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Circulação das águas em Estuários

Carlos Ruberto Fragoso Júnior

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Sumário

Conceitos e definições Importância da circulação da água Fatores que influenciam a circulação Equipamentos que medem a circulação

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Circulação das águas ou correntes É toda transferência de massa

d’água de um canto para o outro por meio de força externa.

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Hidrodinâmica

Hidrodinâmica (ou dinâmica de fluidos) é uma sub-disciplina de mecânica dos fluidos que lida com a ciência de fluxo de fluido — a ciência natural de fluidos (líquidos e gases) em movimento.

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Ondas

Apresentam periodicidade mas não tem velocidade de escoamento significativa

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Correntes

Não são necessariamente periódicas mas apresentam velocidade de escoamento significativa

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Delineia zonas/manchas no estuários Conecta estas zonas Driver biológico Transporta recursos, calor e organismos

Importância da circulação da água

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Água em movimento

•Transporte

•Mistura dentro e entre zonas

imboden (2004)Kallff (2002)

Importância da circulação da água

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Hidrodinâmica e Plâncton

Lagoa Itapeva: Zooplâncton em lagoa subtropical rasa

Alterações Temporais e Espaciais em densidade, diversidade e riqueza dependente fortemente de hidrodinâmica derivada

do vento.

Cardoso & Motta Marques (2003)

hour/day

season

space

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Físicos Rotação da terra Vento Maré Contorno Batimetria Temperatura (densidade) Tipo de fundo Rios afluentes, conexões

Químicos Salinidade (densidade)

Biológicos Plantas aquáticas

Fatores que influenciam a circulação

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Força de Coriolis

Força devido a rotação da Terra.

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Força de Coriolis

A força de Coriolis, embora não possa causar o movimento da água, é importante porque pode modificar, significativamente, a direção do movimento da água, especialmente em lagos e estuários grandes afastados do equador.

A força de Coriolis é uma força aparente que surge porque analisamos o escoamento fixando o referencial à Terra, que está em movimento de rotação.

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Força de Coriolis

A Terra completa uma rotação completa por dia, o que corresponde a, aproximadamente, 1660 km.h-1 na latitude zero (Equador).

Mas, à medida que a latitude cresce, a velocidade de rotação da Terra corresponde a uma velocidade menor sobre a superfície.

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Força de Coriolis

Um objeto em repouso na linha do Equador tem, na realidade, uma velocidade de 1660 km.h-1 na direção de rotação da terra e um objeto em repouso na latitude 30o S tem, na realidade, uma velocidade de 1437 km.h-1.

Se o primeiro objeto deixar a linha do Equador e for transferido instantaneamente para a latitude 30o S, ele terá uma velocidade 223 km.h-1 superior na direção de rotação da Terra do que objeto em repouso aparente.

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Força de Coriolis

Assim, o resultado é que, no hemisfério Sul, os fluidos escoando para o Sul são desviados para Leste e os fluidos escoando para o Norte são desviados para Oeste, ou seja, os escoamentos são sempre desviados para a esquerda no hemisfério Sul.

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Força de Coriolis

Os efeitos da força de Coriolis tornam-se significativos em lagos e estuários maiores do que 5.rc; onde rc é um raio característico que depende da velocidade média da água e da latitude.

onde rc é o raio característico de circulação inercial (m); u é velocidade média da água (m.s-1); é a velocidade angular da terra (7,29 . 10-5 rad.s-1); e l é a latitude.

lc sin2

u

f

ur

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Força de Coriolis

Considerando um lago na latitude de 30o (latitude aproximada dos lagos do RS), onde a velocidade da água é de 0,1 m.s-1, o valor de rc é de 1370 m.

Se o lago for maior do que 7 km (5.rc), aproximadamente, a força de Coriolis será significativa.

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Vento

Vento exerce força de cisalhamento na superfície

Além das ondas o vento produz correntes Impacto é maior em áreas rasas

vento

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Circulação devida ao vento

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Circulação devida ao vento

vento

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Vento

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Formação de ondas pelo vento Depende de 3 fatores velocidade do vento duração do vento Fetch (distância contínua sobre a qual o

vento viaja em contato com a água).

Somente quando os três fatores ocorrem juntos é que existem ondas.

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Fetch

Fetch é a distância contínua em que o vento pode atuar sobre a superfície, aumentando as ondas.

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Fetch

Quanto maior o fetch maiores as ondas

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Fetch

Em português às vezes usa-se “pista” como tradução de fetch.

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Fetch

O Fetch depende da direção do vento, da configuração do lago e do ponto observado.

Fetch não depende da intensidade do vento.

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Fetch

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Fetch

ventoA

B

C

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Fetch

vento

A

B

C

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Comprimento de onda

O comprimento de onda em estuários pode ser aproximado pela expressão abaixo:

onde L é o comprimento da onda e H é a altura da onda

H20L

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Efeito da onda na ressuspensão Sedimentos finos se depositam quando a

velocidade da água é baixa durante um longo tempo.

Ondas podem ressuspender sedimentos finos.

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Impacto das ondas no fundo do lago

L

Se prof<L/2 movimentoda água atinge o fundo

Caso contrário, ondas não afetam o fundo

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Ressuspensão

Ventos e ondas podem manter sedimentos finos em suspensão diminuir a transparência da água, limitando a entrada de luz.

