AULA 2 2.1 O ciclo hidrológico A água cobre 70% da superfície da Terra. A Figura 1 apresenta como a quantidade de água está distribuída no planeta Terra. Nos oceanos estão 97% da água do planeta e 3% estão na forma de água doce. Destes 3% de água doce, ~69% estão nas geleiras, principalmente na Antarctica, e 30% na forma de água no solo, apenas 0,3% está contido em rios, lagos e pântanos. Figura 1 - Distribuição da água na Terra. Fonte: Adaptado do livro do Peixoto (1999). 1
Tabela 1 - Distribuição de água na Terra Volume (km3) Água doce (%) Total (%) oceano 1.338.000.000 -- 96,5 geleiras glaciais 24.064.000 68,7 1,74 água subterrânea (AS) 23.400.000 -- 1,7 AS doce 10.530.000 30,1 0,76 AS Salgada 12.870.000 -- 0,94 umidade no solo 16.500 0,05 0,001 Gelo na superfície 300.000 0,86 0,022 lagos 176.400 -- 0,013 Lagos de água doce 91.000 0,26 0,007 Lagos de água salgada 85.400 -- 0,006 Atmosfera 12.900 0,04 0,001 Pântanos 11.470 0,03 0,0008 Rios 2.120 0,006 0,0002 seres vivos 1.120 0,003 0,0001 Total 1.386.000,000-100 2
A circulação da água entre atmosfera e a superfície da terra recebe o nome de ciclo hidrológico (Figura 2). Esse ciclo é constituído de cinco partes: evapotranspiração, condensação, precipitação, infiltração e runoff. As setas na figura indicam para onde a água se dirige nesse ciclo e os valores da quantidade anual d água trocada entres os componentes do sistema climático. Figura 2 - Diagrama do ciclo hidrológico. Adaptado do livro Peixoto (1999). 3
.Evaporação A conversão da água líquida em vapor acontece através da evaporação. A água é transportada da superfície para a atmosfera na forma de vapor. Quando esse fenômeno acontece verifica-se o resfriamento da superfície. Em adição à perda por evaporação da superfície, a água também é perdida pela transpiração da vegetação. Esta perda combinada é conhecida como evapotranspiração. A transpiração corresponde a aproximadamente 10% da evapotranspiracao. A evaporação e transpiração, juntamente com a precipitação, são as mais importantes etapas do ciclo hidrológico. O vapor d'água é o principal elemento das trocas de energia que existem na atmosfera e estas são responsáveis pelos fenômenos de tempo e clima. Aproximadamente 80% do vapor d água contido na atmosfera provêm dos oceanos, e o restante das áreas continentais e da vegetação. Os fatores meteorológicos que influenciam a evapotranspiração são: radiação solar, vento, temperatura do ar, de pressão de vapor. A evapotranspiracao é também grandemente afetada pelo tipo de cultura, porcentagem de cobertura do solo e disponibilidade de água no solo. A evaporação é mais intensa em altas temperaturas. Assim, maior quantidade evaporada da superfície para a atmosfera encontra-se sobre as áreas oceânicas equatoriais (Fig. 4). Existe na meteorologia uma variável chamada de pressão de vapor, que nos fornece a pressão exercida pelo vapor d`água em uma parcela de ar. A pressão de saturação do vapor d`água nos informa a pressão exercida pelo vapor em uma parcela saturada. Segundo a Equação (1) de Clausius-Clapeyron, o aquecimento da atmosfera proporciona maior capacidade desta reter umidade, através do aumento da pressão de saturação do vapor, sendo que a evaporação incrementa não linearmente com a temperatura da superfície. 4
(1) na qual e s é a pressão de saturação do vapor d água em hpa, T a temperatura em C. Figura 3 Variação da pressão saturação de vapor d água com a temperatura. 5
Figura 4 Média anual de evaporação (1979 a 1993; m/dia). 6
Condensação A mudança de estado da água na forma de vapor para a líquida chama-se condensação. A condensação geralmente ocorre quando o ar quente sobe, resfria e perde a sua capacidade de reter vapor água, como resultado o excesso de água condensa, gerando nuvens. Precipitação Quando a água condensa e as gotas alcançam determinado peso, ocorre a precipitação, processo pelo qual a água é transportada da atmosfera para a superfície. (qual a unidade da precipitação e como se chega a essa unidade?) Infiltração A infiltração é o processo pelo qual a água penetra no solo. A água que penetra na superfície é encontrada na camada de aeração e/ou na camada de saturação, e/ou entre essa duas. Na camada de aeração existem espaços vazios que estão preenchidos por ar ou água. Abaixo desta camada está a zona de saturação na qual o espaço vazio é preenchido com água. A camada de água é o limite entre essas duas camadas. Figura 5 - Camadas do solo. 7
