DINÂMICA DO OCEANO NAS REGIÕES COSTEIRAS

DINÂMICA DO OCEANO NAS REGIÕES COSTEIRAS
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Existem variações no campo das correntes nas zonas costeiras em resultado das
características do próprio oceano costeiro ⇒ é essencial referir as ondas aprisionadas na
costa responsáveis pela maior parte da variabilidade das correntes na plataforma em muitas
regiões do oceano costeiro mundial.
A compreensão da geração e propagação de ondas aprisionadas na zona costeira parte das
condições de equilíbrio de forças básico em oceano aberto, designado por equilíbrio
geostrófico: a força do gradiente de pressão actua na direção perpendicular ao escoamento
e é equilibrada pela força de Coriolis, também perpendicular ao escoamento mas no sentido
oposto ao da força do gradiente de pressão; o sentido da corrente geostrófica é tal que no
Hemisfério Norte as altas pressões estão à sua direita e no Hemisfério Sul à esquerda.
Representação da circulação geostrófica em torno de centros de alta pressão (centros
anticiclónicos, nível do mar elevado) e de baixas pressões (centros ciclónicos, nível do mar
baixo) no hemisfério norte (à esquerda) e no hemisfério sul (à direita) em oceano aberto.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Representação da dinâmica dos centros de altas pressões (nível do mar elevado)
ao longo da costa e do Equador:
Equador:
- a circulação oceânica transporta água para o equador no lado oeste e para o
pólo no lado leste dos oceanos;
- o centro de altas pressões progride para o pólo a leste e para o equador a oeste;
- no equador o centro de altas pressões move-se para leste.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Representação da dinâmica dos centros de baixas pressões (nível do mar baixo)
ao longo da costa e do Equador:
Equador
- a circulação oceânica transporta água para o pólo a oeste e para o equador a leste
dos oceanos;
- o centro de baixas pressões progride para o pólo a leste e para o equador a oeste;
- no equador o centro de baixas pressões move-se para leste.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
O movimento dos centros de altas e baixas pressões ao longo da costa é
designado por Onda de Kelvin.
As ondas de Kelvin dependem da existência de uma costa que provoca o
empilhamento da água, mas não requerem a existência de plataforma ⇒
também ocorrem em regiões costeiras onde o continente cai abruptamente para
grandes profundidades, como por exemplo nas costas do Chile e do Peru.
Principais características das ondas de Kelvin:
• a amplitude é máxima junto à costa;
• a amplitude decresce exponencialmente em direção ao oceano de tal forma que
a sua presença é sentida somente numa estreita faixa de menos de 100 km de
largura ao longo da costa;
• na costa oeste dos oceanos propagampropagam-se apenas em direção ao Equador;
• na costa leste dos oceanos propagampropagam-se apenas em direção aos pólos;
• têm períodos numa gama de vários dias até poucas semanas o que é traduzido
por variações lentas do nível do mar e numa inversão das correntes junto à
costa a uma taxa de mais ou menos uma vez por semana à medida que regiões
de altas e baixas pressões sucessivas passam por um dado ponto de observação.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Ao longo do equador, longe das zonas costeiras, a corrente não pode circular
em torno dos centros de altas e baixas pressões pois a força de Coriolis actua
em sentidos opostos nos dois hemisférios e por isso o equilíbrio geostrófico é
invertido. Em resultado disto:
• a corrente flui para leste em ambos os lados de uma célula de alta pressão e
para oeste em ambos os lados de uma célula de baixa pressão;
• há transporte de massa de água e deslocamento dos centros tanto de altas
como de baixas pressões para leste.
Estas ondas são conhecidas como Ondas de Kelvin Equatoriais: têm
periodicidades similares às das ondas de Kelvin costeiras mas propagam- se
com uma velocidade muito maior ⇒ uma onda de Kelvin equatorial atravessa
todo o Oceano Pacífico em menos de dois meses.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Existem dois tipos de ondas de Kelvin, costeiras e equatoriais,
ambas gravíticas e não-dispersiva. São muitas vezes originadas
por uma mudança abrupta no campo de vento sobrejacente, como
por exemplo a mudança nos ventos alísios no início do El Niño.
