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PROFESSORA: Oc. MSc. Taiana Guimarães Araujo taianagaraujo@gmail.com Conteúdo proposto OCEANOGRAFIA FÍSICA: Propriedades físicas da água do mar (distribuição horizontal e vertical da temperatura, densidade e pressão); Propagação da luz e do som na água do mar; Massas d’água e curva T –S; Correntes oceânicas; Ressurgência; Ondas e marés; Técnicas de estudo e equipamentos da Oceanografia Física. Propriedades físicas da água do mar Em primeiro lugar é importante destacar que nos oceanos as águas superficiais são, em geral, a exceção, possuindo características específicas e bastante variáveis, diferentes das águas profundas que representam 80% das águas oceânicas e costumam ser bastante uniformes; Isso ocorre porque as águas superficiais estão na interface de dois (ou 3 se forem águas costeiras) grandes sistemas do planeta, sendo influenciadas por forçantes, energias e interferências de ambos; As principais propriedades físicas da água do mar são: SALINIDADE; TEMPERATURA; DENSIDADE; PRESSÃO HIDROSTÁTICA. Salinidade Distribuição horizontal já vimos que as variações horizontais na salinidade da superfície dos oceanos dependem inteiramente do balanço entre precipitação pluviométrica e evaporação e, no caso de mares costeiros, do aporte de água doce dos rios; Assim, a salinidade é alta onde a evaporação (E) supera a precipitação (P) E > P, tendo o seu máximo na região sub-equatorial (ventos alísios) e baixa na situação inversa E < P, como nas regiões equatorial e de latitude média: Salinidade Distribuição vertical verticalmente a salinidade tende a variar pouco por ser uma propriedade conservativa, mas em situações de baixa salinidade na superfície, como é o caso de regiões com alta precipitação ou mares costeiros sob influência de aportes fluviais, pode haver a formação de uma estratificação salina; Forma-se então uma HALOCLINA, zona de rápido aumento da salinidade com a profundidade. Abaixo desta camada a salinidade das águas aumenta lentamente até o fundo (relação com a densidade). Temperatura Diferentemente da salinidade (propriedade conservativa), a temperatura da água do mar varia bastante nos oceanos, tanto horizontal quanto verticalmente na coluna d’água, sendo uma das variável mais básicas e indispensáveis em oceanografia, visto que influencia tanto os organismos vivos marinhos, quanto os processos físicos oceânicos, como as correntes; Para muitos propósitos a salinidade e a temperatura devem ser medidas juntas um exemplo é o fato de a salinidade afetar as temperaturas de condensação e congelamento da água; Além disso, os dois parâmetros juntos definem a densidade de uma massa de água, sendo portanto utilizados para a identificação de massas d’água e de sistemas de correntes; Temperatura Distribuição horizontal dentre outros fatores a temperatura superficial dos oceanos está relacionada com a latitude; o equador e as baixas latitudes recebem mais calor por unidade de área do que os polos e as altas latitudes; Por isso pode-se dizer que na superfície a distribuição da temperatura é zonal, ou seja, formam-se isotermas (isolinhas de mesma temperatura) segundo a latitude; A grosso modo, pode-se dizer que a temperatura superficial dos oceanos altera-se em 0,5°C para cada grau de latitude percorrido; Temperatura Distribuição horizontal variação zonal (em função da latitude) e isotermas em agosto (a) durante o inverno do H.S. e em fevereiro (b) durante o verão do H.S. a b Temperatura Distribuição vertical também vai depender de certo modo da latitude: Em baixas e médias latitudes (regiões equatorial e tropical, respectivamente) a T °C geralmente decresce com a profundidade, deviso ao aquecimento da superfície oceânica, criando-se uma estrutura de 3 camadas térmicas na coluna d’água; Já em altas latitudes (acima de 50°), a temperatura da água se mantém relativamente uniforme ao longo de toda a coluna d’água, não havendo formação de diferentes zonas térmicas, uma vez que, durante o inverno, grande parte da superfície é recoberta por gelo (isolante térmico) e durante o verão a pouca radiação incidente não causa grandes variações na temperatura do ar e da água superficial. Temperatura Distribuição