Introdução a oceanografia fisica

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Oceanografia Fsica: IntroduoO Oceano como um sistema fsico e o seu papel no ciclo hidrolgicoO oceano um sistema fsico, pois no seu interior e atravs das suas fronteiras desenrolam-se processos fsicos, ou seja, processos descritos por leis da fsica. A Oceanografia Fsica tem como objectivo compreender, descrever e analisar estes processos. Assim, para alm de fazer o diagnstico, poder tambm fazer o prognstico da evoluo destes sistemas e prever as suas implicaes. Estas, no so s fsicas e, por isso, a Oceanografia uma matria interdisciplinar em que a Oceanografia Fsica representa uma parte fundamental. A transferncia sucessiva de gua entre os diversos reservatrios existentes na Terra chama-se Ciclo Hidrolgico. A atmosfera, embora tenha um baixo contedo relativo de gua, desempenha um papel importante como agente nessa transferncia. Mas o oceano domina o ciclo hidrolgico em termos de contedo de gua. Ele contm cerca de 97% do total de gua do Planeta. Contudo a atmosfera que proporciona as grandes transferncias de gua (e de energia) de regio para regio atravs do ciclo hidrolgico. De facto, o tempo de residncia da gua nos oceanos medido em milhares de anos e na atmosfera medido em dias! Tempo de residncia: o perodo de tempo mdio em que uma molcula de gua armazenada num dado reservatrio do ciclo hidrolgico. calculado dividindo a quantidade de gua num reservatrio pela quantidade de gua que entra (ou sai) na unidade de tempo. Manifestaes da presena de gua na atmosfera so as nuvens e os nevoeiros. Ambos consistem em pequenssimas gotas de gua ou cristais de gelo que condensaram. Contudo, a maior parte da gua na atmosfera est no estado gasoso (vapor de gua). O ar est saturado quando h um equilbrio entre condensao e evaporao. Quanto maior for a temperatura, maior a energia disponvel para a evaporao e assim o ar quente suporta mais humidade que o ar frio, sem saturar. H duas formas pelas quais o ar no saturado pode arrefecer e assim ficar saturado e comear a condensar, formando nuvens ou nevoeiro: (i) arrefecimento adiabtico quando o ar sobe e se expande, porque a presso atmosfrica diminui; (ii) arrefecimento provocado por contacto com superfcies frias.

O Oceano um sistema fsico que interage com os outros sistema que integram o grande sistema que o Planeta.

Interaco do Oceano com a Atmosfera e processos fsicos no Oceano

O CICLO HIDROLGICO

O ciclo hidrolgico, mostrando os movimentos anuais de gua atravs do ciclo (nmeros a negro) e a quantidade de gua acumulada em cada reservatrio (nmeros a azul). Todas as quantidades esto em 1015 kg (1015 kg de gua 103 km3 ). (adaptado de Open Univ. Course Team, 1989)

Reservatrio Oceanos Calotes polares e gelo gua no solo Rios e lagos Atmosfera

Percentagem do total 97.96 1.64 0.36 0.04 0.001

Profundidade da esfera (m) 2685 45 10 1 0.03

A quantidade de gua nos diversos reservatrios, em termos da percentagem do total e em termos de profundidade se toda o contedo se espalhasse pela Terra. (adaptado de Stowe, 1979)

Mecanismos que geram os movimentos do OceanoA gua do oceano est em movimento constante, com escalas que vo desde as grandes correntes at aos pequenos vrtices. Quais as causas de todo este movimento? A resposta mais breve ser: a radiao solar e a rotao da Terra. Contribuio da energia radiante solar A) O Sol influncia a circulao ocenica atravs da circulao atmosfrica, isto , os ventos. A energia transferida dos ventos para as camadas superficiais do oceano atravs do atrito entre a atmosfera e a superfcie do mar. Esta a chamada circulao induzida pelo vento. B) Sol influencia a circulao ocenica porque causa variaes na temperatura e na salinidade da gua do mar, que por sua vez controlam a densidade da gua do mar. As variaes de temperatura so causadas por fluxos de calor atravs da interface argua. As variaes de salinidade so causadas pela adio e remoo de gua doce, principalmente pela precipitao e evaporao, mas tambm pelas transies gelogua, nas regies polares. Todos estes processos esto directa ou indirectamente ligados ao efeito da energia radiante solar. Se, por algum processo, a gua superficial do oceano se tornar mais densa que a gua que se encontra por baixo, gera-se uma situao de instabilidade e a gua superficial afunda-se. Gera-se assim uma circulao, governada pela densidade, que resulta de um arrefecimento e/ou de um aumento da salinidade da gua superficial. circulao induzida por variaes espaciais da densidade chama-se circulao termohalina. Contribuio da rotao da Terra Excepto para uma camada muito fina junto ao fundo do oceano, o arrastamento da gua pela Terra slida inexistente. O mesmo se passa para as massas de ar. Um projctil disparado para norte a partir do equador move-se para leste tal como a Terra e para norte com a velocidade do disparo. medida que se desloca para norte, a velocidade com que a Terra se move para leste cada vez menor (v=r..!). Como resultado, relativamente Terra, o projctil no se desloca s para norte, mas tambm para leste, ou seja, para a sua direita. O mesmo raciocnio vlido no caso de ser disparado de norte para sul, no hemisfrio norte: relativamente Terra desloca-se no s para sul, mas tambm para a sua direita, ou seja, oeste. O mesmo acontece com as massas de gua (ou ar) em movimento. o efeito da fora aparente: fora de Coriolis. Para o estudo do movimento do Oceano e suas causas (oceanografia dinmica), as seguintes leis so tomadas como axiomas: Conservao da massa Conservao da energia 1 Lei de Newton (se nenhuma fora actua um corpo ele no muda o seu estado de movimento)