A quantidade de água que um solo pode conter é função da porosidade deste solo. A taxa com que a água flui através do solo é chamada de permeabilidade. Estes parâmetros são características inerentes a cada tipo de solo. A permeabilidade da superfície é extremamente importante para a hidrologia, uma vez que a superfície tornando-se menos permeável aumenta a quantidade de água que permanece na superfície, aumento a possibilidade de enchentes. A água que infiltra no solo flui até encontrar uma camada rochosa ou impermeável, formando ai os aqüíferos subterrâneos. Runoff É o escoamento da água dos continentes para os oceanos na superfície. O runoff corresponde a quantidade que precipitou menos a que evapotranspirou e infiltrou. Esse escoamento é função de fatores meteorológicos e das características do terreno. - Fatores meteorológicos que afetam o runoff: tipo de precipitação; intensidade da chuva; quantidade de chuva; duração da chuva; umidade no solo; evapotranspiracao. - Características do terreno que afetam o runoff: tipo de uso da terra; vegetação; tipo de solo; forma da bacia; elevação; inclinação; topografia. 8
2.2 - OCEANOS A maior parte da água do planeta está contida nos oceanos e nas calotas polares, como vimos no item anterior sobre ciclo hidrológico. Ainda, 97% da água do planeta estão contidos nos oceanos e 73% da superfície é coberta por oceanos. Estes oceanos têm uma profundidade média de 3730 metros. Os oceanos têm um importante papel no sistema climático do planeta. A importância dos oceanos está associada com as propriedades físicas da água, tais como baixo albedo, grande capacidade de armazenar calor e ainda é um fluido, o que facilita o transporte de calor. A superfície líquida do oceano tem baixo albedo, que é a razão entre a energia refletida e a energia incidente em superfície. Assim, os oceanos são um excelente absorvedor da radiação solar. Os oceanos recebem mais da metade da energia que entra no sistema climático e o processo de evaporação é responsável pelo resfriamento deste. Desta forma, os oceanos são a principal fonte de vapor d água e calor para a atmosfera. Assim, os oceanos são considerados como o principal componente do ciclo hidrológico. Os oceanos também armazenam grande quantidade de energia, essa grande quantidade térmica reduz a amplitude do ciclo anual e diurno da temperatura da atmosfera e superfície. Uma vez que estes armazenam calor no verão e libera no inverno, assim como também armazenam calor durante o dia e libera durante a noite. Como a água do mar é um fluido, as correntes oceânicas podem se mover por longas distâncias, transportando calor e suas propriedades físicas de uma região para outra. Lembrando que o gradiente de temperatura entre o pólo e o equador é reduzindo devido ao transporte de calor entre essas regiões através das correntes oceânicas, como também pelos movimentos atmosféricos. 9
Em adição aos efeitos físicos dos oceanos no sistema climático, os oceanos podem afetar o clima indiretamente através dos processos químicos e biológicos. Lembrando que os oceanos são os maiores reservatórios dos elementos químicos que compõem a atmosfera. As trocas de gases na interfase entre o oceano e a atmosfera controlam a concentração de gases como o CO 2. Ainda, as partículas de sal lançadas na atmosfera têm um importante papel como núcleo de condensação das nuvens. Propriedades específicas da água pura e do mar A água é a única substância que pode ser encontrada na Terra na forma natural como gasosa, líquida e sólida. A massa volumétrica de uma substância mede o grau de compactação desta substância, sendo