No oceano - Meteorologia Sinótica e Aplicações à Oceanografia

INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFÍSICA E CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Meteorologia e Oceanografia
Prof. Ricardo de Camargo
Aula 1 - ACA 0430 - Meteorologia Sinótica e Aplicações à Oceanografia
Meteorologia e Oceanografia
• Relações Básicas
• Dinâmica dos Fluidos
• Principais efeitos dos padrões atmosféricos
no oceano
Relações Básicas
Contrastes de propriedades
• Densidade na superfície: 1,2 kg/m³ para o ar e 1025 kg/m³
para o oceano;
• Há uma interface bastante estável devido à intensidade da
força restauradora, que é a gravidade;
• Em cada meio existe uma camada limite, junto à interface;
• As transferências de propriedades, como calor e momento,
entre os meios ocorrem em uma superfície bem definida;
• A descontinuidade de densidade implica também em
descontinuidades óticas, que tem grande impacto no balanço
de radiação (absorção e emissão);
Contrastes de propriedades
• A massa do oceano é cerca de 270 vezes maior que a massa da
atmosfera, o que significa que o peso de toda a coluna
atmosférica acima de nós é equivalente a aproximadamente o
peso de uma coluna de apenas 10 m de água;
• Esta diferença de massa implica em uma grande diferença na
capacidade térmica, além do fato de que o calor específico da
água é 4 vezes maior que o do ar;
• Uma camada de 2,5 m de água tem a mesma capacidade
térmica por unidade de área que toda coluna atmosférica;
• Esta capacidade térmica do oceano tem extrema importância nas
variações sazonais, uma vez que o excesso de calor recebido no
verão é armazenado nas camadas superficiais (0-100m) e é
devolvido para a atmosfera no inverno;
Contrastes de propriedades
• Assim, a temperatura superficial dos oceanos varia muito menos do
que a dos continentes, que não conseguem armazenas calor;
Contrastes de propriedades
 Média sazonal da variação da amplitude da temperatura de
superfície da Terra
http://www.sonoma.edu/users/f/freidel/global/372lec2images.htm
Associações entre Atmosfera e Oceano
• Camada de mistura: limite entre os meios, na qual as
propriedades estão quase homogeneizadas;
• Salinidade x Umidade: assim como existe o vapor
d´água dissolvido na atmosfera, existem sais
dissolvidos na água do mar;
• A salinidade é uma característica de toda a coluna de água
enquanto que a maior parte da umidade se restringe aos
níveis baixos e médios da atmosfera;
• A umidade da atmosfera pode causar instabilidades mais
intensas do que a salinidade no oceano.
Dimensões
• Atmosfera: horizontalmente contínua e limitada apenas
por uma superfície inferior;
• altura média da troposfera: 12 – 18 km
• extensão horizontal: 40000 km
• Oceano: horizontalmente limitado (bacias oceânicas de
milhares de km) e também com limites superior e inferior;
• profundidade média dos oceanos: 4 km
• extensão horizontal (Pacífico): 15000 km
• Ambos podem ser considerados uma fina camada sobre a
superfície da Terra
Ordem de Grandeza de ventos e correntes na interface
• Vento: média de 4-5 m/s, com valores máximos acima de 40 m/s
em situações extremas;
• Correntes: média inferior a 1 m/s, com valores máximos de 3-4
m/s nas correntes de contorno oeste mais intensas.
Dinâmica dos Fluidos
Dinâmica dos Fluidos
• Fluidos com vórtices turbulentos;
• Importantes trocas de calor;
• Governados pelas mesmas leis da física:
•
•
•
•
•
•
Força do Gradiente de Pressão;
Força de Atrito;
Força da Gravidade;
Conservação de massa;
Conservação de energia; e
Conservação de momento angular.
Força de Coriolis
Força inercial que se aplica a
corpos que se movimentam
sobre uma superfície em rotação.
Aceleração de Coriolis:

 2  v
Fictícia → Não provoca aceleração → Desvia o movimento
Força de Coriolis
• O efeito da rotação da Terra implica em tendências de giro para
determinados movimentos, defletindo-os para a direita (esquerda)
no Hemisfério Norte (Sul);
 Lembrar: movimentos ciclônicos são no mesmo sentido de rotação da Terra e anticiclônicos
no sentido oposto (regra da mão direita)
Força Centrífuga
Força aparente que se equilibra
com a força centrípeta (real)
Fcf  m ² r