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2 Lei de Newton (a taxa de variao do movimento de um corpo directamente proporcional resultante das foras que actuam o corpo) 3 Lei de Newton (para uma fora a actuar num corpo h uma fora igual e oposta a actuar noutro corpo) Conservao do momento angular Lei da gravitao universal de Newton.

Que foras actuam o Oceano? Directas: causam o movimento Gravitao (terrestre, incluindo foras de presso, Sol e Lua) Tenso do vento (pode ser tangencial atrito, ou normal presso) Presso atmosfrica (1mb faz variar a superfcie do oceano em cerca de 1cm) Ssmicas (resultam do movimento do fundo marinho) Fora de Coriolis (aparece porque a Terra gira) Foras de atrito (actuando nas fronteiras opem-se ao movimento ou actuando internamente uniformizam o movimento. Fazem dissipar energia mecnica convertendo-a em energia trmica)

Indirectas: resultam do movimento

Os movimentos podem ser classificados de acordo com as foras que lhes do origem: Circulao termohalina: resulta da variao da densidade numa regio limitada, de modo que a aco diferencial da gravidade gera movimento relativo. Circulao induzida pelo vento: circulao nas camadas superficiais, ondas de superfcie e afloramento de guas da sub-superfcie (upwelling). Correntes de mar: essencialmente horizontal e consequncia directa da Lei da Gravitao. Tsunamis ou ondas ssmicas no oceano: resultam de foras aplicadas junto ao fundo devido a movimentos da crusta submarina. Movimentos turbulentos: resultam do shear da velocidade, ou seja, gradientes da velocidade, por vezes nas fronteiras do oceano. Movimentos diversos: ondas internas, ondas de inrcia, ondas planetrias de Rossby, etc..

Porque se movem as guas do Oceano?

Energia solar

Rotao da Terra

Contribuio da energia solar:

Variaes de temperatura Circulao atmosfrica ventosCausa: aquecimento diferencial da atmosfera Causa: fluxos de calor atravs da interface ar-gua

Variaes de salinidadeCausas: precipitao e evaporao; transies de fase ar-gelo

Variaes espaciais da densidade da gua

Circulao induzida pelo vento

Circulao termohalina

Contribuio da rotao da Terra:

Efeito da fora de Coriolis,porque a Terra curva para os plos. Resultado: os movimentos so deformados.

(a) Um projctil lanado para Norte apartir do equador move-se para Leste tal como a Terra e para Norte com a velocidade de disparo.

(b) Trajectria do projctil relativamente Terra.No tempo T1 o projctil moveu-se para M1 e a Terra para G1. No tempo T2 o projctil moveu-se para M2 e a Terra para G2. H depleo causa pela fora de Coriolis, maior para maiores latitudes.

A roda da bicicleta no roda no Equador, mas vai rodando no sentido dos ponteiros do relgio relativamente Terra, cada vez com maior velocidade medida que se aproxima do plo.

As diferentes escalas na Circulao dos OceanosDevido diversidade de foras actuantes no oceano, os movimentos ocenicos so um somatrio de movimentos de diversas escalas. Os movimentos no Oceano vo desde os pequenos turbilhes, na escalas dos milmetros, at s grandes correntes ocenicas, na escala das dezenas de milhares de quilmetros, como a corrente do Golfo ou o giro do Atlntico Norte. Embora estas escalas se sobreponham, elas podem ser tratadas de forma independente. As foras relevantes que actuam so diferentes e as leis fsicas preponderantes para a explicao dos fenmenos so em geral diferentes. As escalas tpicas dos movimentos ocenicos so: larga escala: as grandes correntes ocenicas que determinam a circulao geral do oceano (>1000km). mesoescala: fenmenos locais, independentes da circulao geral (mas por vezes com implicaes na circulao geral). So movimentos que resultam da aco de foras locais e cuja escala da ordem de dezenas ou centenas de quilmetros. So exemplos as correntes e contra-correntes costeiras, vrtices (ou eddies) com raios de dezenas de quilmetros, afloramento costeiro (upwelling), filamentos, frentes, etc. pequena escala: movimentos escala de metros: cinemtica e dinmica interna dos vrtices e filamentos, movimentos nas frentes de temperatura, movimentos junto ao fundo em guas pouco profundas, movimentos em portos e enseadas, etc. microescala: movimentos na escala dos centmetros ou menor: difuso molecular, fenmenos nas fronteiras, viscosidade, tenso superficial, etc.

