instituto Oceanográfico Universidade de São Paulo Fevereiro/2010 Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 1

2 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Diagrama Esquemático: ar/mar/fundo oceânico (Miranda, 1998) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 2

3 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Radiação Solar (Dera, 1992) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 3

4 Oceanografia Fı sica O Oceano como um fluido geofı sico Elementos de Ana lise de Escala Sistema Corrente do Brasil Refere ncias B Oceanografia Fı sica Descritiva x Oceanografia Dina mica Propriedades Fı sico-quı micas da A gua do Mar Temperatura da Superfı cie do Mar Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br (The Open University, 1993) Fundamentos de Oceanografia Fı sica 4

5 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Salinidade da Superfície do Mar (The Open University, 1993) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 5

6 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Seção Vertical de Temperatura (The Open University, 1993) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 6

7 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Seção Vertical de Temperatura in situ e Potencial (The Open University, 1993) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 7

8 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Seção Vertical de Salinidade (The Open University, 1993) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 8

9 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Distribuição Horizontal: Massa de Água Central (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 9

10 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Distribuição Horizontal: Massa de Água Intermediária (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 10

11 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Distribuição Horizontal: Massas de Água Profunda e de Fundo (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 11

12 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Os Movimentos do Oceano/Noções sobre Circulação Média do Oceano Sistema de Correntes de Superfície (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 12

13 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Sistema de Correntes de Superfície (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 13

14 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Circulação Thermohalina (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 14

15 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Circulação Thermohalina (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 15

16 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Diagramas de Estado T-S (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 16

17 Oceanografia Física Descritiva x Oceanografia Dinâmica Diagramas de Estado T-S (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 17

18 O Oceano como um fluido geofísico O presente tópico é baseado em Silveira (2000). Sólidos e Fluidos Definição Um elemento sólido, quando submetido à uma força externa, tem um formato preferencial que tende a retornar quando da remoção das forças atuantes. Um elemento fluido não possui nenhum formato preferencial e irá se deformar continuamente ante a aplicação de uma força externa. Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 18

19 O Oceano como um Fluido Geofísico Sólidos e Fluidos (Kundu, 1990) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 19

20 O Oceano como um Fluido Geofísico Geofísica pode ser definida como a ciência que estuda a física das esferas que compõem o planeta Terra: atmosfera hidrosfera litosfera (The Open University, 1995) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 20

21 O Oceano como um Fluido Geofísico Como caracterizar o oceano como um fluido geofísico? raso, estratificado e em rotação Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 21

22 O Oceano como um Fluido Geofísico Geometria: razão de aspecto Em uma banheira: H b = profundidade da banheira L b = largura ou comprimento da banheira H b L b = 0,5m 1,5m = 0,33 Razão de aspecto = 1:3 No oceano: H o = profundidade média do oceano L o = dimensão horizontal do oceano = m m = Razão de aspecto = 1:1000 Ho L o Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 22

23 O Oceano como um Fluido Geofísico Considerações: Supondo L o igual a L b, então H o = 1,5 mm! O modelo para o oceano seria uma folha de papel e não uma banheira! A razão de aspecto entre: = 0, onde, a - raio da Terra É outra razão importante! Ho a = m m Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 23

24 O Oceano como um Fluido Geofísico Estratificação: estrutura de densidade (ρ) Em uma banheira: a água tem uma uma estrutura de densidade homogênea Perfil Vertical de Densidade:água pura Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 24

25 O Oceano como um Fluido Geofísico No oceano: a água é mais densa em maiores profundidades Perfil Vertical de Densidade Convencional: água do mar (The Open University, 1993) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 25

26 O Oceano como um Fluido Geofísico Rotação: A rotação da Terra em torno de seu eixo conduz ao chamado efeito de Coriolis No hemisfério Norte, objetos em movimento tendem a ser defletidos para a direita da direção de sua trajetória. No hemisfério Sul, objetos em movimento tendem a ser defletidos para a esquerda da direção de sua trajetória. O efeito é mais acentuado nos pólos, e decai para zero em direção ao equador Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 26