: velocidade angular do objeto.
Equilíbrio Hidrostático
Equilíbrio entre a força de gravidade e do gradiente vertical de pressão.
Dw 1 p

 g  C z  FZ
Dt  z
0
Em larga escala:
p
  g
z
Componente vertical da
Força de Coriolis
Componente
Vertical da
Força de
Atrito
Geostrofia
Equilíbrio Geostrófico: Equilíbrio entre a Força de Coriolis e a Força do
Gradiente Horizontal de Pressão
1 p
 f 0v  
 x
1 p
f 0u  
 y
 Movimentos horizontais muito maiores do que os verticais
• Na atmosfera: movimentos acima da Camada Limite Planetária (CLP)
• No oceano: movimentos a mais de 100 m de profundidade e distantes
100 km da costa
Termo de Atrito
Caso não-geostrófico
1 p
u
fv 
 Av 2
 x
z
2
1 p
v
fu  
 Av 2
 y
z
Solução de Ekman nas condições de contorno:
• Na atmosfera: inferior (superfície);
• No oceano: superior e inferior.
2
Conservação de Massa
• Para a atmosfera (compressível):
1 D u v w

 
0
 Dt x y z
• Para o oceano (incompressível):
u v w
 
0
x y z
Conservação de Calor e Sal
Volume constante:
 i vi   o vo
Sal não é removido nem
depositado no mar:
 o vo Si   o vo S o
Com precipitação (P), evaporação
(E) e fluxo do rio (R):
vo  vi  R  P   E
Conservação de Momento Angular
Para escoamento barotrópico divergente:
D g  f 

