Oce_Fisica_Introducao

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Oceanografia Física: Introdução 
 
O Oceano como um sistema físico e o seu papel no ciclo hidrológico 
 
O oceano é um sistema físico, pois no seu interior e através das suas fronteiras 
desenrolam-se processos físicos, ou seja, processos descritos por leis da física. 
A Oceanografia Física tem como objectivo compreender, descrever e analisar estes 
processos. Assim, para além de fazer o diagnóstico, poderá também fazer o 
prognóstico da evolução destes sistemas e prever as suas implicações. Estas, não são 
só físicas e, por isso, a Oceanografia é uma matéria interdisciplinar em que a 
Oceanografia Física representa uma parte fundamental. 
A transferência sucessiva de água entre os diversos reservatórios existentes na Terra 
chama-se Ciclo Hidrológico. A atmosfera, embora tenha um baixo conteúdo relativo 
de água, desempenha um papel importante como agente nessa transferência. Mas o 
oceano domina o ciclo hidrológico em termos de conteúdo de água. Ele contém cerca 
de 97% do total de água do Planeta. Contudo é a atmosfera que proporciona as 
grandes transferências de água (e de energia…) de região para região através do ciclo 
hidrológico. De facto, o tempo de residência da água nos oceanos é medido em 
milhares de anos e na atmosfera é medido em dias! 
Tempo de residência: o período de tempo médio em que uma molécula de água é 
armazenada num dado reservatório do ciclo hidrológico. É calculado dividindo a 
quantidade de água num reservatório pela quantidade de água que entra (ou sai…) 
na unidade de tempo. 
Manifestações da presença de água na atmosfera são as nuvens e os nevoeiros. Ambos 
consistem em pequeníssimas gotas de água ou cristais de gelo que condensaram. 
Contudo, a maior parte da água na atmosfera está no estado gasoso (vapor de água). O 
ar está saturado quando há um equilíbrio entre condensação e evaporação. Quanto 
maior for a temperatura, maior a energia disponível para a evaporação e assim o ar 
quente “suporta” mais humidade que o ar frio, sem saturar. 
Há duas formas pelas quais o ar não saturado pode arrefecer e assim ficar saturado e 
começar a condensar, formando nuvens ou nevoeiro: (i) arrefecimento adiabático 
quando o ar sobe e se expande, porque a pressão atmosférica diminui; (ii) 
arrefecimento provocado por contacto com superfícies frias. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O Oceano é um sistema físico que interage com os 
outros sistema que integram o grande sistema que 
é o Planeta. 
Interacção do Oceano com a Atmosfera e processos 
físicos no Oceano
 
 
 
 
 Reservatório Percentagem do total Profundidade da esfera (m)
Oceanos 97.96 2685
Calotes polares e gelo 1.64 45
Água no solo 0.36 10
Rios e lagos 0.04 1
Atmosfera 0.001 0.03
O ciclo hidrológico, mostrando os movimentos anuais de água através do ciclo
(números a negro) e a quantidade de água acumulada em cada reservatório
(números a azul).
Todas as quantidades estão em 1015 kg (1015 kg de água ≈ 103 km3 ).
(adaptado de Open Univ. Course Team, 1989)
O CICLO HIDROLÓGICO
A quantidade de água nos diversos reservatórios, em termos da percentagem 
do total e em termos de profundidade se toda o conteúdo se espalhasse pela 
Terra. (adaptado de Stowe, 1979)
 