27 O Oceano como um Fluido Geofísico Visualização: imagine um projétil disparado do Pólo Norte em direção à New York: Visto do Espaço Se o observador encontra-se fixo à esfera em rotação, o projétil parecerá ter guinado em direção à oeste. Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 27

28 Elementos de Análise de Escala Mas, a banheira gira? Dimensões Físicas e Unidades As leis fundamentais que governam os movimentos nos oceanos satisfazem ao princípio da homogeneidade dimensional. Todos os termos em equações que expressam as leis físicas têm a mesma dimensão. Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 28

29 Elementos de Análise de Escala Tais dimensões podem ser expressas em termos múltiplos e razões de quatro propriedades dimensionalmente independentes. 1 Comprimento - [L] metro, m 2 Massa - [M] quilograma, kg 3 Tempo - [T] segundos, s 4 Temperatura [K], graus Kelvin, K ou Celsius, o C Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 29

30 Elementos de Análise de Escala A análise de escalas permite a estimativa de cada termo que compõe as equações hidrodinâmicas, que são equações diferenciais parciais sem soluções gerais conhecidas. Como no oceano é mais fácil estimar uma escala de velocidade do que a de tempo, as escalas chaves são geralmente L, U, M e K. A escala de tempo pode ser medida ou estimada a partir da definição de velocidade: U = L T = T = L U Outras três escalas importantes são: Escala da profundidade do movimento [H] Escala da densidade média [ρ o ] Escala de variação de densidade [ ρ] Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 30

31 Elementos de Análise de Escala As escalas de tempo dos movimentos do oceano podem variar de frações de segundos a décadas. (The Open University, 1989) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 31

32 Elementos de Análise de Escala As escalas de tempo dos movimentos do oceano podem variar de frações de segundos a décadas: esquema de um espectro de energia da variabilidade oceânica. (Le Blond & Mysak, 1978) Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 32

33 Elementos de Análise de Escala Mas como a rotação e a estratificação podem ter sua importância avaliada nos movimentos oceânicos citados? A taxa de rotação da Terra ou velocidade angular (Ω) é dada por: Ω = (2 π) / Tempo de 1 revolução 2π 24h = 7, s 1 Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 33

34 Elementos de Análise de Escala A Importância da Rotação Se os movimentos do fluido evoluem em escala de tempo comparáveis ou mais longas que o período de rotação da Terra, podemos afirmar que o fluido irá sentir o efeito da rotação. Logo, a razão ε t = (Tempo de 1 revolução)/ (Escala de tempo do movimento) ε t = Ω 1 T = (ΩT ) 1 Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 34

35 Elementos de Análise de Escala Se ε t é menor ou igual a O(1), os efeitos da rotação da Terra tem de ser considerados. Usando a escala estimada pela velocidade, ε = (Tempo de 1 revolução)/ (Tempo que a partícula necessita para cobrir uma distância L tendo velocidade U) ε t é denominado número de Rossby local ε é denominado número de Rossby advectivo Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 35

36 Elementos de Análise de Escala A Importância da Estratificação O oceano tipicamente consiste de camadas de fluido de diferentes densidades, que sob a ação da gravidade tendem a se arranjar em pilhas verticais correspondentes a um estado de energia potencial mínima. O movimento dos fluidos tendem a perturbar esse estado de equiĺıbrio soerguendo fluido mais denso e afundando fluido mais leve. Por conservação de energia, aumento de energia potencial tem de ocorrer às custas de decréscimos de energia cinética. Logo, a importância da estratificação deve ser avaliada comparando a energia cinética e potencial Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 36

37 Elementos de Análise de Escala A Importância da Estratificação S = (Energia cinética disponível / unidade de volume)/ (Variação de energia potencial / unidade de volume) S = 1/2ρoU2 ρgh Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 37

