propriedades físicas da água nas zonas costeiras: fluxos de calor e

2º Ciclo em Sistemas Marinhos e Costeiros – Oceanografia Costeira, módulo de Física
PROGRAMA
Introdução
Importância e variabilidade das regiões costeiras no Mundo. Propriedades físicas da
água nas zonas costeiras: fluxos de calor e temperatura; descarga dos rios, salinidade
e densidade; estratificação e estabilidade.
Dinâmica do Oceano nas Regiões Costeiras
Influência do vento na circulação costeira; o afloramento costeiro. Efeito da
topografia na circulação costeira; ondas longas topográficas e ondas longas
aprisionadas na margem continental. Alguns aspectos da variabilidade dinâmica nas
zonas costeiras: ondas de superfície; marés e correntes de maré; ondas de
tempestade; tsunamis. Frentes de densidade. Meandros, vórtices e filamentos.
Plumas costeiras, estratificação e flutuabilidade. Ondas e marés internas.
Estuários e Sistemas Lagunares
Caracterização dos estuários; definição de estuário; classificações dos estuários.
Hidrodinâmica dos estuários. Balanço de sal em estuários. Marés em estuários.
Processos de mistura em rios e estuários. Tempo de residência em estuários. Alguns
aspectos da hidrodinâmica de lagoas costeiras; o caso da ria Formosa.
2º Ciclo em Sistemas Marinhos e Costeiros – Oceanografia Costeira, módulo de Física
BIBLIOGRAFIA
Descriptive Physical Oceanography. L. D. Talley, G. L. Pickard, W. J. Emery, and J. H. Swift,
6th Edition, Academic Press, 2011.
Descriptive Physical Oceanography: An Introduction. G. Pickard e W. Emery, Butterworth
Heinemann, 5ª edição, 1990.
Introductory Dynamical Oceanography. S. Pond e G. Pickard, Pergamon Press, 2ª edição, 1983.
An Introduction to Physical Oceanography. Tomczak, M., 2002:
http://www.es.flinders.edu.au/~mattom/IntroOc/index.html.
Shelf and Coastal Oceanography. Tomczak, M., 1998:
http://www.es.flinders.edu.au/~mattom/ShelfCoast/index.html.
Introduction To Physical Oceanography. R. H. Stewart, Department of Oceanography, Texas
A&M University, 2008: http://oceanworld.tamu.edu/ocean410/ocng410_text_book.html.
Waves, Tides and Shallow-Water Processes. Open University, Oceanography Course Team,
Oceanographic Series, volume 4, 2ª edição, Butterworth Heinemann, 1998.
Introduction to Physical Oceanography. J.A. Knauss, Prentice Hall, 2ª edição, 1997.
Coastal and Shelf Sea Modelling. P. Dyke, Kluwer Academic Publishers, 2000.
Estuaries: A Physical Introduction. K.R. Dyer, John Wiley & Sons Ltd., 2ª edição, 1997.
Dispersion in Estuaries and Coastal Waters. R. Lewis, John Wiley & Sons Ltd, 1997.
Dynamics of Marine Ecosystems. Mann, K. and J. Lazier, 2ª edição, Blackwell Science, 1991.
INTRODUÇÃO
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
Em águas costeiras as condições oceanográficas diferem em muitos aspectos das que se
observam em oceano aberto.
• Fatores responsáveis por essas diferenças:
- presença da costa como uma fronteira para o escoamento;
- baixa profundidade da água sobre a plataforma continental;
- descargas dos rios e precipitação;
- efeitos das massas de ar continental quando se propagam sobre o mar.
A zona costeira sobre a plataforma continental é um ambiente extremamente energético:
- a altura da maré é maior e as correntes de maré são mais fortes próximo da costa.
- as variações de temperatura e salinidade, do nível do mar e as correntes são mais
pronunciadas nas zonas costeiras do que em oceano aberto.
Como dois terços da população mundial vive nas zonas litorais, o oceano costeiro é
geralmente mais importante do que o oceano aberto em relação à atividade humana:
- a atividade pesqueira é praticada maioritariamente em águas costeiras;
- problemas como o despejo de esgotos ou efluentes industriais têm importância imediata;
- o conhecimento do oceano costeiro é fundamental para operações de busca e salvamento,
produção e mitigação do derrame de petróleo, actividades portuárias e náuticas de recreio, etc.
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
A costa pode ser definida como a parte da massa terrestre adjacente ao mar. A praia é o limite
da costa na direcção do mar e estende-se do nível do mar mais elevado ao mais baixo. A
plataforma continental estende-se da costa para o largo com um gradiente de profundidade de
1 unidade na vertical por 500 na horizontal. O seu limite exterior é o bordo da plataforma e
corresponde a um gradiente de profundidade de 1 em 20.