 
Mecanismos que geram os movimentos do Oceano 
A água do oceano está em movimento constante, com escalas que vão desde as grandes 
correntes até aos pequenos vórtices. Quais as causas de todo este movimento? A resposta 
mais breve será: a radiação solar e a rotação da Terra. 
Contribuição da energia radiante solar 
A) O Sol influência a circulação oceânica através da circulação atmosférica, isto é, os 
ventos. A energia é transferida dos ventos para as camadas superficiais do oceano 
através do atrito entre a atmosfera e a superfície do mar. Esta é a chamada circulação 
induzida pelo vento. 
B) Sol influencia a circulação oceânica porque causa variações na temperatura e na 
salinidade da água do mar, que por sua vez controlam a densidade da água do mar. As 
variações de temperatura são causadas por fluxos de calor através da interface ar-
água. As variações de salinidade são causadas pela adição e remoção de água doce, 
principalmente pela precipitação e evaporação, mas também pelas transições gelo-
água, nas regiões polares. Todos estes processos estão directa ou indirectamente 
ligados ao efeito da energia radiante solar. Se, por algum processo, a água superficial 
do oceano se tornar mais densa que a água que se encontra por baixo, gera-se uma 
situação de instabilidade e a água superficial afunda-se. Gera-se assim uma 
circulação, governada pela densidade, que resulta de um arrefecimento e/ou de um 
aumento da salinidade da água superficial. À circulação induzida por variações 
espaciais da densidade chama-se circulação termohalina. 
 
Contribuição da rotação da Terra 
Excepto para uma camada muito fina junto ao fundo do oceano, o arrastamento da água 
pela Terra sólida é inexistente. O mesmo se passa para as massas de ar. 
Um projéctil disparado para norte a partir do equador move-se para leste tal como a Terra 
e para norte com a velocidade do disparo. À medida que se desloca para norte, a 
velocidade com que a Terra se move para leste é cada vez menor (v=ωr..!). Como 
resultado, relativamente à Terra, o projéctil não se desloca só para norte, mas também 
para leste, ou seja, para a sua direita. O mesmo raciocínio é válido no caso de ser 
disparado de norte para sul, no hemisfério norte: relativamente à Terra desloca-se não só 
para sul, mas também para a sua direita, ou seja, oeste. O mesmo acontece com as massas 
de água (ou ar…) em movimento. É o efeito da força aparente: força de Coriolis. 
 
Para o estudo do movimento do Oceano e suas causas (oceanografia dinâmica), as 
seguintes leis são tomadas como axiomas: 
- Conservação da massa 
- Conservação da energia 
- 1ª Lei de Newton (se nenhuma força actua um corpo ele não muda o seu estado de 
movimento) 
 
 
- 2ª Lei de Newton (a taxa de variação do movimento de um corpo é directamente 
proporcional à resultante das forças que actuam o corpo) 
- 3ª Lei de Newton (para uma força a actuar num corpo há uma força igual e oposta a 
actuar noutro corpo) 
- Conservação do momento angular 
- Lei da gravitação universal de Newton. 
 
Que forças actuam o Oceano? 
Directas: causam o movimento 
- Gravitação (terrestre, incluindo forças de pressão, Sol e Lua) 
- Tensão do vento (pode ser tangencial –atrito, ou normal –pressão) 
- Pressão atmosférica (1mb faz variar a superfície do oceano em cerca de 1cm) 
- Sísmicas (resultam do movimento do fundo marinho) 
Indirectas: resultam do movimento 
- Força de Coriolis (aparece porque a Terra gira) 
- Forças de atrito (actuando nas fronteiras opõem-se ao movimento ou actuando 
internamente uniformizam o movimento. Fazem dissipar energia mecânica 
convertendo-a em energia térmica) 
 
Os movimentos podem ser classificados de acordo com as forças que lhes dão 
origem: 
- Circulação termohalina: resulta da variação da densidade numa região limitada, de 
modo que a acção diferencial da gravidade gera movimento relativo. 
- Circulação induzida pelo vento: circulação nas camadas superficiais, ondas de 
superfície e afloramento de águas da sub-superfície (upwelling). 
- Correntes de maré: essencialmente horizontal e consequência directa da Lei da 
Gravitação. 
- ‘Tsunamis’ ou ondas sísmicas no oceano: resultam de forças aplicadas junto ao fundo 
devidoa 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 inércia, ondas planetárias de Rossby, 
etc….. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Porque se movem as águas do Oceano?
Energia solar Rotação da Terra
Contribuição da energia solar:
Circulação atmosférica
 ventos
Causa: aquecimento 
diferencial da atmosfera
Variações de
temperatura
Causa: fluxos de
calor através da 
interface ar-água
Variações de
salinidade
Causas: precipi-
tação e evapo-
ração; transições
de fase ar-gelo
Variações espaciais
da densidade da água
Circulação induzida 
pelo vento Circulação termohalina
 
