Altimetria

Oceanografia por satélites

Sumário

1. O nível da superfície do mar2. O altímetro3. Motivação4. Breve histórico5. Princípios de funcionamento6. Algumas definições7. Aplicações8. Trabalho sobre corrente geostrófica

A altimetria baseia-se no princípio que as correntes superficiais (magnitude e direção) podem ser estimadas conhecendo-se as elevações e depressões relativas da superfície do mar (topografia oceânica). Para tal o sensor, que na realidade é um radar, emite um pulso na faixa das microondas diretamente a nadir, e mede o tempo decorrido entre a emissão e recepção do pulso de retorno. A partir desta medida, de entendimento físico relativamente simples, é possível estimar a circulação oceânica superficial, com baixo curso relativo, e com caráter quase-sinóptico

1. O nível da superfície do marLua e sol atraindo o oceano, gerando marésMontes submarinos e fossas

Correntes oceânicasVentos, ondas

Aquecimento solar, expansão

Derretimento das geleiras

1. O nível da superfície do mar

órbita quasi-polar

2. O altímetro

2. O altímetro

Objetivo é medir as diferenças no nível da superfície do mar

Radar que emite sua própria energia na banda das microondas opera em f =13.5 GHz ou λ=2.2 cm

A energia das microondas

A energia das microondas

• A absorção atmosférica nesta banda é pequena e se deve majoritariamente ao vapor dágua

• Atravessam as nuvens• Oceano – opaco• Atmosfera – quase totalmente transparente, produz

erros

• Concentração de água na atmosf. altera velocidade de propagação do pulso;

3. Motivação

• Entender a circulação oceânica de grande escala

• Principal objetivo é o estudo das correntes, mas depois percebeu-se outras aplicações

• Os dados da altimetria auxiliam em modelos para fornecer a circulação geostrófica de grande escala

4. Histórico

• Nos anos 70, as primeiras missões espaciais para a observação da Terra foram lançadas.

• Estes satélites eram divididos, basicamente, pelos tipo de sensores que carregavam (ativos e passivos) e pelo tipo de órbita (geoestacionária e polar/semi-polar).

Skylab

• 1973• Testar o conceito do altímetro orbital• Precisão a altura da ordem de 1m• Medições grosseiras do geóide marinho –

fossas oceânicas• Altitude: 435 km

Geodynamics Experimental Ocean Satellite (GEOS-3)

• 1975-78• melhor desempenho• maior cobertura global• ainda não era suficiente para bons resultados

para a ciência• altitude: 845 km

Seasat

• 1978• possuía 4 instrumentos• funcionou por 110 dias• marco na observação dos oceanos• permitiu a 1a visão global da circulação

oceânica• altitude: 800 km

Geosat

• 1985• missão com 2 fases:

geodética e de repetição exata• marinha norte-americana• 1a série temporal com vários anos de dados • altitude: 800 km

ERS-1

• 1991 – 1999• em conjunto com o ERS-2 de 1995 a 1996• órbitas idênticas• altitude: 785 km

TOPEX/Poseidon

• 1992• objetivo de estudar e entender a circulação

oceânica• projetado para durar 3 anos, mas atingiu 10• NASA e CNES• dados a cada 10 dias• substituído pelo Jason-1• altitude: 1336 km

GFO

• 1998• fornecer dados de topografia oceânica em

tempo real para a marinha norte-americana • sucessor do Geosat• altitude: 880 km

1

Satélite Ano Freq. (GHz) Separação (km) Repetição (dias) Precisão (m)

Skylab 05/73 - 02/74 13.9 - - 1

Seasat 06/78 - 10/78 13.5 - - 0.5

Geosat 03/85 - 09/89 13.5 165 17 0.1

ERS1/2 06/91 - ativo 13.5 80 35 0.1

T/P 09/92 - 10/06 13.5 315 9.9156 0.03

GFO 02/98 - ativo 13.5 165 17 0.018∗

Jason 12/01 - ativo 13.5 315 9.9156 0.025

Evolução

Os 4 satélites atuais

• Jason-1 e Jason-2: ciclo de repetição de 10 dias.