Margem continental passiva
terra
plataforma continental
Margem continental activa (convergente)
plataforma continental
nível do mar
vertente continental
rampa continental
nível do mar
planície
abissal
vertente continental
fundo oceânico
50 km
distorção vertical =10X
plataforma
vertente
rampa
50 km
planície
abissal
terra
fossa
oceânica
50 km
distorção vertical =10X
nível do mar
rift
plataforma
vertente
montanhas submarinas
crista submarina
fossa
distorção vertical = escala horizontal/escala vertical = 50/5 = 10X
Principais aspectos do fundo do oceano, incluindo os vários tipos de margem continental
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
A largura da plataforma continental varia consideravelmente ao longo do oceano mundial.
Algumas regiões não têm quase plataforma continental enquanto outras têm plataformas
bastante extensas.
Relevo da superfície da Terra, incluindo continentes e fundos oceânicos
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
Regiões com grandes plataformas incluem os mares da plataforma Europeia. A península
Ibérica tem uma plataforma estreita e irregular.
Relevo da superfície terrestre na região do oceano Atlântico Norte
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
A plataforma e vertente continental são por vezes
cortadas por grandes canhões submarinos. Alguns
estão relacionados com rios, mas muitos não estão,
como são exemplo alguns canhões submarinos da
Península Ibérica
O fundo submarino ao largo da Península Ibérica
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
Um dos principais efeitos da costa sobre o oceano como uma fronteira é limitar
possíveis direções do movimento, de modo a que os escoamentos horizontais tendam a ser
paralelos à costa.
• As praias estão num equilíbrio delicado entre as várias forças. Mudando um aspecto
deste equilíbrio pode facilmente alterar a praia. Este equilíbrio é geralmente determinado
pelas correntes locais, que são frequentemente forçadas pelas marés.
• Molhes e quebra-mares, concebidos para protecção da orla costeira das vagas e da
ondulação, também podem redirecionar as correntes, particularmente as que transportam
areia e sedimentos. Isto pode levar a mudanças inesperadas ou indesejáveis, tais como a
deposição de sedimentos e a formação de baixios (bancos de areia) ou a prevenção do
movimento de areia ao longo da costa necessário para manter uma praia cujo material é
continuamente erodido pela ação das ondas.
Outro efeito importante da região costeira é o de que as ondas de largo ao entrar na
região de empolamento na plataforma sofrem refração, refleção e rebentam, mudando a
sua altura, velocidade, direção e até mesmo a distribuição de energia entre os diferentes
comprimentos de onda. Por exemplo, tsunamis, gerados por terramotos submarinos (ou
maremotos), propagam-se através do oceano aberto como perturbações muito suaves da
superfície mas podem empolar até amplitudes muito grandes à medida que se aproximam da
costa, com efeitos desastrosos para as comunidades locais. A refração, reflexão e rebentação
da agitação marítima induz correntes ao longo da costa e também perpendiculares à costa.
IMPORTÂNCIA E VARIABILIDADE DAS REGIÕES COSTEIRAS NO MUNDO
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
A profundidade baixa nas regiões costeiras limita o volume de água disponível para a
mistura ⇒ isso amplifica o ciclo sazonal da temperatura, pois a água aquece e arrefece
mais rapidamente do que em oceano aberto.
• Nalgumas regiões da plataforma a salinidade também sofre uma grande variação
sazonal, como resultado da entrada sazonal de água doce da chuva ou da descarga dos rios.
•Uma consequência da salinidade reduzida em águas costeiras é a maior estabilidade devido
à haloclina acentuada, de tal forma que a entrada de energia solar no verão é retida na
camada superficial, com o consequente aumento de temperatura para valores elevados.
•Esses efeitos podem levar ao estabelecimento de uma termoclina sazonal particularmente
acentuada durante o Verão, que atua como um obstáculo para a troca de propriedades. Por
outras palavras, a mistura através da coluna de água é reduzida, as correntes estão
restringidas à camada acima da termoclina e a qualidade da água pode ser adversamente
afectada pela falta de troca turbulenta de propriedades.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
Temperatura na ria Formosa, à entrada (barra de Faro-Olhão) e no interior (cais
comercial de Faro): no outono a temperatura é mais baixa no cais comercial do que
na barra porque o arrefecimento é maior onde a coluna de água é menor; no fim da
primavera ocorre o oposto, i.e., há um maior aquecimento da água no cais comercial.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
A descarga dos rios afeta as regiões costeiras:
• reduz a salinidade das camadas superfíciais e até mesmo da água mais profunda se
houver suficiente mistura vertical;
• carrega uma grande quantidade de sedimentos em suspensão.
