Capítulo 3 - Distribuição das propriedades físicas da água do mar

1. Introdução

Distribuições de temperatura e salinidade são indicadores da circulação oceânica. Variações horizontais das propriedades são, em geral, muito menores que as verticais. Exemplo: No Equador, temperatura de 25°C na superfície e 5°C a 1 km de profundidade. