Introdução a Oceanografia – GEO232
Módulo 3
Oceanografia Física
Aula 3 – Circulação
Oceânica e Massas d’Água
1º semestre
2007
Carlos Lentini
[email protected]
Sumário
• Introdução
• Circulação na superfície dos oceanos
• Propriedades físicas da água do mar
• As massas de água e a circulação termohalina
• Considerações finais
Introdução
¾ O que é a Oceanografia Física?
É o estudo do movimento dos fluidos nos
oceanos. O seu objetivo é o entendimento
destes processos nas várias escalas espaciais
e temporais, a simulação destes processos e se
possível, a previsão destes processos.
¾ Quais as variáveis estudadas?
Estuda a distribuição das propriedades físicas
da água do mar (S, T, P, ρ) e a sua relação com
com a circulação (U, V, W e η)
Introdução
• O que é uma corrente e quais os seus mecanismos
geradores?
• O que é uma massa de água?
Introdução
• Uma corrente é caracterizada por um fluxo de água no
oceano que apresenta uma distribuição coerente em
termos de médias temporais
• A importância de uma corrente é avaliada pelo seu
transporte (tanto de volume como de calor) e pela
variabilidade dos mesmos
• As correntes oceânicas tem uma contribuição
extremamente relevante no transporte de calor para os
pólos (principalmente em latitudes médias)
• O estudo da circulação oceânica pode ocorrer através
de observações in situ (navios, bóias, instrumentos
fundeados, satélites, derivadores), modelos analíticos e
modelos numéricos
Circulação Atmosférica
• O campo de ventos para a terra sem rotação:
Circulação Atmosférica
Força de Coriolis
• A terra gira!!! Aparecimento força aparente: a Força de Coriolis
HN: deflete para a direita
HS: deflete para a esquerda
Força de Coriolis
Filmes!
Consequências da Força de
Coriolis
9 Fluidos em movimento (atmosfera e oceano)
defletem para a direita no Hemisfério Norte;
9 Fluidos em movimento (atmosfera e oceano)
defletem para a esquerda no Hemisfério Sul;
Circulação Oceânica
• As correntes oceânicas são geradas por dois
mecanismos:
¾ Circulação gerada pela vento;
¾ Circulação termo-halina.
Circulação Oceânica
• As correntes oceânicas são geradas por dois
mecanismos:
¾ Circulação gerada pela vento:
- associada ao padrões de distribuição de ventos globais
que formam os giros oceânicos em escalas de bacias
¾ Circulação termo-halina:
- diferenças de densidade geradas por trocas de calor
(aquecimento, resfriamento) e ou água doce (evaporação,
precipitação) entre a atmosfera e o oceano
Circulação Oceânica
gerada pelo Vento
¾ Circulação gerada pela vento:
9 Ventos estacionários produzem ondas e colocam o
oceano em movimento;
9 Parcela de água em movimento é defletida para a direita
(esquerda) no Hemisfério Norte (Sul);
9 Com isso iniciamos o movimento do “giro principal” das
águas de superfície do oceano
Circulação Oceânica
gerada pelo Vento
¾ Circulação gerada pela vento:
9
9
9
Em média concentram-se nos primeiros 1000-m da
coluna d’água;
Correspondem a 10-20% do volume de água dos
oceanos;
As correntes oceânicas têm um papel importante na
redistribuição de calor;
Circulação Oceânica
gerada pelo Vento
¾ Circulação gerada pela vento:
9
9
9
O calor armazenado é transportado em direção aos
pólos;
Variação sazonal até escalas climáticas;
Escalas de bacia (L ~ 5000 km; Pacífico ~ 12000 km).
