Jason-1

Altimetria
Oceanografia por satélites
Sumário
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
O nível da superfície do mar
O altímetro
Motivação
Breve histórico
Princípios de funcionamento
Algumas definições
Aplicações
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 mar
Montes submarinos e fossas
Lua e sol atraindo o oceano, gerando marés
Derretimento das geleiras
Aquecimento solar, expansão
Correntes oceânicas
Ventos, ondas
1. O nível da superfície do mar
2. O altímetro
órbita quasi-polar
2. O altímetro
Radar que emite sua própria
energia na banda das
microondas opera em f =13.5
GHz ou λ=2.2 cm
Objetivo é medir as diferenças no nível da superfície do mar
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
tempo percorrido
distância percorrida
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 geostróficas
7. 2. Geodésia
7. 3. Marés
7. 4. Ondas de gravidade
7. 5. El Niño/La Niña
7. 6. Monitorar armazenamento de calor
7. 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
Revisão do balanço geostrófico
Os principais termos da equação do movimento são, na
forma vetorial, os seguintes:
Cujas componentes ficam resumidas em:
AS ESCALAS DE INTERESSE:
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
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
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. 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/