definida pela razão entre a massa da substância e o seu volume. Os sólidos são, geralmente, mais compactos que os líquidos e os gases. Com o aumento da temperatura da substância a sua massa volumétrica em geral decresce. A água pura é uma exceção a esta regra, sendo a única substância que apresenta uma massa volumétrica maior quando se encontra no seu estado líquido, com valor máximo em 4 C. Com baixas temperaturas, a água, na fase líquida, apresenta uma massa volumétrica mais alta que na fase sólida. Por isso o gelo flutua na água líquida. A massa volumétrica da água do mar também varia com a temperatura. Com um valor fixo da concentração do sal (por exemplo, 35 o / oo ) a massa volumétrica decresce com o aumento da temperatura. Por sua vez, quando se adiciona sal à água pura a sua massa volumétrica aumenta. Esse resultado está associado a maior massa molecular do sal em relação a água. A água salgada não apresenta massa volumétrica máxima a 4 o C, mas quando esta se encontra no 10
seu estado sólido (gelo), que é atingido quando a temperatura dessa substância está abaixo de 0 o C. A água possui um alto valor de calor específico. O calor específico corresponde à energia necessária para aumentar a temperatura em 1ºC em 1g de substância. A água, comparada com o ar, necessita de quatro vezes mais energia para aquecer 1ºC. Como 71% da superfície do globo são cobertos por água, os oceanos controlam o aquecimento do planeta e proporcionam todas as condições fundamentais para tornar possível a vida na Terra. A água apresenta um valor alto do calor latente de vaporização. Assim, parte da energia solar incidente sobre os oceanos é utilizada para transformar a água líquida em vapor (processo de vaporização). Quando o vapor de água se movimenta das regiões quentes para as regiões frias na atmosfera, muda o seu estado para o líquido, através do processo de condensação e pode formar chuva. Figura 6 Variação da densidade da água pura e do mar com a temperatura. 11
Exercício 1 - Discuta como as águas dos rios que atingem uma área oceânica interagem com as águas deste mar. O estado físico da água do mar O estado físico da água do mar é descrito por três variáveis: temperatura, salinidade e densidade. 1. Temperatura A temperatura no oceano geralmente decresce com a profundidade, de uma temperatura muito próximo a temperatura do ar à superfície até um valor próximo ao ponto de congelamento no oceano profundo. Uma fina camada na superfície é misturada pelos ventos e ondas, mantendo a temperatura ai costante. Apenas o primeiro quilometro do oceano entre 50 N e 50 S possui temperatura acima de 5 C. A maior parte do oceano possui temperatura entre 2 e 5 C (Figura 8). A estrutura térmica do oceano pode ser dividida em três seções verticais (Fig. 7): 1) a parte superior do oceano (0-200m) devido ao contato coma atmosfera tem temperatura quase constante, devido a mistura mecânica pelos ventos e pelo circulação de overturning. Esta camada é chamada de camada de mistura do oceano. 2) abaixo da camada de mistura a temperatura decresce rapidamente até aproximadamente 1000mm. Esta camada de rápida mudança de temperatura é conhecida como termoclina permanente. O calor nesta camada é mantido pelo aquecimento da camada superior balanceado 12
pelo resfriamento devido ao movimento ressurgente de água mais frias do oceano profundo. 3) as águas frias das profundezas abissais são produzidas nas regiões polares da superfície da Terra. A base da termoclina permanente tem temperatura típica de cerca 5 C alcançando uma temperatura de 2 C nas camadas mais profundas do oceano. As propriedades físicas do oceano profundo mostram pequena variabilidade espacial, assim a temperatura, salinidade e densidade são quase uniformes. Figura 7 - Perfil vertical da temperatura do oceano. 13
Figura 8 - Climatologia (1968-96) da temperatura da superfície do mar para os meses de janeiro e julho. 14