Niño
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Os movimentos das ondas através de um meio como o oceano, em que as características
físicas variam com a posição, podem criar reflexão no interior dessas variações, de modo
que as ondas ficam aprisionada.
aprisionada Este aprisionamento das ondas é chamado de guia de
ondas. Ondas de Kelvin equatoriais são não-dispersivas devido a viajarem no interior de um
ondas
guia de ondas.
ondas
Ondas de Kelvin equatoriais propagam-se para leste no hemisfério norte, com o equador
como um guia de ondas. Ondas de Kelvin costeiras propagam-se em torno dos oceanos do
hemisfério norte em sentido anti-horário, com a costa como um guia de ondas. Propagam-se
com velocidades de aproximadamente 2,8 m/s ou cerca de 250 km por dia
dia. Uma onda de
Kelvin leva cerca de dois meses a atravessar o Pacífico, da Nova Guiné à América Latina.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Estrutura de uma onda de Kelvin costeira
Estrutura de uma onda de Kelvin
equatorial, simétrica em relação ao equador
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Equações que governam as ondas de Kelvin, para uma costa com orientação nortesul alinhada com o eixo dos yy’s ⇒ velocidade oeste-leste nula, u=0,
∂u
∂η
= fv − g
∂t
∂x
∂v
∂η
= − fu − g
∂t
∂y
∂η
∂x
∂v
∂η
⇔
= −g
∂t
∂y
fv = g
 ∂u ∂v 
 ∂v 
∂η
∂η
= − h + 
= − h 
∂t
∂t
 ∂x ∂y 
 ∂y 
- Diferenciando a 2ª equação em ordem a y e a 3ª em ordem a t obtém-se a equação
de onda em águas pouco profundas na direcção y e a equação do equilíbrio
geostrófico na direção x
2
2
∂η
1 ∂η
=
, com C = gh
2
2
2
∂y
C ∂t
∂η
fv = g
∂x
- A solução geral do sistema de equações acima é
η = η0 cos(κy − ωt ) e
−
fx
C
em que η0 é a amplitude da onda na fronteira (costa).
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
A onda de Kelvin é uma onda de longo período e pequena amplitude que viaja
paralelamente a uma fronteira fixa, tal como um canal largo ou uma linha de costa.
Por acção da força de Coriolis, o equador, onde o parâmetro de Coriolis é igual a
zero e muda de sinal, também serve de guia de ondas de Kelvin.
Na direção de propagação da onda a solução é idêntica à de uma onda nãodispersiva de águas pouco profundas, com propagação na direção norte-sul; a
velocidade das partículas ao longo da direção de propagação da onda é
u part =
ω η0
cos(κy − ωt )
κ h
 z
w part = ω η0 1 −  sin(κy − ωt )
 h
Na direção perpendicular ocorre balanço geostrófico; há um declive na superfície
do mar de tal forma que a amplitude da onda decay exponencialmente da fronteira
para o largo,
η = η exp(− fx C ) = η exp − fx gh
0
= η0 exp(− x Rd )
0
(
)
onde Rd = gh f é o raio de deformação de Rossby; em oceano aberto Rd é da
ordem de 2000 km; em águas costeiras é da ordem de 300km ⇒ neste caso Rd é
uma medida da distância transversal à costa ao longo da qual se espera observar o
efeito de uma onda de Kelvin.
Kelvin
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Ondas de Kelvin no hemisfério norte nas margens opostas de um
canal cuja largura é superior ao raio de Rossby. As setas no plano
projetado representam as correntes associadas.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Observações de ondas de Kelvin na plataforma
africana do Oceano Atlântico. Pensa-se que as ondas
são geradas na região equatorial ao largo do Brasil.
Viajam ao longo do equador e atingem a costa de
África ao fim de algumas semanas. Continuam a
propagar-se ao longo da costa em direção aos pólos,
atingindo a costa do Gana onde o litoral tem uma
orientação zonal.