 
 
Contribuição da rotação da Terra:
Efeito da força de Coriolis,
porque a Terra curva para os pólos.
Resultado: os movimentos são deformados.
(a) Um projéctil lançado para Norte a 
partir do equador move-se para Leste tal
como a Terra e para Norte com a veloci-
dade de disparo.
(b) Trajectória do projéctil relativamente à Terra.
No tempo T1 o projéctil moveu-se para M1 e a Terra 
para G1. No tempo T2 o projéctil moveu-se para M2 
e a Terra para G2. Há depleção causa pela força de 
Coriolis, maior para maiores latitudes.
A roda da bicicleta não roda no Equador,
mas vai rodando no sentido dos ponteiros 
do relógio relativamente à Terra, cada vez 
com maior velocidade à medida que se 
aproxima do pólo.
 
 
As diferentes escalas na Circulação dos Oceanos 
Devido à diversidade de forças actuantes no oceano, os movimentos oceânicos são um 
somatório de movimentos de diversas escalas. Os movimentos no Oceano vão desde os 
pequenos turbilhões, na escalas dos milímetros, até às grandes correntes oceânicas, na 
escala das dezenas de milhares de quilómetros, como a corrente do Golfo ou o giro do 
Atlântico Norte. 
Embora estas escalas se sobreponham, elas podem ser tratadas de forma independente. As 
forças relevantes que actuam são diferentes e as leis físicas preponderantes para a 
explicação dos fenómenos são em geral diferentes. 
As escalas típicas dos movimentos oceânicos são: 
- larga escala: as grandes correntes oceânicas que determinam a circulação geral do 
oceano (>1000km). 
- mesoescala: fenómenos locais, independentes da circulação geral (mas por vezes com 
implicações na circulação geral). São movimentos que resultam da acção de forças 
locais e cuja escala é da ordem de dezenas ou centenas de quilómetros. São exemplos 
as correntes e contra-correntes costeiras, vórtices (ou ‘eddies’) com raios de dezenas 
de quilómetros, afloramento costeiro (‘upwelling’), filamentos, frentes, etc. 
- pequena escala: movimentos á escala de metros: cinemática e dinâmica interna dos 
vórtices e filamentos, movimentos nas frentes de temperatura, movimentos junto ao 
fundo em águas pouco profundas, movimentos em portos e enseadas, etc. 
- microescala: movimentos na escala dos centímetros ou menor: difusão molecular, 
fenómenos nas fronteiras, viscosidade, tensão superficial, etc. 
 
Circulação de larga escala
Exemplo da circulação de larga escala: 
Circulação geral dos oceanos. 
 
 
 
Circulação de pequena escala 
Exemplo da circulação de pequena escala: hidrodinâmica costeira.
Ondas, correntes costeiras induzidas pelas ondas, Interacção entre o escoamento 
e o fundo, pequenos vórtices, algumas ondas internas, etc. 
Circulação de mesoescala 
Exemplo da circulação de mesoescala: Afloramento costeiro, 
filamentos, vórtices, correntes e contracorrentes costeiras, etc.
 
 
Propriedades Físicas da Água do Mar 
As propriedades físicas relevantes da água pura para o estudo da dinâmica de fluidos são 
a pressão e a temperatura. Para a água do mar temos que juntar a salinidade. A densidade 
será pois função da temperatura, salinidade e pressão (ρ (S,T,P)). 
Salinidade é uma medida da quantidade de sais dissolvidos, expresso em gramas de 
material dissolvido num quilograma de água do mar. Um valor médio para a água do mar 
é 35gr por 1000gr, expresso por 35‰ (partes por mil) ou, hoje em dia, apenas 35. 
O efeito dos sais dissolvidos na água do mar, altera as propriedades físicas da água pura, 
mas não desenvolve novas propriedades. Induz: 
- pequenas variações na compressibilidade, expansão térmica e índice de refracção. 
- grandes variações no ponto de congelação, densidade, temperatura de densidade 
máxima e conductividade eléctrica. 
 