Geralmente, a descarga dos rios apresenta uma variação sazonal pronunciada,
resultando em flutuações sazonais de salinidade muito maiores nas águas costeiras do
que no oceano aberto.
• Em regiões costeiras onde a precipitação ocorre principalmente sob a forma de chuva, a
variação sazonal de salinidade vai acompanhar de perto o padrão de precipitação local.
•Nas regiões onde os rios são alimentados por degelo dos campos de neve ou glaciares, a
descarga de rios aumenta bastante no Verão relativamente ao Inverno e provoca a
diminuição da salinidade durante este período, retardado em vários meses relativamente
à queda de neve.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
Em latitudes elevadas do Norte, o gelo tende a formar-se primeiro em águas costeiras
durante a época do frio devido ao armazenamento limitado de calor nas águas pouco
profundas combinado com a baixa salinidade associada às descargas dos rios. Este gelo
costeiro começa na zona costeira como "gelo rápido" e estende-se se para o largo até
entrar em contacto com o gelo do primeiro ano que se estende em direção à costa a
partir do manto de gelo.
Em regiões das baixas latitudes subtropicais, onde a precipitação é pequena, a
evaporação torna-se importante e ocorrem salinidades elevadas bem como altas
temperaturas em baías e bacias de água parcialmente rodeadas de terra.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
Como a água dos rios transporta frequentemente
sedimentos em suspensão, as águas costeiras têm
muitas vezes uma transparência óptica baixa.
•Às vezes, esses sedimentos são transportados na
camada superficial de baixa salinidade a uma certa
distância, enquanto a água profunda, mais salina, se
mantém transparente.
• A deposição desses sedimentos causa assoreamento
e
consequentes
riscos
para
a
navegação.
Frequentemente, a localização da deposição é
influenciada pela distribuição de salinidade pois
aumentos de salinidade podem causar a floculação
dos sedimentos e rápida deposição.
Sedimentos na pluma do rio Ganges, a norte da baía
de Bengala; imagem MODIS (Moderate Resolution
Imaging Spectroradiometer) (NASA,2006).
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
O efeito da descarga dos rios muitas vezes pode ser detectado a uma distância muito
grande da costa, tanto pela salinidade reduzida como pelos sedimentos na água.
Exemplos:
• no Atlântico a partir dos rios Amazonas e Congo;
• no Pacífico nordeste a partir dos muitos rios do continente norte-americano;
• na Baía de Bengala, oceano Índico, a partir dos grandes rios cuja descarga é
fortemente influenciado pelas monções. Note-se que todos os principais rios da
Índia desaguam no golfo de Bengala ⇒ como resultado, as águas superficiais da
Baía de Bengala são pouco salgadas em comparação com as águas superficiais
muito salgadas do Mar Arábico a oeste da Índia, onde a evaporação excede a
precipitação e não há quase nenhuma descarga de rios.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS: FLUXOS DE CALOR E
TEMPERATURA, DESCARGA DOS RIOS E SALINIDADE
A gama de salinidades para cerca de 75% do oceano está entre 34 e 35.
Os extremos de salinidade, tanto o valor mais elavado como o mais baixo, são
encontrados no oceano costeiro e em mares confinados.
Salinidades tão baixas quanto 20 podem ser encontradas a 200 km da foz do rio
Amazonas e a sua influência na salinidade da camada superficial no Atlântico
pode ser detectada a uma distância bastante superior a essa.
Salinidades de 40 são normalmente observadas ao longo do Mar Vermelho, uma
região com descarga de água doce limitada, de mistura com as águas envolventes
do Oceano Índico e Mediterrâneo limitada, uma elevada taxa de evaporação e
pouca pluviosidade.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS:
ESTRATIFICAÇÃO E ESTABILIDADE
Se uma massa de água mais densa está por cima de uma menos densa há
instabilidade e pode ocorrer afundamento da água mais densa. Na situação
inversa, com uma massa de água menos densa sobre uma mais densa, a interface
de separação entre as duas encontra-se numa situação de estabilidade, que é tanto
maior quanto maior for a diferença de densidades através da interface.
A Estabilidade Estática é importante no escoamento de um fluido estratificado
em que ρ aumenta com a profundidade.