Circulação Oceânica
gerada pelo Vento
1 Sverdrup = 106 m3/s (Sv)
Circulação Oceânica
gerada pelo Vento
¾ Principais feições:
9
9
9
9
Cinco (5) grandes giros;
Corrente Circumpolar Antártica (CCA);
Sistema de Contra-Correntes Equatoriais;
Velocidades variam … mais intensas são da ordem de
metros/segundo
Circulação gerada pelo vento:
Os grandes Giros Oceânicos
4
1
5
CCA
Corrente “Quente”
Corrente “Fria”
2
CCA
3
Circulação gerada pelo vento:
Os grandes Giros Oceânicos
Miami Isopynic Coordinate Ocean Model (MICOM)
temperatura da superfície
do mar (0C)
salinidade da superfície
do mar
Correntes Oceânicas
¾ Correntes Oceânicas são influenciadas por:
1. Ventos
2. Os fluxos entre o oceano e a atmosfera:
¾ Fluxos de calor (balanço de radiação, trocas de calor
latente e calor sensível)
¾ Fluxo de água doce (precipitação e evaporação)
O efeito dos fluxos no oceano:
Resfriamento e evaporação → densidade aumenta
Aquecimento e precipitação → densidade diminui
Correntes Oceânicas
Correntes Oceânicas
9 Cisalhamento do vento
induz a geração de correntes
a direita (esquerda) do vento
no Hemisfério Norte (Sul)
Correntes Oceânicas
Combinação dessas forças faz com que exista uma
circulação horária Atlântico Norte e anti-horária no
Atlântico Sul, p.ex.
Balanço ou Equilíbrio Geostrófico
(HN)
HN
Empilhamento Água
FC
FGP
Corrente Superfície
VelG
FC
Corrente Geostrófica
FGPH
HS
VelG
1 ∂P
fv =
ρ ∂x
1 ∂P
fu = −
ρ ∂y
FC
FGP
Balanço ou Equilíbrio Geostrófico
• O balanço geostrófico:
¾ Ocorre amplamente no interior do oceano e da atmosfera
¾ É representado pelo equilíbrio entre a Força do Gradiente
de Pressão e a Força de Coriolis
¾ É um equilíbrio estacionário
¾ A pressão em um ponto no interior do oceano é função
do peso de água acima deste, que é função da densidade
ρ (S,T,P) e da altura da coluna d’água
Balanço ou Equilíbrio Geostrófico
Em um fluxo geostrófico, a água (ar) move-se ao
longo de isóbaras, com a alta pressão à sua
esquerda no HS e à sua direita no HN
Circulação na Troposfera
Oceânica
Rotacional do Cisalhamento do Vento
troposfera oceânica
superfície
Stress
Turbulento
(importante)
Interior
Geostrófico
base da
termoclina
permanente
Stress
Turbulento
(não-importante)
Teoria de Ekman – (1905)
¾ Observações de Nansen (1898)
vento
V
velocidade
iceberg
9 V + FA + FC = 0
FA
atrito
FC
força de
Coriolis
V = Cisalhamento do vento
FA = Fricção (Atrito)
FC = Força de Coriolis
Adaptado de Stewart (2002)
Teoria de Ekman – Espiral Ekman
Approx. 30 m
9 Correntes são observadas nas primeira dezenas de
metros. São chamadas de “Correntes de Ekman”
Teoria de Ekman – Espiral Ekman
Teoria de Ekman – Espiral Ekman
HN
HN
vento
450
V0
900 transporte
de Ekman
Adaptado de Brown et al (1995)
Teoria de Ekman – Espiral Ekman
HN
HN
vento
450
V0
900 transporte
de Ekman
vento
450
V0
Adaptado de Brown et al (1995)
transporte
de Ekman
900
HS
Teoria de Ekman – Transporte
ressurgência
subsidência
Fonte: Stewart (2002)
Teoria de Ekman – Transporte
Vento
Vento
de Leste de Oeste
400N
Westerlies
Ventos
Ventos Alísios
200N
Acúmulo
de Água
Transporte
de Ekman
Empilhamento de água no centro Giro Subtropical
Transporte Ekman e Geostrofia
9 O efeito líquido do transporte de Ekman é produzir uma área
de alta pressão, i.e., um “empilhamento” de águas relativamente
quentes no centro do giro subtropical;
9 O balaço abaixo da “Camada de Ekman” envolve o equilíbrio
entre a Força do Gradiente de Pressão e a rotação da Terra
(Força de Coriolis) = “Balanço Geostrófico”.