Salinidade A salinidade é a massa de sal dissolvida em um kilograma de água, geralmente medido em partes por mil ( o / oo ). A salinidade média dos oceanos é de 35 o / oo. Aproximadamente 90% do sal marinho é o Cloreto de sódio (NaCl), ou o sal de cozinha. Questão 2 - Qual a origem do sal marinho? Questão 3 - Quantas gramas de sal existem em um litro de água do mar. Quantos litros do mar são necessários evaporar para obter-se 1kg de sal marinho? A salinidade é importante para as variações na densidade da água do mar em todas as latitudes e é o fator mais importante nas altas latitudes, onde a temperatura da água do mar é próximo ao ponto de congelamento. As variações da densidade da água do mar são responsáveis pelas circulações profundas do oceano. A salinidade dos oceanos varia com a latitude na camada superior do oceano (Figura 9). Nas latitudes subtropicais a salinidade é maior devido a maior taxa de evaporação em relação à precipitação, carregando para a atmosfera água marinha que contém sal. Nas latitudes altas e médias a precipitação de água fresca excede a evaporação e a salinidade é menor. No oceano profundo as variações de salinidade são muitos menores que próximo à superfície (Figura 10), uma vez que as fontes e souvedouros estão na superfície. 15
Figura 9 - Variação espacial da salinidade. Figura 10 - variação da salinidade com a profundidade. 16
Densidade A água é considerada como um fluido incompressível (a pressão e a temperatura não interferem na densidade). A densidade da água é muito próxima a 1000kgm -3, mesmo próximo ao fundo do oceano onde a pressão pode ser milhares de vezes maiores que a pressão na superfície (Figura 11). A forte estratificação no oceano inibe movimentos verticais e trocas turbulentas. Desta forma o oceano profundo é algumas vezes isolado da influência da superfície onde a estratificação da densidade é muito acentuada. As variações de densidade são importantes para dirigir a circulação vertical do oceano e depende da temperatura e salinidade. O conteúdo de sal aumenta a densidade da água. Por outro lado, quando a temperatura aumenta a água se expande e torna-se menos densa. Figura 11 - Perfil vertical da densidade no oceano. 17
Questão 4 Qual o comportamento da densidade em relação a salinidade? Questão 5 Qual a relação entre densidade e temperatura. Correntes oceânicas As correntes superficiais dos oceanos são resultados da transferência de momentum da atmosfera para o oceano através dos ventos. As Figuras 12 e 13 apresentam o campo de vento a superfície e as principais correntes oceânicas, respectivamente. Os principais padrões da circulação atmosférica no Pacifico e Atlântico Norte tem circulação horária, coincidindo com os centros de alta pressão sobre estas regiões. No lado oeste destas bacias observa-se correntes intensas como a Corrente de Kuroshio e a Corrente do Golfo. No Hemisfério Sul observa-se também ao longo da costa leste dos continentes as correntes do Brasil e das Agulhas na costa da África. Estas são menos definidas e extensas no Hemisfério Sul provavelmente devido à diferença de geometria do continente e também devido a corrente Circumpolar Antarctica. As correntes de oeste carregam calor das regiões tropicais para as latitudes médias. A velocidade destas correntes pode excede a 1m/s, com é uma velocidade considerada alta para correntes oceânicas. Como resultado do calor transportado por essas correntes, do lado oeste das bacias o clima para uma mesma latitude costuma ser mais quente que as áreas continentais adjacentes a essas correntes. Assim observa-se que apesar da mesma latitude, o inverno no oeste da Europa é mesmo intenso que na parte leste dos EUA. 18
Do lado leste dos continentes se observa as correntes da Califórnia, de Humboldt, a corrente de Benguela e entre outras. Essas correntes também são dirigidas pelo escoamento do vento, associado aos centros de alta pressão atmosférica. Assim, as TSM nas regiões subtropicais do lado oeste dos continentes no Atlântico e Pacífico são mais fria que as águas em uma mesma latitude. Estas correntes também estão associadas com o balanço de energia global, trazendo águas frias das regiões polares para as regiões tropicais. Figura 12 - Média climatológica da pressão atmosférica e do vento para janeiro de 1959 a 1997. 19