Densidade 
Do ponto de vista da oceanografia física o aspecto mais importante é a forma quantitativa 
como a densidade varia com as alterações de temperatura, salinidade e pressão. A 
densidade, ρ, decresce com a temperatura e cresce com a salinidade e a pressão. Em 
oceanografia física utiliza-se por vezes a densidade, ρ, por vezes o volume específico, 
α=1/ρ, e quase sempre uma quantidade chamada σσσσt (sigma-t). 
A densidade da água do mar é, na realidade, uma “densidade relativa”, porque as 
determinações laboratoriais são feitas por comparação com água pura. Consegue-se assim 
uma de 3 em 106. As determinações directas de ρ têm uma precisão de 10 em 106. De 
qualquer maneira, em geral são as diferenças de densidade que são importantes e não os 
seus valores absolutos. Por isso um certo grau de incerteza não é relevante. Seguindo a 
prática corrente, tomamos ρ com dimensões [ML-3]. 
Em oceanografia, quando falamos da pressão, esta refere-se à pressão hidroestática, isto 
é, a pressão devida apenas à coluna de água acima de um dado nível (profundidade). Isto 
implica que tomamos P=0 quando o nível é a superfície e está à pressão atmosférica. 
Sigma-t (σt) é definido como σt=(ρS,T,P-1000), apenas por simplicidade. A densidade da 
água do mar varia entre 1000 kgm-3 (água doce) e cerca de 1028 kgm-3 (a água mais 
densa à superfície, onde P=0). Como a variação é apenas nos dois últimos algarismos, o 
uso de σt é mais prático (p.ex. T=10ºC, S=35‰ e P=0 ⇒ ρ=1026,96 kgm-3 ⇒ 
σt=26.96). Embora σt tenha unidades, é usual omiti-las. 
Todo o oceano aberto está compreendido entre –2ºC e 30ºC de temperatura e 30‰ e 40‰ 
de salinidade. Cerca de 90% do oceano aberto está entre –2ºC e 10ºC e 34‰ e 35‰ e 
representa maioritariamente água de sub-superfície. O restante é água de superfície. 
Não existe método rápido, prático e seguro para medir a densidade in situ. Pode ser 
medida em laboratórios, mas os métodos são lentos. Na prática a densidade é deduzida a 
partir da temperatura, salinidade e pressão, que são medidas directamente. A dependência 
entre a densidade e a temperatura, salinidade e pressão é representada pela “equação de 
 
 
estado da água do mar”, que é bastante complicada. No entanto: A relação entre a 
densidade e a temperatura e salinidade é não linear, mais na temperatura que na 
salinidade. A densidade é menos sensível a variações de temperatura a baixas 
temperaturas que a altas temperaturas. 
A salinidade é determinada a partir de medições da conductividade eléctrica e da 
temperatura. Sensores de conductividade (C), temperatura (T) e pressão (D, do inglês 
depth) são habitualmente reunidos na mesma unidade de medida, o CTD. 
Temperatura Potencial 
Como a água é ligeiramente compressível, uma porção de água trazida do oceano 
profundo para a superfície expande-se e portanto tende a arrefecer. A temperatura de uma 
porção de água do mar trazida adiabaticamente até à superfície será assim mais baixa do 
que a medida in situ. A esta temperatura chama-se “temperatura potencial”. Esta 
propriedade termodinâmica é usada para comparar massas de água a profundidades 
significativamente diferentes ou quando estudamos movimentos verticais sobre uma 
gama de profundidades elevada.Propriedades físicas da água do mar 
A densidade (escrita em sigma-t) como uma função da temperatura 
e salinidade, numa gama apropriada para todo o oceano. Note-se que 
90% da água de todo o oceano está dentro da área a tracejado. 
4 
2 
0 
-2 
0 10 20 30 40
salinidade
te
m
pe
rat
ur
a 
(º
água pura 
água do mar 
“média” 
temperatura de congelação
temperatura de densidade máxima
S=24.7 
T=-1.33ºC
A temperatura de densidade máxima e o ponto de congelação da água do mar 
em função da salinidade.