Circulação gerada pelo vento:
Os grandes Giros Oceânicos
4
1
5
CCA
Corrente “Quente”
Corrente “Fria”
2
CCA
3
Dinâmica Equatorial
• Circulação superficial:
(forçada pelo vento e restrita a
camada de mistura e topo da
termoclina )
¾ Zona de convergência intertropical não é exatamente no
Equador
¾ 3 convergências
¾ 2 divergências
¾ empilhamento de água na
parte oeste do oceano
adaptado de Brown et al (1995)
Parcela de Água – Conservação
de Volume
Equação da Continuidade
divergência
Transporte de Ekman e
ressurgência equatorial
Dinâmica Equatorial
Fcor
HN
Fgp
Fgp
Fcor
HS
adaptado de Brown et al (1995)
Transporte de Ekman e
ressurgência costeira
¾ Hemisfério Norte: transporte a 900 e a direita da direção do vento
¾ Hemisfério Sul: transporte a 900 e a esquerda da direção do vento
Teoria de Ekman – Ressurgência
Exemplo costa brasileira
Frente térmica da
Corrente do Brasil
Cabo
Frio (RJ)
Ressurgência
Cortesia: M. Kampel (INPE-SJC)
Vórtices
ciclônicos
(núcleo frio)
Teoria de Ekman - Ressurgência
Circulação Oceânica
• As correntes oceânicas são geradas por dois
mecanismos:
¾ Circulação gerada pela vento:
- associada ao padrões de distribuição de ventos globais
que formam os giros oceânicos em escalas de bacias
¾ Circulação termo-halina:
- processos relacionados as trocas de calor
(aquecimento, resfriamento) e ou água doce (evaporação,
precipitação)
Circulação Termo-Halina
Correntes Rasas e
Quentes
Correntes Frias, Fundas
e mais salinas
Áreas Formação de
Massas d’Água
Circulação Termo-Halina
¾ Circulação termohalina:
9
9
9
Correspondem a 80-90% do volume de água dos
oceanos;
As massas de água deslocam-se através das bacias
oceânicas devido a gradientes de densidade e
gravidade;
A diferença de densidade (“gradiente de densidade”)
é obtido em função das diferenças em temperatura,
salinidade e pressão;
Circulação Termo-Halina
¾ Circulação termohalina:
9
9
9
Nas regiões de altas latitudes, as massas d’água
perdem calor para a atmosfera e afundam devido ao
aumento de densidade;
Variações em escalas climáticas;
Escala global.
Perfil Esquemático Vertical
do Oceano
“Ventilação da Termoclina”
“contato” com a atmosfera
“contato” com a atmosfera
Massas de Água
É um corpo de água com uma história de formação
comum e que tem sua origem em uma região específica
do oceano. Massas de água são entidades físicas que
possuem um volume mensurável, ocupando uma parcela
finita no oceano. Na sua região de formação, elas
ocupam uma parcela exclusiva de uma determinada
parte do oceano. Em outras regiões, elas dividem o
oceano com outras massas de água, com as quais se
misturam. O volume total de uma massa de água é dado
pela soma de todos os seus elementos, independente da
sua localização.
Massas de Água
¾ A maioria das trocas de calor e água doce entre o
oceano e a atmosfera ocorrem na camada superficial dos
oceanos (até 150 m)
¾ Quando uma parcela de água é removida da camada
superficial, sua temperatura e salinidade permanecem
inalterados até que a mesma retorne a superfície
¾ No entanto, estes movimentos são lentos e a medição
direta destes deslocamentos é difícil
Massas de Água
• O diagrama TS (O exemplo do Atlântico Sul)
Água Superficial
(até 200 m)
Água Central
(termoclina)
Água Intermediária
Água Profunda
Água de Fundo
Circulação e Massas d´Água nas
regiões S e SE do Brasil
• Água Tropical (AT)
• Água Central do Atlântico Sul (ACAS)
• Água Intermediária Antártica (AIA)
• Água Profunda do Atlântico Norte (APAN)
Fonte: Godoi (2005)
Hidrologia e Massas de Água
Diagrama esquemático das massas de água segundo
Sverdrup et al (1942)
Seção meridional através de um oceano hipotético, mostrando as
termoclinas
permanente,
sazonal
e
tropical,
as
zonal
de
convergência/divergência e as massas de água. A importância dos trópicos
não é apresentada aqui porque o gráfico não apresenta a convergência dos
meridianos em direção aos pólos.
Massas de Água
• As principais massas de água nos 3 oceanos:
extraido de Tomczak (1996)
Água Profunda do Atlântico Norte
A circulação termohalina descrita por Gordon (1986). As
setas verdes representam o fluxo de NADW e AAIW. As setas
vermelhas representam o fluxo da Água Central, que ocupa a
termoclina.
