ondas internas

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Ondas que se propagam no seio de um meio são designadas ondas materiais; exemplos: ondas sísmicas P e S; ondas acústicas. Ondas a propagar-se na superfície entre dois fluidos são designadas de ondas de superfície.

Ondas de superfície que se propagam na interface entre duas camadas do mesmo fluido, com densidades diferentes, designam-se ondas internas.

Ondas causadas por forças perturbadoras periódicas, como a maré induzida pela atracção gravitacional do Sol e da Lua, têm períodos coincidentes com os dessas forças. Outras ondas são causadas por perturbações não-periódicas. Existem duas forças restauradoras que mantêm a progressão das ondas de superfície:• força gravitacional exercida pela Terra;• tensão superficial.

Para ondas com comprimento de onda inferior a 1,7cm a principal força restauradora é a tensão superficial – são as ondas capilares.

No caso de ondas com comprimento de onda superior a 1,7cm a principal força restauradora é a força da gravidade – são as ondas superficiais gravíticas.

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Esquemas dos diversos tipos de ondas de superfície, mostrando a relação entre o comprimento de onda, a frequência da onda, período, a natureza da força perturbadora e a quantidade relativa de energia em cada tipo de onda.

ener

gia

caus

atip

o de

ond

a

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Tipos de ondas progressivas

ONDA LOGITUDIONAL: a partícula move-se para a frente e para trás na direcção da transmissão da energia. Estas ondas transmitem a energia através de todos os estados da matéria

ONDA ORBITAL: a partícula move-se em trajectórias orbitais. Estas ondas transmitem a energia ao longo da interface entre dois fluidos com densidades diferentes (líquidos ou gases)

ONDA TRANSVERSAL: a partícula move-se para a cima e para baixo na direcção perpendicular à transmissão da energia. Estas ondas transmitem a energia apaenas através de sólidos (na radiação electromagnética não há movimentos de partículas....)

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMAAs ondas superficiais gravíticas representam um fenómeno de interacção entre o

oceano e a atmosfera e são geradas directamente pelo vento. A propagação de ondas na superfície do mar corresponde a uma sucessão de cristas,

os pontos mais elevados da superfície, e de cavas, as depressões da superfície.

Consideram-se dois tipos de ondas superficiais gravíticas:

Vagas (“wind waves”) - ondas geradas por ventos locais, desordenadas e de pequena amplitude.

Ondulação (“swell”) - ondas de maior amplitude, geradas a grandes distâncias, da ordem de milhares de quilómetros, e com uma forma mais regular.

Registo de ondas típico, ou seja, registo da variação do nível do mar em função do tempo, numa posição fixa

formação do “swell”

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Perfil vertical de duas ondas oceânicas idalizadas sucessivas, mostrando as suas dimensões lineares e forma sinusoidal (teoria linear das ondas de superfície):•comprimento de onda, L - distância entre duas cristas (ou duas cavas) consecutivas; a grandeza k=2/L é número de onda e representa o número de ondas por unidade de comprimento;•altura da onda, H - distância vertical entre uma crista e uma cava; amplitude da onda, A=H/2.•declividade da onda, H/L - razão entre a altura e o comprimento de onda; para declividades acima de 1/7, a onda torna-se instável e pode rebentar.

Características de uma onda

1 comprimento de onda (L)

altura da onda (H)

distância

declive da onda (H/L)

amplitude(A)

crista

cava

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Deslocamento vertical de uma onda oceânica idalizada num ponto fixo, em função do tempo:•período da onda, T - tempo entre a passagem de duas cristas sucessivas (duas cavas) num local fixo; frequência, f=1/T - número de ondas que passam num local fixo por unidade de tempo; frequência angular, ω=2f=2/T - número de ciclos por unidade de tempo (rad/s).

Características de uma ondade

sloc

amen

to v

ertic

al

período da onda (T)

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Movimento das partículas de água numa onda

movimento da onda

altura da onda

nível médio do mar

crista

cava

o movimento da água é negligível abaixo de ½ comprimento de onda (base da onda)

direcção de propagação da onda

nível médio do mar

comprimento de onda (L)

movimento “para a frente e para trás” perto do fundo

prof

undi

dade

m

enor

que

L/2

Movimento das partículas de água numa onda.Em cima: movimento em ondas de pequena amplitude em águas profundas, mostrando decréscimo exponencial do diâmetro dos percursos orbitais com a profundidade. Em baixo: movimento em ondas de águas pouco profundas, mostrando o achatamento das órbitas próximo do fundo (profundidades inferiores a L/2).