vertical da temperatura em diferentes latitudes Temperatura Distribuição vertical da temperatura em diferentes latitudes Temperatura As três camadas térmicas encontradas na coluna d’água de regiões equatoriais e tropicais: a Camada de Mistura: a Termoclina (principal) e a Termoclina (sazonal): a Camada de Fundo: Temperatura As três camadas térmicas encontradas na coluna d’água de regiões equatoriais e tropicais: a Camada de Mistura: camada superficial isotérmica (i.e. de igual T °C) que se estende até cerca de 500 m de profundidade onde ainda há intensa transferência do calor fornecido pelo sol; Temperatura As três camadas térmicas encontradas na coluna d’água de regiões equatoriais e tropicais: a Termoclina (principal): camada que varia de 500 a 1000 m de espessura e separa a camada superficial ainda aquecida pelo sol das águas oceânica profundas e frias. Nesta camada, a temperatura diminui abruptamente com a profundidade, causando grande diferença de densidade entre as massas de água logo acima e logo abaixo dela. Assim, a presença da termoclina impede a circulação vertical da água, praticamente isolando as águas superficiais das águas profundas. Termoclina (sazonal): pode se formar próxima à camada de mistura nos meses mais quentes ano e também impedindo a circulação vertical; Temperatura As três camadas térmicas encontradas na coluna d’água de regiões equatoriais e tropicais: a Camada de Fundo: camada abaixo da termoclina que vai até o assoalho oceânico. Apresenta lenta diminuição da temperatura , a qual alcança valores entre -1 e 3°C abaixo dos 4.000 m. Densidade É a principal propriedade física da água do mar, apesar de ser uma propriedade secundária, já que é resultado da associação de 3 outras propriedades: salinidade, temperatura e pressão (esta última sendo também dependente das duas anteriores e da profundidade); A densidade é o principal parâmetro da água do mar, uma vez que controla vários processos (físicos, químicos e biológicos) fundamentais no oceano: Propagação de ondas internas (inclusive das ondas luminosas e sonoras) / turbulências e misturas na coluna d’água; Transferência de calor / transporte de sedimentos; Concentração de plâncton / locomoção de espécies marinhas; Etc... Densidade Em geral, para se aumentar a densidade da água do mar, basta aumentar a salinidade ou diminuir a temperatura, sendo que este último parâmetro o mais influente; Densidade Como sabemos, a densidade refere-se à razão entre a massa e o volume ocupada por uma dada substância, sendo normalmente medida em g/cm3; No caso da água do mar, a densidade é designada pela letra grega ρ (rho) e varia entre 1,020 e 1,030 g/cm3, indicando que 1 L de água do mar pesa entre 2% e 3% mais que 1 L de água pura (1,0 g/cm3), numa mesma temperatura; Como pequenas variações nos valores de densidade podem acarretar grandes movimentos verticais de água, a medida deste parâmetro costuma ser feita até a 5ª casa decimal. Assim, para facilitar a utilização desses valores, convencionou- se utiliza o termo Sigma-t (σt) para expressar a densidade das massas de água marinhas, o qual é obtido subtraindo-se a densidade da água pura (1 g/cm3) da densidade da água do mar e multiplicando o resultado por 1.000: Ex: para uma ρ = 1,02641 g/cm3 , temos σt = (1,02641 – 1) x 1000 σt = 26,41 Densidade Seguindo os padrões de distribuição vertical da temperatura e salinidade, pode-se intuir que quando a TERMOCLINA coincide com a HALOCLINA forma-se então uma camada de abrupta mudança de densidade, a qual é conhecida como PICNOCLINA; Densidade Distribuição vertical da densidade em diferentes latitudes Pressão hidrostática Esta propriedade é função do peso da coluna d’água, portanto da densidade da água e da profundidade, sendo este último parâmetro muito mais importante que o primeiro na determinaçã0 da pressão em determinado local; Ao nível do mar temos uma pressão de 1 atmosfera (atm), referente ao “peso” dos cerca de 100 km de atmosfera acima. Na água do mar, a pressão hidrostática aumenta 1 atm a cada 10 m de profundidade, de modo que a pressão encontrada nas Fossas das Marianas, que estão a cerca de 11 km de profundidade, gira em torno dos 1.200 atm, que significa um peso de 1,2 toneladas