- No topo: geografia e localização das estações.
- Em baixo, à esquerda: temperatura da superfície do
mar em várias estações ao longo da costa; o efeito das
ondas de Kelvin na temperatura superficial traduz-se
em processos periódicos de afloramento e subsidência
que produzem descidas e subidas periódicas de
temperatura; o período é de aproximadamente 14 dias.
- Em baixo, à direita: temperatura e corrente paralela à
costa a 12, 42 e 82 m de profundidade numa amarração
localizada a meio da linha a negro perpendicular à
costa a partir de Tema; também estão representados a
temperatura e o nível do mar observados no porto de
Tema; todas as variáveis apresentam uma
periodicidade idêntica de 14 dias.
INFLUÊNCIA DAS FRONTEIRAS NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DE KELVIN
Séries temporais de nível do mar,
pressão atmosférica e vento para o
período de 11 a 25 de Janeiro de 1982
para estações das costas oeste,
sudoeste e sul da Península Ibérica
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
A presença de uma plataforma pode originar uma outra classe de ondas costeiras
conhecidas como Ondas de Plataforma (coastal trapped waves) ⇒ a sua existência
deve-se ao facto da plataforma não ter uma profundidade uniforme mas aumentar
gradualmente em direção ao oceano profundo ( i.e., devido à presença de um fundo
inclinado ou gradiente de profundidade).
Ν
Situação no Hemisfério Norte
Representação da situação que pode dar origem a ondas de
Plataforma. Os principais ingredientes são:
(a) a rotação da Terra, indicada no canto superior esquerdo;
(b) uma plataforma continental inclinada;
(c) um forçamento externo variável como por exemplo uma
tensão do vento periódica τw .
A tensão do vento afasta e aproxima da costa a água na
camada de mistura superficial (camada de Ekman),
produzindo afloramento e subsidência periódicos perto da
costa ⇒ isto gera escoamento alternadamente de e para o
largo abaixo da camada de mistura.
Se a região da plataforma for no hemisfério norte e o norte
estiver para cima, a tensão do vento actuando para norte
produz afloramento e a tensão do vento para sul gera
subsidência.
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
Se a profundidade da plataforma for constante, a água abaixo da camada de
mistura vai mover-se para dentro e para fora como resposta passiva à ação
do vento e ao afloramento e subsidência periódicos associados.
Numa plataforma de fundo inclinado uma coluna de água ao mover-se para
o largo cresce em altura e diminui em espessura e quando se move para a
costa decresce e alarga.
Devido à rotação da Terra a coluna de água tem um certo momento angular
– a conservação do momento angular é uma das leis básicas da física e a
coluna de água não pode alterar o seu momento angular de qualquer forma
⇒ a coluna de água começa a rodar quando estreita e abranda a rotação
quando alarga.
A rotação em torno de um eixo vertical é quantificada através de uma
quantidade designada por vorticidade ⇒ o movimento para o largo e para a
costa de uma coluna de água sobre uma plataforma inclinada, abaixo da
camada de Ekman, está, então, associado a uma variação contínua da
vorticidade.
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
A figura abaixo mostra uma situação em que o vento alterna de sentido entre o equador e os
pólo ao longo da costa sobre uma distância de cerca de 2000 km, dimensão típica dos
sistemas de tempo atmosférico que afetam a zona costeira. Uma linha imaginária paralela à
costa algures a meio da plataforma é deformada numa linha ondulada em resposta ao
forçamento pelo o vento.
Ν
Situação no Hemisfério Sul
Representação do efeito de tensão do vento variável no oceano
costeiro, numa plataforma no hemisfério sul. A camada de
mistura superficial foi removido do diagrama e apenas é
mostrada a água abaixo da camada de mistura.
- A tensão do vento para norte produz subsidência e empurra a
água abaixo da camada de mistura para longe da costa. Tensão
do vento para sul produz afloramento e puxa a água abaixo da
camada de mistura para a costa.