Circulação Termo-Halina
http://www.cru.uea.ac.uk/cru/info/thc/
Circulação Termo-Halina
Água Profunda do Atlântico Norte (APAN)
1. Corrente do Golfo (e sua extensão, a Corrente do Atlântico
Norte) carregam águas quentes e salinas para o Atlântico NE,
aquecendo o oeste da Europa;
2. Parcela de água se resfria, misturando-se com águas frias
oriundas do Oceano Ártico, tornando-se mais densa que afunda
ao sul e a leste da Groenlândia;
3. Se diminuirmos a escala da figura (“zooming out”), veremos
que esta corrente é parte de um grande sistema, conectando o
Atlântico Norte ...
4. .... O Atlântico Tropical ...
Circulação Termo-Halina
Água Profunda do Atlântico Norte (APAN)
5. .... O Atlântico Sul ...
6. ... os Oceanos Índico e Pacífico ...
7. ... E o Oceano Austral. Afundamento de outras massas d’água
com elevada densidade ocorre nas proximidades da
Antártica.
8. Se olharmos abaixo da superfície, massas de água de 2 fontes
afundam e se “espalham” em sub-superfície ...
9. ... atingindo praticamente todas as outras bacias oceânicas em
profundidades superiores a 1000-m ...
Circulação Termo-Halina
Água Profunda do Atlântico Norte (APAN)
10. Águas frias, densas gradualmente se aquecem e retornam a
“superfície” (profundidades inferiores a 1000-m);
11. As correntes de superfície e sub-superfície, as regiões de
subsidência (“afundamento”) e as regiões de retorno de massas
d’água formam um “circuito fechado” chamado de “Circulação
Termohalina” (“Global Termohaline Conveyor Belt”)
Circulação Termo-Halina
http://www.cru.uea.ac.uk/cru/info/thc/
Considerações finais
9 A distribuição de T, S e ρ é varia tanto em latitude como
em longitude e é distinta nos 3 oceanos
9 A circulação gerada pelo vento (principalmente
associada aos giros subtropicais), apresenta uma forte
simetria entre o HN e HS
9 A circulação envolvendo os 1000 m do oceano é mais
rápida, ocorre em escalas de bacias e medidas diretas
podem ser usadas para a sua avaliação
9 A circulação termohalina é lenta, ocorre em escala
global e é geralmente estudada através do conceito de
massas de água
Referências Bibliográficas
Glossary of Meteorology (AMS Glossary):
9 http://amsglossary.allenpress.com/glossary
Introduction to Physical Oceanography:
9 http://oceanworld.tamu.edu/resources/ocng_textbook/
contents.html
Referências Bibliográficas
¾ American Meteorological Society. Online Ocean Studies,
2005, Boston, MA, EUA. 404 pp.
¾ Harold V. Thurman. Essentials of Oceanography (5th edition),
1996, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, EUA. 399 pp.
Módulo 3: Oceanogr. Física:
Aula 3:
Circulação Oceânica:
9www.ufba.br/~clentini/GEO232/
Merci!!!
Previsão Climática
Alta
Previsibilidade
jul 06
aug
sep
oct
jul 06
aug
sep
oct
aug
sep
oct
nov
dec
jan07
dec
jan07
dec
jan07
Baixa Previsibilidade
Média
Previsibilidade
nov
Exemplo da alta dispersão e dificuldade
em se prever o clima (precipitação) para
a região SE do Brasil com um Modelo
de Circulação Global Atmosférico (MCGA).
jul 06
nov
Limitações e conhecimentos das Previsões
•
Regiões que tem uma forte conexão com os oceanos
tropicais a previsão sazonal funciona melhor. Tanto com
modelos estatísticos quanto dinâmicos
Ex: Norte e NEB,
Sul do Brasil,
Nordeste da Argentina
•
Regiões que não tem uma forte conexão com os oceanos a
previsão sazonal ainda é um grande desafio.
Ex: Sudeste do Brasil
•
Papel do ATL Sudoeste no Clima do Brasil é ainda uma
questão controversa! Tem impactos, porém não são claros
como o ATL e PAC Tropical (El Niño, La Niña, Dipolo do ATL)