38 Elementos de Análise de Escala A Importância da Estratificação Se S 1 = Típico acréscimo de EP, consome significante EK S 1 = Existe insuficiente EK para perturbar a estratificação e limita a capacidade do fluido se mover verticalmente S 1 = Mudanças em EP ocorrem à custa de pouca EK, logo a estratificação não é importante. Ou seja, S O(1) = Efeitos da estratificação devem ser considerados. Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 38

39 O Sistema da Corrente do Brasil Imagem da TSM x Mapa de Função de Corrente Geostrófica em 2 dbar - inverno 1993 (Godoi, 2005) L H L H Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 39

40 O Sistema Corrente do Brasil Estrutura Vertical : Circulação e Massas de Água (Soutelino, 2008) Recife CNB Salvador 0 AT CB Rio de Janeiro Vitoria CB CCI SNB CSE ACAS AIA CCP APAN Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 40

41 Sistema Corrente do Brasil Região Central do Embaiamento de São Paulo Projeto COROAS: Sub-projeto Hidrografia de Meso-escala - HM Rede hidrográfica - Cruzeiros oceanográficos HM1 e HM2 (Godoi, 2005) Rio de Janeiro -23 Cabo Frio -23 Santos Iguape HM1-28 Cabo de Santa Marta HM m HM1-20/01-03/02/1993 verão1993 HM2-17/07-29/07/1993 inverno 1993 Estações: HM1 = 104 HM2 = 97 x = 5-10 mn Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 41

42 Sistema Corrente do Brasil Estrutura Vertical de Velocidade Velocidade Barocĺınica Modelada - POM xσ x Velocidade Geostrófica - Método Dinâmico - inverno 1993 (Godoi, 2005) 0 Velocidade Baroclinica [m s 1 ] POMxσ R7 HM Velocidade Geostrofica [m s 1 ] R7 HM Pressao [dbar] Pressao [dbar] Distancia da isobata de 100 m [km] Distancia da isobata de 100 m [km] 0.5 Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 42

43 Referências Bibliográficas Dera, J., 1992: Marine Physics. Elsevier Oceanography Series, 507 p. Godoi, S.S. de, 2005: Dinâmica Quase-Geostrófica do Sistema Corrente do Brasil no Embaiamento de São Paulo (23,5 o - 27 o S). Tese de Doutorado. Instituto Oceanográfico. Universidade de São Paulo. 113 p. Disponível em: http : //lado.io.usp.br/pt/teses/index t eses.php Kundu, P.K., 1990: Fluid Mechanics. Academic Press, Inc., 638 p. Le Blond, P. H. and Mysak, L. A., 1978 : Waves in the Ocean. Elsevier Scientific Publishing, Amsterdan, 602 p. Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 43

44 Miranda, L.B. de, 1998: Análise de Massas de Água. Instituto Oceanográfico. Universidade de São Paulo. São Paulo, 200 p. Pickard, G. L. & Emery, W. J., 1990: Descriptive Physical Oceanography. An Introduction. 5 a Edition. Pergamon Press. 320 p. The Open University, 1995: Ocean Circulation. Pergamon Press, 238 p. The Open University, 1993: Seawater: its composition, properties and behaviour. Pergamon Press, 238 p. The Open University, 1989: Waves, Tides and Shallow Water Process. Pergamon Press, 187 p. Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 44

45 Silveira, I.C.A.da, 2000: Notas de aulas da disciplina IOF Oceanografia Dinâmica II, do Curso de Bacharelado em Oceanografia. Instituto Oceanográfico. Universidade de São Paulo. Disponível em: http : //lado.io.usp.br/pt/disciplinas/ Soutelino, R. G., 2008: A origem da Corrente do Brasil. Dissertação de Mestrado. Instituto Oceanográfico. Universidade de São Paulo, São Paulo, 101 p. Disponível em: http : //lado.io.usp.br/pt/teses/index d iss.php Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 45

46 MUITO OBRIGADA!! BONS VENTOS... Sueli Susana de Godoi - ssdgodoi@usp.br Fundamentos de Oceanografia Física 46