- Como resultado disto, água que originalmente estava
localizado na linha a tracejada paralela à costa é deslocada para a
localização indicado pela linha vermelha. Uma coluna de água
na secção central, localizada inicialmente sob a linha tracejada é
deslocada para águas mais profundas e adquire vorticidade
negativa; as colunas de água localizadas originalmente sob a
linha quebrada em ambas as extremidades do diagrama movemse para águas pouco profundas e adquirem vorticidade positiva.
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
Numa plataforma com profundidade constante a linha imaginária iria oscilar, em resposta ao
forçamento periódico do vento, entre duas linhas onduladas como a corda de uma guitarra ⇒
estaria sujeita a uma oscilação estacionária.
A figura abaixo mostra como a tendência do movimento da água sobre uma plataforma com
fundo inclinado para induzir variações na vorticidade se traduz em movimento da água ao
longo da costa. O resultado é uma oscilação que se propaga ⇒ a linha ondulada não regressa
à sua posição original mas desloca-se ao longo da costa.
Ν
Situação no Hemisfério Sul
Resultado do ganho alternado de vorticidade negativa e
positiva na coluna de água quando o forçamento pela tensão
do vento relaxa. A rotação induzida por uma alteração na
vorticidade conduz as partículas de água para longe da costa
nalguns lugares e em direção à costa noutros. Como
resultado, a localização das partículas de água mudam da
linha vermelha para uma nova posição sobre a linha amarela.
O efeito prático da mudança de localização da partícula é uma
deslocação para norte do padrão da onda, do vermelho para o
amarelo; para um observador num local fixo isto aparece
como uma onda em propagação para norte.
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
Assumiu-se um forçamento do vento periódico mas estacionário em relação à plataforma: o
vento varia entre as direções para o pólo e para o Equador em função do tempo, mas o campo
de vento não se move ao longo da costa. A presença de uma plataforma inclinada resulta na
geração de ondas que se propagam e deixam a região do forçamento periódico do vento e
serão observadas como movimento periódico da água mais adiante, ao longo da costa, onde
as variações no campo do vento não estão relacionadas com ela ⇒ este movimento da água é
a onda da plataforma.
Representação da forma da onda da plataforma: a onda é aprisionada
contra a costa mas, ao contrário de uma onda de Kelvin, o seu perfil
não cai monotonamente da costa para o largo, mas exibe uma
segunda região de grande amplitude sobre o bordo da plataforma.
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
Principais características das ondas da Plataforma:
• tal como as ondas de Kelvin, as ondas da plataforma só se podem propagar em direção ao
Equador na costa oeste dos oceanos e em direção aos pólos na costa leste dos oceanos mas
não podem existir no Equador;
• têm períodos similares aos das ondas de Kelvin (desde alguns dias até 2-3 semanas) e
comprimentos de onda similares (da ordem dos 2000 km, determinados pelos padrões de
tempo atmosférico) mas um perfil de onda diferente, com um máximo relativo de oscilação
do nível do mar sobre o bordo da plataforma);
• se for considerada a estratificação das águas de plataforma, a sua forma e as correntes
associadas são modificadas ainda mais e podem ter correntes mais intensas a meia
profundidade;
• como a estratificação em águas pouco profundas é fortemente afetada pelas estações do ano,
o efeito das ondas aprisionadas à costa nas correntes da plataforma e nas variações do nível
do mar pode variar de estação para estação.
O EFEITO DA TOPOGRAFIA NA CIRCULAÇÃO COSTEIRA: ONDAS DA
PLATAFORMA CONTINENTAL
As ondas da plataforma podem ter uma contribuição significativa para a variabilidade do
nível do mar e das correntes na plataforma.
Propagação de ondas aprisionadas à costa ao longo da costa leste da Austrália, observadas
a partir de registos do nível do mar obtidos na Grande Barreira de Coral durante Janeiro e
Fevereiro de 1989. As observações foram filtradas para eliminar as marés e oscilações
com períodos inferiores a 3 dias. Ondas individuais propagam-se para norte, de
Bundaberg para Mourilyan Harbour, conforme indicado pela inclinação das linhas a verde.