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Movimento das partículas de água numa onda

Movimento em ondas de grande amplitude em águas profundas, mostrando a deriva das ondas. Objectos flutuantes (o pato!) desenham órbitas circulares quando a onda passa, mas avançam porque o movimento na crista é mais rápido do que na cava. No entanto as partículas de água seguem uma órbita circular.

direcção de propagação da ondamovimento da água

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

A velocidade de propagação de uma onda, ou velocidade de fase, pode ser obtida a partir do tempo que um comprimento de onda demora a passar num ponto fixo,

c = L/T=ω/k A velocidade de fase de uma onda é dada pela relação de dispersão

• águas profundas: d>L/2, tanh (2d/L)1 c=(gL/2 ; L=gT2/2

• águas pouco profundas: d<L/20, tanh (2d/L) 2d/L c=(gd;

• águas intermédias: L/20<d<L/2 relação de dispersão completa (*).

(*)Lπd

πgLc

2tanh2

Velocidade de propagação de uma onda

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Em geral, as ondas geradas pelo vento não têm formas sinusoidais simples; quanto maior a declividade maior será a diferença relativamente a uma onda sinusoidal; a forma de ondas com grandes declividades aproxima-se de uma curva trocoidal (cicloidal) Teorias não-lineares de ondas.

Perfil vertical de duas ondas trocoidais sucessivas

nível médio da água

desl

ocam

ento

distância

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Interferência entre ondas

Interferência construtiva - aumenta a altura da onda

Interferência destrutiva - diminui a altura da onda

Interferência mista - padrão variável

Resultados

Ondas

em fa

se

Ondas

em fa

se op

osta

Ond

as fo

ra d

e fas

e

construtivadestrutiva

mista

ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

Rebentação das ondas

ONDAS INTERNAS

As ondas internas propagam-se na interface de separação entre massas de água com densidades diferentes. Uma perturbação causada por um navio ou por um submarino em movimento, é suficiente para provocar estas ondas. As marés, o vento e as correntes, em conjunto com variações da profundidade do mar, também são factores responsáveis pela geração de ondas internas.

ONDAS INTERNAS

As ondas internas propagam-se igualmente através do movimento das cristas, em que a água mais densa se aproxima da superfície e das cavas, em que a água menos densa se aproxima do fundo. Devido a este movimento de sobe e desce dentro do mar, partículas que estão a boiar à superfície, tais como detritos orgânicos e manchas de petróleo derramado pelos navios vão convergir e acumular-se por cima das cavas das ondas internas e vão-se afastar das regiões sobre as cristas. Desta forma consegue-se observar as ondas internas.Estas figuras representam a propagação de ondas internas na termoclina sazonal no oceano costeiro.

ONDAS INTERNAS

Onda interna de 1ª ordem. O nodo no centro, onde a interface entre camadas não tem movimento vertical e a água acima e abaixo do nodo movem-se apenas horizontalmente, enquanto que a água nos extremos da bacia se move verticalmente.

Onda interna de segunda ordem. Os dois nodos, a 1/4 e 3/4 do comprimento da bacia, onde a interface entre camadas não tem movimento vertical e a água acima e abaixo do nodo movem-se apenas horizontalmente, enquanto que a água nos extremos e no centro da bacia se move na vertical.

Superfície do mar

Superfície do mar

ONDAS INTERNAS

Onda interna a propagar-se na interface entre duas camadas: as partículas amarelas a meio da coluna de água movem-se apenas na vertical à medida que a onda passa; as particulas rosa na superfície e no fundo movem-se apenas na horizontal à medida que a onda passa. Em cada localização, as partículas na superfície e no fundo da coluna de água movem-se sempre em sentidos opostos. Zonas de convergência, onde as partículas de água se agrupam e zonas de divergência, onde as partículas se afastam, seguem a onda. Zonas de convergência localizam-se sempre onde a camada de água é mais espessa enquanto zonas de divergência se encontram onde as camadas de água são menos espessas.

Superfície do mar

ONDAS INTERNAS

Grupo de ondas internas a propagar-se para o estuário do rio Derwent, na Tasmânia (Austrália). O efeito das ondas é visível pelas faixas lisas sobre a superfície, produzidas por convergência sobre as cavas das ondas.

A observação das faixas de acumulação de detritos e de manchas de petróleo permite detectar e localizar as ondas internas e seguir o seu movimento.