• Envisat: ciclo mais longo, 35 dias. • ERS-2: mesma trajetória com intervalo de

tempo menor que o Envisat.

• órbita alta (1336 km)

• período orbital tem ~10 dias (127 revoluções)

• órbita tem 66o de inclinação (amostrando 90% dos oceanos)

• carregava um radiômetro para medir vapor d’água e fazer as devidas correções

• O sistema de posicionamento do T/P apresentava 3 diferentes métodos, por isso a alta precisão das medidas– Triangulação – ondas de rádio– Laser enviando sinal (sistema Doris, efeito

Doppler)– GPS*video locate

Precisões de 2 cm

Escalas

• Variações na circulação dos grandes giros~ 0,5 m

• Variações nas correntes geostróficas, mesoescala, variabilidade oceânica em geral

10 a 20 cm

*video process

Aumentar o conhecimento e capacidade de previsão do papel dos oceanos nas mudanças climáticas futuras. Este projeto pretende produzir uma síntese cada vez mais precisa de todos os dados de gelo e do oceano em escala global com resoluções que resolvam vórtices e sistemas de corrente que transportam calor, carbono e outras propriedades.

Projeto ECCO2

5. Como funciona a altimetria

• Mede o tempo de retorno do sinal

velocidade do pulso(vel. propagação da luz c = 300.000 km/s)

e distância percorrida tempo percorrido

hs = c. dt/2

hs = c. dt/2• hs é a distância instantânea medida entre o

centro de gravidade do altímetro e a superfície do mar

• c é a velocidade da luz• dt o tempo decorrente entre a emissão e

recepção do pulso

6. Algumas definições• Nível da superfície do mar: em relação ao elipsóide de

referência

• Anomalia do nível do mar: variações em relação a média

• Geóide marinho superfície do oceano quando o mesmo está em repouso; ou ainda ao nível médio do mar de longo período

• Altura ou topografia dinâmica: altura da superfície do mar relativa a uma superfície de mesmo potencial gravitacional, o geóide marinho

Geóide marinho:• não variável no tempo,

somente no espaço;

O geóide

• Superfície de potencial gravitacional constante

h = hs + hwet + hdry + hiono + hbaro + hotide + hetide + hEM

Onde:• (hiono) Elétrons livres na Ionosfera;• (hdry/wet) Troposfera seca e úmida (vapor d’água);• (hEM) Estado do mar (ruído eletromagnético);• (hbaro) Barômetro inverso (pressão atmosf. sobre a superfície do

mar);• (hetide) Maré Polar e Maré Terrestre;• (hotide) Maré Oceânica (corrigida por modelo)

Sistema de posicionamento DORIS do T/P

Sistema de posicionamento DORIS

• Importância da determinação precisa da posição do satélite.

• O sistema Doris (efeito Doppler) é o responsável por esta tarefa delicada.

• Envolve cálculo das coordenadas e possíveis velocidades em 3 dimensões em relação ao referencial (centro de massa da terra).

• Tarefa complicada pois o satélite está em movimento numa trajetória influenciada por parâmetros da lançamento e forçantes (atrito com a atmosf. e pressão da radiação solar).

Sistema Doris

Alguns sites (conteúdo)

• http://www.aviso.oceanobs.com/• http://sealevel.jpl.nasa.gov/• http://earth.esa.int/brat/• http://ecco2.org/• http://oceanworld.tamu.edu/

7. Aplicações

7. 1. Correntes geostróficas7. 2. Geodésia7. 3. Marés7. 4. Ondas de gravidade7. 5. El Niño/La Niña7. 6. Monitorar armazenamento de calor7. 7. Estudo das Ondas de Rossby

1. Correntes Geostróficas

• Geradas pelo desnível na superfície do oceano• Elevações e depressões: TOPOGRAFIA• Por mudar ao longo do tempo: DINÂMICA

Os principais termos da equação do movimento são, na forma vetorial, os seguintes:

Cujas componentes ficam resumidas em:

Revisão do balanço geostrófico

L 106m f 10-4s-1

U 10-1m/s g 10 m/s2

H 103m r 103kg/m3

                                              

P = rhz = 103101103 = 107Pa

T = L/U = 107 s

AS ESCALAS DE INTERESSE:

                                                  

                                       

10-11 + 10-11 + 10-11 + 10-14 = 10 + 10-5 -10

Assim, o único balanço importante é entre os termos de P e g, o balanço hidrostático.