  0
Dt  h 
h: espessura do fluido.
g 
v g
x

u g
y
f  2 sen 
Dois processos que frequentemente dominam o balanço de vorticidade:
• criação de vorticidade pelo estreitamento do tubo de vorticidade;
• advecção horizontal de vorticidade absoluta.
Alta e Baixa Pressão
Alta pressão → Divergência
Baixa pressão → Convergência
• Alta pressão: Anticiclônica:
Hemisfério Norte → Horário
Hemisfério Sul → Anti-horário
• Baixa pressão: Ciclônica:
Hemisfério Norte → Anti-horário
Hemisfério Sul → Horário
Exemplo: Baixa Pressão
Furacão Catarina: Hemisfério Sul
Rotação no sentido horário.
Furacão Katrina: Hemisfério Norte
Rotação no sentido anti-horário.
Troca de Momento
Camada Limite Planetária (CLP):
• Forças viscosas são válidas;
• Movimentos turbulentos → origem mecânica e térmica.
Mecânica: cisalhamento do vento;
Térmica: aquecimento devido ao ciclo diurno.
Camada Limite Oceânica (CLO):
• Interações dinâmicas de pequena escala entre oceano e atmosfera;
• Transferência de momento → flutuações de pressão, velocidade e
tensão produzidos pela onda.
Ondas e Momento
• Causas: astronômicas, sísmicas ou meteorológicas;
• Natureza mecânica: intensidade, persistência e pista de vento;
• Dependem dos fenômenos meteorológicos: mesoescala e escala
Sinótica;
• Dissipação de ondas:
o quebra de onda devido ao
vento (whitecapping);
o interação com o fundo;
o quebra de onda devido ao
próprio fluido.
 Em termos energéticos, distúrbios causados pelo vento são dominantes.
Correntes e Momento
• Ondas em altas frequências podem bloquear ou quebrar, se propagadas
contra fortes correntes (estuários);
• Correntes fortes → maior interação onda/corrente → variações de
frequência absoluta, número de onda e amplitude;
• Modelos de camada de mistura oceânica → todo o fluxo de momento
da atmosfera é transferido para as correntes;
 Ondas curtas retornam momentos quase localmente;
 Ondas longas carregam suas dissipações para longas distâncias.
Transporte de Ekman
• Transferência de tensão de camadas superiores para inferiores:
geração de correntes, por efeito da tensão de cisalhamento do vento (atrito)
• Desvio na direção de acordo com a
Força de Coriolis:
• Hemisfério Norte: desvio das
águas para a direita.
• Hemisfério Sul: desvio para
a esquerda.
Espiral de Ekman, no Hemisfério Norte.
Efeitos do Padrão Atmosféricos no
Oceano
Temperatura e salinidade nos oceanos
• A distribuição de temperatura e salinidade na superfície dos oceanos
é resultado dos diversos processos de interação entre o oceano e a
atmosfera: balanço de calor, evaporação, precipitação e também da
circulação de superfície.
 Temperatura
• Comportamento zonal das isotermas
TSM – 12/Fev/2009
TSM – 11/Ago/2009
Temperatura e salinidade nos oceanos
 Salinidade
• Balanço entre
precipitação e evaporação
Temperatura e salinidade nos oceanos
 Salinidade
•
Menores valores:
•
•
•
Costa  descargas fluviais;
Polos  derretimento de gelo
Maiores valores:
•
•
Regiões dos Anticiclones  pouca precipitação;
Regiões com alta evaporação
Salinidade Superficial – 12/Fev/2009
Salinidade Superficial – 11/Ago/2009
Circulação Oceânica Global
Existem dois tipos de movimento responsáveis pelas correntes
oceânicas:
• Diferença de densidade: função da temperatura e salinidade
→ Circulação Termohalina.
• Vento: efeito em águas superficiais
 Circulação superficial: Giros Oceânicos
Circulação Termohalina
Fonte: http://imgarcade.com/
Circulação Termohalina
• Águas mais densas afundam,
enquanto águas menos densas
tendem a submergir;
• Importante mecanismo de
transporte de calor através do
Globo;
Liberação de
Calor para a
Atmosfera
Liberação de
Calor para a
Atmosfera
• Pequenas alterações da
Circulação Termohalina estão
relacionas a grandes mudanças
no clima da Terra.
Fonte: http://imgarcade.com/
Circulação devido ao vento
• Os alíseos de leste na região equatorial e vento de oeste nos
subtrópicos induzem grandes giros de superfície nos oceanos tropicais;
Circulação devido ao vento
Padrão de vento na superfície
Circulação devido ao vento
• Nas latitudes mais altas, as correntes e giros subtropicais nos
oceanos são também gerados por ação do vento, porém possuem
uma forte componente termohalina
Ressurgência e Subsidência
Desvio da →
Corrente
Convergência/Divergência →
Horizontal
• Oceano aberto;
• Costa oeste dos continentes;
• Região Equatorial
Bombeamento
Vertical
Ressurgência e Subsidência
Desvio da →
Corrente
Convergência/Divergência →
Horizontal
• Oceano aberto;
• Costa oeste dos continentes;
• Região Equatorial
Bombeamento
Vertical
Ressurgência e Subsidência
• Oceano aberto
Ressurgência e Subsidência
• Ressurgência Costeira
Quando há remoção de água da região costeira em direção ao mar aberto, ocorre o
fenômeno conhecido por ressurgência costeira, que é o afloramento de águas
subsuperficiais, por tanto, mais frias.
Exemplos: Costa do Peru, Costa da Califórnia, Bacia de Santos em maior escala e Cabo
Frio-RJ em escala local.
obs: o fato de haver águas mais frias junto à costa pode implicar em uma intensificação
da célula de brisa marítima (gerada pelo contraste térmico entre o continente e o
oceano)
Ressurgência e Subsidência
• Subsidência Costeira
Por outro lado, pode haver o acúmulo de água na costa, o que causa subsidência
costeira e também grandes inundações por aumento do nível médio do mar,
conhecidas como marés meteorológicas;
• Estes aumentos não podem ser previstos com antecedência maior do que alguns
dias (tábuas de marés, por exemplo, não incluem este fenômeno);
• Quando associados a condições meteorológicas extremas, podem ter graves
consequências (Índia, por exemplo) e forte poder erosivo em regiões costeiras de
caráter sedimentar (costa sul-sudeste do Brasil)
Brisa Marinha & Terrestre
• Circulação termicamente induzida;
• Causada pela diferença na capacidade térmica da terra e do mar:
aquecimento diferencial.
Brisa Marinha & Terrestre
• Circulação termicamente induzida;
• Causada pela diferença na capacidade térmica da terra e do mar:
aquecimento diferencial.