Oceanografia Física Introdução Estrutura e características gerais dos Oceanos IOUUSP

Oceanografia Física
Introdução: Estrutura e Características Gerais dos Oceanos
Olga T. Sato, Ph.D. olga.sato@usp.br
Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo
Olga T. Sato (IOUSP) Oceanografia Física 1 / 37
Roteiro
1 Oceanografia Física
Áreas de Interesse
2 Oceanos
Forçantes
Dimensões
3 Métodos de Estudo dos Oceanos
Equações básicas
Escalas
Processos oceânicos
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Oceanografia Física
Roteiro
1 Oceanografia Física
Áreas de Interesse
2 Oceanos
Forçantes
Dimensões
3 Métodos de Estudo dos Oceanos
Equações básicas
Escalas
Processos oceânicos
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Oceanografia Física
O que é a Oceanografia Física?
Oceanografia Física é uma parte das Ciências da Terra que estuda
o movimento dos oceanos.
Objetivos:
Entender os processos que ocorrem nos oceanos em todas as
escalas de tempo e espaço;
Ser capaz de simular esses processos;
Fazer previsões.
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Oceanografia Física Áreas de Interesse
Fenômenos estudados
Circulação de larga e meso escala
Processos acoplados entre oceano e atmosfera
Transporte de calor pelos oceanos
Ondas de superfície e interna
Turbulência e processos de mistura
Acústica
Correntes induzidas pelo vento
Maré
Tsunami
Vórtices
Processos costeiros e estuarinos
Mudanças climáticas
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Oceanos
Roteiro
1 Oceanografia Física
Áreas de Interesse
2 Oceanos
Forçantes
Dimensões
3 Métodos de Estudo dos Oceanos
Equações básicas
Escalas
Processos oceânicos
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Oceanos Forçantes
As Forçantes no Oceano
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Oceanos Forçantes
Forçantes
Externas:
Radiação solar
Vento (ondas, turbulência, circulação)
Evaporação
Precipitação
Potencial de maré
Terremotos
Gravidade
Atrito
Internas:
Gradiente de pressão
Viscosidade
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Oceanos Dimensões
Dimensão dos Oceanos
Os oceanos e mares cobrem 70,8% da superfície da Terra.
O oceano é um só, porém dividido em três partes por
determinação de acordos internacionais;
Largura mínima de 1500 km no Atlântico e > 13000km de
extensão norte–sul do Atlântico e largura do Pacífico;
Profundidade média: 4 km;
Dimensão horizontal da bacia é 1000 vezes a vertical.
Representação em escala: o oceano seria uma folha de papel.
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Oceanos Dimensões
Topografia dos Oceanos por Satélite
Smith e Sandwell (1997): http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/walter/World.jpg
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Oceanos Dimensões
Principais Feições da Topografia
Fonte: Stewart online (Seção 3.3)
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Oceanos Dimensões
Indicação de Estudo
Capítulo 2 do Pickard & Emery
Capítulo 3.1–3.5 do Stewart:
http://oceanworld.tamu.edu/resources/ocng_textbook/contents.html
Obs.: O conteúdo de material indicado para estudo será cobrado nas
avaliações.
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Métodos de Estudo dos Oceanos
Roteiro
1 Oceanografia Física
Áreas de Interesse
2 Oceanos
Forçantes
Dimensões
3 Métodos de Estudo dos Oceanos
Equações básicas
Escalas
Processos oceânicos
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Métodos de Estudo dos Oceanos
Como podemos estudar os oceanos?
Observação
Modelagem de processos, incluindo teoria pura e modelos
numéricos simplificados
Simulação de fluxo usando complexos modelos numéricos
Modelos com assimilação de dados: Simulações que combinam
dados observacionais e de modelos
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Métodos de Estudo dos Oceanos Equações básicas
Equações que governam o movimento
Dρ
Dt + ρ
~∇ · ~u = 0 [Conservação de massa]
ρD~uDt + ρ 2 ~Ω× ~u = ρ[~g − ~Ω× (~Ω×~r)]− ~∇p + ~F [Momento]
ρ = ρ(p,T ,S) [Estado]
D
Dt (ρcvT ) = ~∇ · (kT ~∇T ) +QT [Conservação de Energia Interna]
DS
Dt =
~∇ · (KS ~∇S) +QS [Conservação de Sal]
As incógnitas do problema são:
u v w p ρ T S
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Métodos de Estudo dos Oceanos Escalas
Análise de Escalas
As equações do movimento do fluido cobrem uma grande
extensão de escalas de tempo e espaço. Seria impossível
resolve–las exatamente todos os fenômenos no oceano.
Solução: Aproximações que usam critérios objetivos para
associar as escalas de tempo e espaço para o processo
estudado.
Isso envolve:
1 Escolha adequada da escala de comprimento, temporal, massa;
2 Realizar uma análise de escala das equações do movimento;
3 Resolver as equações usando os termos mais importantes da
equação;
4 Utilização de parâmetros não dimensionais para a análise;
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Métodos de Estudo dos Oceanos Escalas
Análise de Escalas
Dois critérios que merecem destaque na determinação de
parâmetros não dimensionais:
1 Razão de aspecto: altura/comprimento (razão do aspecto vertical e
horizontal):
α =
H
L
2 Número de Rossby: duração do dia/escala temporal (razão do
tempo de rotação da terra e escala temporal do movimento). Uma
outra forma:
Ro =
U
Lf
onde f = 2 Ω sin θ onde Ω = 7,29× 10−5rad s−1 e θ é a latitude.
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Métodos de Estudo dos Oceanos Escalas
Escalas de movimento
Em relação ao número de Rossby Ro:
Ro pequeno: movimento fortemente influenciado pelas forças de
Coriolis;
Ro grande: forças inerciais e centrífugas dominam.
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Processos e estruturas no oceano
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Processos e estruturas na atmosfera
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Exemplos de Processos de Pequena escala
Quebra de ondas de superfície e
formação de bolhas
Desenvolvimento do campo de
ondas depende do vento, das
interações onda–onda e
onda–corrente e dissipação da onda
por quebra;
Importante papel na troca de
massa, momento e energia entre
oceano e atmosfera;
Grande impacto no tempo e clima.
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Circulação de Langmuir
Outro exemplo de resposta transiente à força impulsiva do vento.
Listas com depósitos de espuma e material flutuante se alinham
aproximadamente na direção do vento.
Zonas de convergência se formam devido à vórtices verticais.
Escala horizontal: 10 a 50 m. Escala vertical: 4 a 6 m
Escala temporal: minutos depois que o vento começa e dissipa assim
que o pulso de vento cessa.
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Ondas de Gravidade de Superfície
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Sistema de Alerta para Tsunami
Sumatra em 26.12.2004
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Amplitude da Maré em Bay of Fundy, Canadá
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Amplitude da Maré nos Oceanos Globais
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Marés, medidas pontuais
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Métodos de Estudo dos Oceanos Processos oceânicos
Ondas Internas geradas por Maré
Ondas que se propagam
no interior do oceano na