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Outros tipos de circulação que tem a ver com ondas Langmuir Correntes de retorno

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Circulação de Langmuir

Formação de correntes helicoidais em células de água paralelas à superfície ocasionada pelo vento.

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Circulação de Langmuir

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Correntes induzidas por ondas no litoral

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Correntes induzidas pelo vento

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Entradas e saídas de água Em geral os rios trazem a maior

parte dos nutrientes e sedimentos para o interior dos lagos, por isso, a circulação originada pelas entradas destes afluentes é particularmente importante.

Estuários em contato com o oceano, por outro lado, podem receber entradas de água salgada, com características distintas de densidade, turbidez e concentração de nutrientes.

As velocidades de escoamento também tendem a ser maiores onde existem entradas ou saídas.

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Entradas e saídas de água

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Pode ser térmica ou salina; A estratificação provoca estabilidade na

coluna d’água; Estabilidade significa menos turbulência e

menos mistura; São vários impactos sobre a qualidade da

água, é o principal fator de interferência na qualidade da água em lagos;

A estratificação térmica foi observada pela primeira vez em lagos suíços em 1880.

Estratificação de densidade

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5º C

Estratificação de densidade

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Equação de estado da água do mar(Trabalho de casa)

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Estratificação de densidade

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Estratificação de densidade

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Estratificação de densidade

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Cunhasalina

Parcialmentemisturado

Bemmisturado

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Forma do estuários e batimetria A forma em planta e as diferenças na

profundidade dos lagos e estuários condicionam fortemente a circulação da água.

Canais mais profundos no interior de um estuário ou lago podem concentrar bastante o escoamento e locais que restringem o escoamento de alguma forma, como ilhas ou pontais, podem gerar zonas de velocidade mais elevada.

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Largura e profundidade - funções Para muitos estuários a batimetria pode ser aproximada por:

Onde Wx é a largura do estuário (m), WL é a largura da boca do estuário (m), Dx é a profundidade do estuário (m), DL é a profundidade da boca (m) e λ é o comprimento do estuário (m).

n

Lx

xWW

m

Lx

xDD

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Largura e profundidade - funções Para muitos estuários a batimetria pode ser aproximada por:

Onde Wx é a largura do estuário (m), W0 é a largura da boca do estuário (m), Dx é a profundidade do estuário (m), D0 é a profundidade da boca (m) e λ é o comprimento do estuário (m).

L/xa0x eWW

L/xb0x eDD

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Vegetação aquática

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Vegetação aquática

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Parâmetros de mistura

Razão do escoamento

Onde R é a vazão do rio, A é a área da seção transversal e Ut é a corrente média de maré (AUt é aproximadamente o prisma de maré

P < 0.01 – Estuário bem misturado P > 0.1 – Estuário bem estratificado

tAU

RP

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Parâmetros de mistura

Número do Estuário:

Onde T é o período de maré; R é a vazão do rio; Fm é dado por:

Onde uf é a velocidade média do rio; h é a profundidade da água

Ne < 0.1 – Estuário bem misturado Ne > 0.1 – Estuário estratificado

TR

PFN

2m

e

gh

uF fm

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Perfis de velocidade em rios

Perfis de velocidade de escoamento

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Medição de Vazão - Expedita

Utilizando um flutuador: Escolher um trecho retilíneo do rio que tenha seção constante; Marcar uma distância de no mínimo 10m; Medir a área da seção do rio; Lançar o flutuador e contar o tempo para percorrer a distância demarcada. Calcular a vazão com a fórmula.

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Medição de Velocidade da água - Molinete

Características:

Velocidade pontual Calibração para obter relação: (n° de revoluções/min) e (velocidade m/s) Pode ser utilizado abordo de barcos ou de teleféricos sobre a seção do rio A velocidade é conhecida contando o numero de revoluções realizadas em um intervalo de tempo (> 30s em geral)

Canal de Velocidade - IPHUFRS

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Molinete

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Molinetes

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Molinetes

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Medição à Vau- Para pequenas profundidades ( ~ 1.20 m)

- Para pequenas vazões

- molinete preso à uma haste

Medição com Molinete

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Vazão x velocidade

Pequenos rios

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Molinete preso à haste

( medição a vau)

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Vazão x velocidade

Pequenos rios

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Medidores ultrasom Doppler

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Medições de vazão usando um aparelho de medição de velocidade por efeito Doppler em ondas acústicas.

ADCP

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Medição de Vazão - ADCP

ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler

Segue o mesmo princípio da medição com molinete, ou seja medir velocidades pontuais na seção do rio.

Sua vantagem é de ter maior precisão e mais rapidez

Interface para conexão com computador

Permite medições em tempo atual

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Medição de Vazão - ADCP

Efeito Doppler

Um fonte emissora tem freqüência constante f

f é percebida maior quando a fonte aproxima-se do observador

f é percebida menor quando a fonte afasta-se do observador

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Medição de Vazão - ADCP

O aparelho ADCP utiliza este efeito para estimar a velocidade de escoamento de um fluído.

A sonda emite uma onda sonora com freqüência padrão e analisa a freqüência que é refletida nas partículas em suspensão na água.

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Princípio ADCP

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volume de controle

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volume de controle

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volume de controle

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perfiladores

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perfiladores

não medemuito próximo do aparelho

não medemuito próximo ao fundo

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Rio Amazonas

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rio Amazonas em Manacapuru