                                   

O mesmo exemplo na equação horizontal do momento ficaria:

                                       

10-8 + 10-8 + 10-8 + 10-8 = 10-5 + 10-5

Assim, o balanço entre o termo de Coriolis e o do Gradiente de Pressão é o mais importante; este balanço é denominado BALANÇO GEOSTRÓFICO. As equações denominadas de equações geostróficas são:

Este BALANÇO domina os fluxos nos oceanos com escalas maiores que 50 Km e alguns dias !!!

                              

                           

, e integrando p em z,

7. 1. Inclinações e Correntes Geostróficas

• As correntes geostróficas são dominantes e estão associadas às inclinações da superfície através do balanço entre a força de Coriolis e o gradiente de pressão:

fu = −g ∂η/∂y −fv = −g ∂η/∂x

f = parâmetro de Coriolis; u e v = velocidades E-W e N-S;g = gravidade; η = elevação da superfície

• Maiores inclinações - correntes mais intensas - mais instabilidades

7. 1. Inclinações e Correntes Geostróficas

7. 2. Geodésia

• Trata das medidas e do monitoramento do tamanho e forma da Terra

• Erros não afetam as medidas de anomalia da altura, mas sim a altura absoluta.

• Projeto GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)

GRACE• Lançamento - março/2002• Mapear com acurácia as variações no campo

gravitacional terrestre nos seus 5 anos de vida.• Duas sondas espaciais idênticas sobrevoando a 220

km um do outro em uma órbita polar a 500 km da Terra.

• Medidas da distância entre os dois satélites com o uso de GPS e microondas

• Informação a respeito da distribuição e fluxo de massa no interior da Terra e arredores.

Animação grace

F = (G.m1.m2) / R2

7. 3. Marés

• Dificuldades devido ao período amostral (10 a 35 dias), e as marés mais energéticas são as semidiurnas e diurnas.

7. 4. Ondas de gravidade

• Rugosidade da superfície pode ser detectada pelo altímetro

• Reflexão na crista ocorre antes da reflexão no cavado

• Possível estimar a altura média das ondas• Utilizado para correções de dados altimétricos

7. 5. El Niño

Junho 2009

El Niño

Julho 2009

El Niño

Agosto 2009

El Niño

Setembro 2009

El Niño

Outubro 2009

Out. 1997

Out. 2004

Out. 2009

7. 6. Armazenamento de calor

• Apesar da máxima compressão da água ser de 4% (praticamente incompressível), ainda afeta o nível do mar em vários cm, para a altimetria tem diferença.

7. 6. Armazenamento de calor

7. 7. Ondas de Rossby

• Transferem a energia para o interior dos oceanos proveniente dos contornos

• Propagação para oeste• Restauração pela lei da conservação da

vorticidade potencial

Diagramas de Hovmöller

8. Trabalho

• Dados podem ser adquiridos na página da AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Data in Oceanography)

http://www.aviso.oceanobs.com/en/data/products/index.html

• Objetivo do trabalho é determinar a velocidade geostrófica de correntes de contorno oeste a partir dos dados de topografia dinâmica, extraídos do produto altimétrico

• 5 correntes de contorno = 5 grupos

Trabalho

• Dado: 1/3o x 1/3o

• Produto AVISO: médias de 7 dias• Calculada médias semestrais para remover

ruídos• Merged: combinação de dados de mais

satélites

1o semestre 2008

2o semestre 2008

Mais alguns sites (produtos e dados)

• http://www.csr.utexas.edu/grace/• http://www.aviso.oceanobs.com/• http://earth.esa.int/brat/