Como critério para determinar a importância da estabilidade pode-se usar o
parâmetro de estabilidade, dado pela Equação de Estabilidade (válida para
E>50x10-8 m-1)
E≈
1 dρ
ρ dz
Então, a estabilidade é definida de tal forma que
E > 0, situação estável,
E = 0, estabilidade neutra,
E < 0, situação instável.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS
ESTRATIFICAÇÃO E ESTABILIDADE
A influência da estabilidade é expressa através de uma frequência de estabilidade,
N, designada por Frequência de Brunt-Väisälä ou Frequência de
Estratificação,
  1 ∂ρ ( s, t , p ) g 
N 2 = gE ⇒ N = gE =  g  −
− 2
∂z
C 
  ρ
  1 ∂σ T 
N ≈  g  −

  ρ ∂z 
12



12



( ciclos / segundo, Hz )
Como a Frequência de Brunt-Väisälä quantifica a importância da estabilidade, é
uma variável fundamental em Dinâmica de Escoamentos com estratificação.
A Frequência de Brunt-Väisälä pode ser interpretada como a frequência do
movimento vertical sentido por uma parcela de fluido que é deslocada da sua
posição de equilíbrio através de uma excitação correspondente a um deslocamento
vertical ⇒ a Frequência de Brunt-Väisälä é a frequência máxima das ondas
internas no Oceano e apresenta valores típicos de alguns ciclos/hora.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA NAS ZONAS COSTEIRAS
ESTRATIFICAÇÃO E ESTABILIDADE
Frequência de estratificação observada no Oceano Pacífico. Esquerda:
estabilidade da termoclina profunda, a leste da corrente de Kuroshio.
Direita: estabilidade da termoclina superficial, característica das
regiões tropicais. Repare-se nas diferenças de escalas.
ESTABILIDADE DINÂMICA E NÚMERO DE RICHARDSON
No caso de escoamentos oceânicos estáveis e estratificados mas em que existe
variação da velocidade com a profundidade, o escoamento pode tornar-se instável
se a variação de velocidade com a profundidade ou gradiente vertical da velocidade,
for suficientemente intenso.
• Como exemplo mais simples pode-se referir o vento a soprar sobre o oceano:
− a estabilidade através da superfície do mar é muito grande e pode-se considerar
como infinita, pois existe uma descontinuidade na densidade em forma de degrau
2
na superfície do mar; nestas condições, a expressão N = gE é infinita;
− no entanto, o vento gera ondas na superfície do mar e se for suficientemente forte
a superfície torna-se instável e as ondas rebentam ⇒ este caso representa um
exemplo de Instabilidade Dinâmica, em que o fluido estável se torna instável
devido ao gradiente vertical de velocidade, também designado por ‘corte'.
ESTABILIDADE DINÂMICA E NÚMERO DE RICHARDSON
• Outro exemplo de instabilidade dinâmica é a instabilidade de Kelvin-Helmholtz,
que ocorre quando a diferença de densidades num escoamento com ‘corte' é muito
menor do que na superfície do mar, como por exemplo na termoclina ou no topo
de uma camada limite atmosférica estável.
Nuvens onduladas, mostrando uma instabilidade de Kelvin-Helmoltz no topo
de uma camada limite atmosférica. Algumas ondulações podem-se tornar
suficientemente grandes, de tal forma que o ar mais denso se sobrepõe ao ar
menos denso e, então, as ondulações colapsam, gerando turbulência.
ESTABILIDADE DINÂMICA E NÚMERO DE RICHARDSON
A importância relativa da estabilidade estática e da estabilidade dinâmica é
quantificada através do Número de Richardson ou Número de Richardson de
'Gradiente', que é dado pela expressão
Ri ≡
(gE )
(∂U ∂z )
2
=
N2
(∂U ∂z )2
em que o numerador representa a intensidade da estabilidade estática e o
denominador é a intensidade do 'corte' ou gradiente vertical de velocidade
horizontal.
As condições de estabilidade dinâmica, estabelecidas a partir do Número de
Richardson, são as seguintes:
Ri > 0,25 há estabilidade
Ri < 0,25 o gradiente de velocidade ou ‘corte’,
faz aumentar a turbulência.
ESTABILIDADE DINÂMICA E NÚMERO DE RICHARDSON
Um Número de Richardson pequeno não é o único critério para haver
instabilidade;
• para haver aumento da turbulência, o número de Reynolds
termos não − lineares (U ∂U ∂x )
Re ≡
=
(ν ∂ 2U ∂x 2 )
termos viscosos
2
tem que ser elevado e o número de Richardson tem que ser inferior a 0,25;
• estes critérios são alcançados apenas em alguns escoamentos oceânicos e em
zonas costeiras e estuarinas;
• a turbulência promove a mistura vertical de fluido, conduzindo a uma
viscosidade e difusividade turbulenta verticais;
• como o oceano tende a ser fortemente estratificado e as correntes pouco
intensas, a mistura turbulenta vertical é intermitente e rara ⇒ as medições de
densidade em profundidade raramente mostram fluido mais denso sobre
fluido menos denso.