Figura 13 Principais correntes oceânicas. Fonte: Livro Peixoto. 20
Ressurgência ou upwelling Baixas temperaturas em algumas regiões próximas a costa estão associadas à ressurgência de águas frias subsuperficiais. Este fenômeno é dirigido por ventos offshore e alongshore destas regiões. Como exemplo de regiões de ressurgência, podemos citar as da costa de Peru, do golfo da Guine e na região de Cabo Frio. Figura 14 Áreas de ressurgências. 21
Fenômeno da ressurgência na região dos lagos As águas frias do Atlântico Sul na região dos Lagos são devido à ressurgência. O ponto central dessa ressurgência ocorre em Cabo Frio, na Ilha do Farol e tem uma área de influência que atinge o norte do município de Macaé ao sul do município de Maricá. Essa ressurgência ocorre como resultado da ação dos ventos que provoca o afastamento das águas quentes da Corrente do Brasil para além da plataforma continental. Quando essas águas afastam-se da costa, acontece a subida das águas frias subsuperficiais, associadas à corrente das Malvinas, que se desloca em sentido contrário à corrente do Brasil, ou seja, do sul em direção ao nordeste. Este fenômeno arrasta os nutrientes que repousam no fundo até as camadas superficiais do oceano, transformando essa região num dos maiores pólos pesqueiros de estado do Rio de Janeiro. Figura 15 Direção do vento (gráfico superior) e variação da TSM para o mês de março de 2004. Linha verde representa isoterma de 18 C. Fonte: Gustavo L. da Silva e outros CBMET. Figura 16 Média mensal do tempo de permanência da TSM abaixo de 18 graus em posto de coleta em cabo frio. Fonte: Gustavo L. da Silva e outros SBMET. 22
2.3 - Interação oceano-atmosfera A atmosfera e o oceano são os dois principais componentes do sistema climático e apresentam características físicas muito distintas. O oceano apresenta densidade, capacidade térmica e inércia muito maior em relação à atmosfera. Devido a estas características, as variações das propriedades físicas do oceano ocorrem em escalas de tempo muito maiores que as da atmosfera. As interações entre o oceano e a atmosfera tendem a se concentrar na sua interface, onde os gradientes das propriedades físicas, tais como temperatura e densidade, são acentuados e a dinâmica destes meios está acoplada através dos processos de trocas de calor e momentum. A Temperatura da Superfície do Mar (TSM) tem importante influência no aquecimento e conteúdo de umidade da atmosfera, afetando a circulação deste meio em escala de tempo e clima. Por sua vez, a atmosfera dirige a circulação dos oceanos através dos fluxos de momentum e calor. As anomalias climáticas em escala interanual sobre as regiões continentais são forçadas em parte pelas condições de contorno da TSM, através da variabilidade dos fluxos de calor e momentum da superfície. No Hemisfério Norte (HN) o período de maior acoplamento entre o oceano e a atmosfera acontece no inverno boreal, enquanto que no Hemisfério Sul (HS) o maior acoplamento entre estes meios acontece no verão austral. O acoplamento entre o oceano e atmosfera normalmente é mais intenso no inverno associado ao maior contrate entre a temperatura do ar e do oceano nesta estação. O maior acoplamento entre o oceano-atmosfera no verão do HS, possivelmente está associada às oscilações de grande escala existentes no HN, como o PNA (Oscilação do Pacífico-Atlântico Norte; Pacific North Atlantic, em inglês) e NAO ( North Atlantic Oscillation) Venegas et al. (1997), que são mais intensas no inverno boreal. Desta forma, verifica-se que as maiores amplitudes do 23
acoplamento oceano-atmosfera ocorrem simultaneamente em ambos hemisférios. As variações na circulação atmosférica próxima à superfície podem influenciar a TSM através da advecção horizontal de TSM associada à tensão do vento, dos fluxos de calor entre a atmosfera e o oceano, dos processos de ressurgência próximo à costa. 24