por centímetro quadrado; Pressão hidrostática As altas pressões encontradas em regiões oceânicas profundas exercem grandes enfeito sobre: os seres vivos (órgãos, reprodução celular, trocas gasosas) que ali habitam e que precisam se adaptar a esta condição extrema; o próprio volume dos oceanos, mesmo a água apresentando baixa compressibilidade caso contrário o mar estaria mais ou menos 37 m acima do nível atual; e além disso, sob altas pressões, objetos que normalmente flutuariam na superfície, como pedaços de madeira por exemplo, tendem a se tornar mais pesados que a água devido á expulsão dos gases que antes ficavam entre as suas estruturas, permanecendo assim no fundo. Conteúdo proposto OCEANOGRAFIA FÍSICA: Propriedades físicas da água do mar (distribuição horizontal e vertical); Propagação da luz e do som na água do mar; Massas d’água e curva T –S; Correntes oceânicas; Ressurgência; Ondas e marés; Técnicas de estudo e equipamentos da Oceanografia Física. Propagação do som e da luz Antes de mais nada é importante ficar claro que a luz e o som são fenômenos ondulatórios; Quando uma onda de luz ou de som deixa um meio de determinada densidade – tal como o ar – e entre em outro meio de densidade diferente – como a água – com um ângulo diferente do de 90°, ela será desviada da sua direção original de propagação refração; Caso esse processo ocorra em um ângulo reto (90°), o que será alterada será a velocidade de propagação e não mais a sua direção. A razão de ambos os fenômenos é que as ondas viajam com velocidades diferentes em meios distintos: No caso da LUZ a velocidade de propagação diminui quando esta atravessa para meios mais densos; No caso do SOM a velocidade de propagação aumenta quando este atravessa para meios mais densos. Refração da luz Refração da luz Refração da luz Algumas das consequência do fenômenos de refração das ondas luminosas são descritas a seguir: objetos totalmente imersos parecem maiores do que realmente são; objetos parcialmente imersos parecem descontínuos; Refração da luz objetos totalmente imersos parecem mais próximos ou em posições diferentes das que realmente estão; Luz nos oceanos Antes de atingir e penetrar o oceano a luz solar atravessa vários obstáculos: as nuvens e a superfície oceânica a refletem enquanto os gases e as partículas atmosféricas a espalham e absorvem; Aqui é importante diferenciarmos os processos de espalhamento/difusão e absorção: Espalhamento ou difusão: é a distribuição da luz entre as moléculas de ar, água, partículas ou outros objetos antes de ser absorvida; Absorção: quando a luz é absorvida pela água, suas moléculas vibram e a energia luminosa é convertida em calor; A depender do comprimento da onda luminosa (i.e. da cor), esse processo de absorção da energia luminosa e conversão em calor (energia térmica) acontece mais próximo ou mais distante da superfície Luz nos oceanos Assim, a luz pode passar por 4 processos ao alcançar a água do mar: Reflexão; Refração; Difusão ou espalhamento; Absorção ( que ocorre de forma diferente para cada comprimento de onda) Luz nos oceanos O primeiro metro dos oceanos absorve praticamente toda a radiação infravermelha e pouco mais de 70% da luz vermelha que atingem a superfície, comprimentos que contribuem significativamente para o aquecimento desta camada superficial; Luz nos oceanos Som nos oceanos Tal como a luz, o som consiste e viaja em ondas. Contudo enquanto as ondas de luz são eletro- magnéticas, as ondas de som são acústicas, que é uma forma de energia mecânica; A energia electromagnética pode existir e se propagar sem a existência de matéria, ao contrário do som (e de outras energias mecânicas) que só existe na presença de matéria; O som resulta da ação (vibração) de um objeto, colocando em movimento uma onda ou um conjunto de ondas acústicas no meio em que está presente, sendo que esta onda pode continuar a viajar em outro meio; Em outras palavras, o som é uma forma de energia transmitida por meio de rápidas alterações de pressão em um meio elástico. Som nos oceanos Pelo motivo anteriormente citado e ao contrário da luz, o som viaja melhor em ambientes densos, como sólidos e líquidos. No caso da propagação do som na água, deve-se levar em conta