Ondas internas ao largo da Costa Vicentina, sudoeste da Península Ibérica

ONDAS INTERNAS

Fotografia tirada a partir do space shuttle mostrando ondas internas ao largo Nazaré (costa oeste de Portugal). Nesta fotografia pode-se observar quatro grupos de ondas.

Outro efeito do movimento vertical das ondas internas é a alteração da rugosidade da superfície do mar. Sobre uma crista a superfície do mar apresenta-se mais rugosa e sobre uma cava a superfície do mar apresenta-se mais lisa. Estes padrões de rugosidade são detectados através de imagens obtidas a partir de satélites.

Fotografia tirada a partir do space shuttle mostrando a refracção e convergência (aceleração e encurvamento) de ondas internas ao largo da costa da Somália, provavelmente devido a variações da topografia do fundo.

Fotografia tirada a partir do space shuttle mostrando ondas internas geradas pela maré a passar através do estreito de Gibraltar. A massa terrestre na parte superior é Espanha e a massa terrestre na parte inferior é Marrocos.

ONDAS INTERNAS

Padrões de nuvens organizadas em bandas, gerados por ondas internas. O ar sobe com a crista das ondas e arrefece, produzindo a condensação do vapor de água e a formação das nuvens e desce com a cava, provocando o seu aquecimento e a evaporação da água das nuvens. As cristas das ondas tornam-se então visíveis sob a forma de faixas de nuvens com a forma de novelos de algodão.

Na atmosfera também existem ondas internas, que se propagam na região de separação entre o ar mais denso junto à superfície da Terra e o ar menos denso, que está por cima. No ar as consequências das ondas internas são mais espectaculares do que no oceano pois moldam formas e padrões de nuvens com aspectos muito curiosos.

Padrão de nuvens particularmente espectacular, produzido por uma onda interna em rebentação na atmosfera, sobre a Floresta Negra, na Alemanha. A rebentação ocorre porque a velocidade das partículas sobre as cristas se torna superior à velocidade de propagação das ondas.

ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA

B

BB

BB

A

A

A

A

A

Equador

Equador

oeste

oeste este

este

A circulação oceânica leva água para o equador a oeste e para o pólo a este. O centro de altas pressões progride para o pólo a este e para o equador a oeste. No equador o centro de altas pressões move-se para este.

A circulação oceânica leva água para o pólo a oeste e para o equador a este. O centro de baixas pressões progride para o pólo a este e para o equador a oeste. No equador o centro de baixas pressões move-se para este.

Temos establecido um movimento ondulatório a propagar-se ao longo da costa – onda de Kelvin

ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA

Ondas de Kelvin:

- propagam-se para o equador nas fronteiras oeste e para o pólo nas este dos oceanos- maior amplitude junto à costa- amplitude decresce exponencialmente para o largo (só são sentidas até ~100 km da costa)- o período é de alguns dias até poucas semanas- detectam-se nos marégrafos e causam inversões das correntes costeiras- c.d.o. na ordem de 100 km, mas variável conforme o padrão do vento- no Equador temos um caso especial....

ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA

Evidência da presença de ondas de Kelvin na costa do Chile/Peru e SW da P.Ibérica.

Correlação entre correntes em vários pontos medidos durante vários meses. Valores filtrados para remover variações com menos de um dia (p.ex. marés).As variações na corrente propagam-se para Sul a ~200 km/dia

Correlação entre nível do mar em vários marégrafos medidos durante vários meses. Valores filtrados para remover variações com menos de um dia (p.ex. marés).As variações na corrente propagam-se para Sul a ~300 km/dia

ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA

Movimento perpendicular à costa em situações de upwelling e downwelling. Estes movimentos cruzam as batimétricas.

Há ganhos e percas de vorticidade relativa devido ao declive da plataforma continental

A rotação induzida pelas variações de vorticidade relativa puxa a água para fora da costa nuns sítios e para a costa noutros. O resultado é uma propagação deixando a costa à direita. Um observador fixo vê a propagação de uma onda.

A onda resultante é aprisionada à costa, mas não cai exponencialmente para o largo. Mostra um segunda região de grande amplitude sobre o bordo da plataforma

ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA

Exemplos de propagação de ondas de Kelvin aprisionadas à costa na Austrália em Jan. Fev. 1989 `(esquerda) e Jul. 1997 (direita). Valores de nível do mar filtrados de modo a remover variações inferiores a três dias.