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Circulao de larga escala

Exemplo da circulao de larga escala:Circulao geral dos oceanos.

Circulao de mesoescala

Exemplo da circulao de mesoescala: Afloramento costeiro,filamentos, vrtices, correntes e contracorrentes costeiras, etc.

Circulao de pequena escala

Exemplo da circulao de pequena escala: hidrodinmica costeira.Ondas, correntes costeiras induzidas pelas ondas, Interaco entre o escoamento e o fundo, pequenos vrtices, algumas ondas internas, etc.

Propriedades Fsicas da gua do MarAs propriedades fsicas relevantes da gua pura para o estudo da dinmica de fluidos so a presso e a temperatura. Para a gua do mar temos que juntar a salinidade. A densidade ser pois funo da temperatura, salinidade e presso ( (S,T,P)). Salinidade uma medida da quantidade de sais dissolvidos, expresso em gramas de material dissolvido num quilograma de gua do mar. Um valor mdio para a gua do mar 35gr por 1000gr, expresso por 35 (partes por mil) ou, hoje em dia, apenas 35. O efeito dos sais dissolvidos na gua do mar, altera as propriedades fsicas da gua pura, mas no desenvolve novas propriedades. Induz: pequenas variaes na compressibilidade, expanso trmica e ndice de refraco. grandes variaes no ponto de congelao, densidade, temperatura de densidade mxima e conductividade elctrica.

Densidade Do ponto de vista da oceanografia fsica o aspecto mais importante a forma quantitativa como a densidade varia com as alteraes de temperatura, salinidade e presso. A densidade, , decresce com a temperatura e cresce com a salinidade e a presso. Em oceanografia fsica utiliza-se por vezes a densidade, , por vezes o volume especfico, =1/, e quase sempre uma quantidade chamada t (sigma-t). A densidade da gua do mar , na realidade, uma densidade relativa, porque as determinaes laboratoriais so feitas por comparao com gua pura. Consegue-se assim uma de 3 em 106. As determinaes directas de tm uma preciso de 10 em 106. De qualquer maneira, em geral so as diferenas de densidade que so importantes e no os seus valores absolutos. Por isso um certo grau de incerteza no relevante. Seguindo a prtica corrente, tomamos com dimenses [ML-3]. Em oceanografia, quando falamos da presso, esta refere-se presso hidroesttica, isto , a presso devida apenas coluna de gua acima de um dado nvel (profundidade). Isto implica que tomamos P=0 quando o nvel a superfcie e est presso atmosfrica. Sigma-t (t) definido como t=(S,T,P-1000), apenas por simplicidade. A densidade da gua do mar varia entre 1000 kgm-3 (gua doce) e cerca de 1028 kgm-3 (a gua mais densa superfcie, onde P=0). Como a variao apenas nos dois ltimos algarismos, o uso de t mais prtico (p.ex. T=10C, S=35 e P=0 =1026,96 kgm-3 t=26.96). Embora t tenha unidades, usual omiti-las. Todo o oceano aberto est compreendido entre 2C e 30C de temperatura e 30 e 40 de salinidade. Cerca de 90% do oceano aberto est entre 2C e 10C e 34 e 35 e representa maioritariamente gua de sub-superfcie. O restante gua de superfcie. No existe mtodo rpido, prtico e seguro para medir a densidade in situ. Pode ser medida em laboratrios, mas os mtodos so lentos. Na prtica a densidade deduzida a partir da temperatura, salinidade e presso, que so medidas directamente. A dependncia entre a densidade e a temperatura, salinidade e presso representada pela equao de

estado da gua do mar, que bastante complicada. No entanto: A relao entre a densidade e a temperatura e salinidade no linear, mais na temperatura que na salinidade. A densidade menos sensvel a variaes de temperatura a baixas temperaturas que a altas temperaturas. A salinidade determinada a partir de medies da conductividade elctrica e da temperatura. Sensores de conductividade (C), temperatura (T) e presso (D, do ingls depth) so habitualmente reunidos na mesma unidade de medida, o CTD. Temperatura Potencial Como a gua ligeiramente compressvel, uma poro de gua trazida do oceano profundo para a superfcie expande-se e portanto tende a arrefecer. A temperatura de uma poro de gua do mar trazida adiabaticamente at superfcie ser assim mais baixa do que a medida in situ. A esta temperatura chama-se temperatura potencial. Esta propriedade termodinmica usada para comparar massas de gua a profundidades significativamente diferentes ou quando estudamos movimentos verticais sobre uma gama de profundidades elevada.

Propriedades fsicas da gua do mar

A densidade (escrita em sigma-t) como uma funo da temperatura e salinidade, numa gama apropriada para todo o oceano. Note-se que 90% da gua de todo o oceano est dentro da rea a tracejado.

gua pura

gua do mar mdia

te m pe rat ur a (

4 2 0 -2 0temperatura de densidade mxima temperatura de congelaoS=24.7 T=-1.33C

10

20 salinidade

30

40

A temperatura de densidade mxima e o ponto de congelao da gua do mar em funo da salinidade.