também a sua elasticidade. Assim, quanto mais denso e elástico for o meio, mais eficiente será a transmissão das ondas sonoras; Por ser um meio mais denso e mais elástico do que o ar, observa-se no meio aquático um aumento da velocidade de propagação/transmissão do som. Assim, as ondas sonoras viajam distâncias muito mais longas na água do que as ondas luminosas e é justamente por este motivo que muitos animais marinhos usam o som, e não a luz, para “ver” nos oceanos; Som nos oceanos CURIOSIDADES Devido ao aumento da velocidade do som na água, consegue-se ouvir a maiores distâncias quando se está submerso do que na superfície. Contudo a velocidade do som debaixo d’água torna difícil discernir a direção de onde o som vem. O cérebro determina a direção do som interpretando a diferença entre o momento em que o som atinge cada ouvido e a intensidade relativa, mas este mecanismo está baseado no som ao ar livre e não na água. Debaixo de água, devido a alta velocidade do som os dois ouvidos percebem o som ao mesmo tempo e com a mesma intensidade, dificultando a determinação de sua direção; Som nos oceanos No entanto, o som também sofre absorção (além de outros processos) na água e essa absorção é proporcional ao quadrado da frequência do som maiores frequências (de ondas) sonoras são absorvidas mais rapidamente (diferentemente do que acontece com as ondas luminosas!!!) A velocidade do som em uma água de salinidade 35‰ (ppt = partes por mil) é aproximadamente 1.500 m/s, quase 5x mais do que sua velocidade no ar; Som nos oceanos A velocidade do som (Vs) na água do mar é diretamente proporcional à temperatura, à salinidade e à pressão. Assim sendo, temos as seguintes relações: se a temperatura aumenta (mesmo diminuindo a densidade da água) a velocidade de propagação do som também aumenta o aumento de 1°C na temperatura da água aumenta Vs em 4m/s; se a salinidade aumenta, velocidade do som também aumenta o aumento de 1 unidade de salinidade aumenta n em 1,5 m/s; se a pressão aumenta, a velocidade do som também aumenta o aumento de 100m de profundidade (i.e, um aumento de 10 atm) aumenta Vs em 1,8 m/s. Som nos oceanos O som se propaga rapidamente nas águas rasas e quentes. Na camada de mistura, onde as características da água são muito homogêneas Vs aumenta com a profundidade devido apenas ao efeito da pressão; Abaixo da camada de mistura Vs começa a decrescer com a profundi- dade em função da diminuição da T°C, eventualmente atingindo um mínimo a cerca de 1000 m de profundidade (termoclina principal); Abaixo dessa camada Vs aumenta novamente, pois o efeito da pressão compensa o da baixa temperatura, já que tanto a temperatura quanto a salinidade permanecem praticamente constantes enquanto a pressão aumenta até o fundo. Som nos oceanos CAMADA ou CANAL SOFAR (sound fixing and ranging) Esta camada compreende a profundidade na qual a velocidade do som atinge seu mínimo e onde se costuma fazer a transmissão do som, visto que a refração ocorrida quando as ondas sonoras atravessam para as camadas adjacentes (de maior velocidade de propagação) tende a manter a energia sonora dentro desta camada; Em outras palavras, as ondas sonoras tendem a ser “redirecionadas” para a camada de menor velocidade (“camada sofar”), permanecendo nessa zona. Assim, apesar de apresentar menor velocidade de propagação, o som atinge distância ainda maiores quando transmitido nessa camada “devagar ele vai longe” !!! Som nos oceanos CAMADA ou CANAL SOFAR (sound fixing and ranging) Som nos oceanos SONAR (sound navigation and ranging) O som é importante ferramenta para o oceanógrafo, sendo utilizado para medições de profundidade, observações da espessura e características da crosta, detecção de objetos, telemetria, localização de cardumes de peixes, entre outros usos Para todos esses usos utiliza-se o SONAR projeção e recepção do eco (retorno) através da água de pulsos sonoros curtos de alta frequência. Equipamento também conhecido como ECOSONDA; Som nos oceanos Detecção de cardumes Detecção de naufrágios ou equipamentos perdidos Avaliação das características do fundo e da crosta Som nos oceanos Zona de sombra OBRIGADA e BOA TARDE !!!
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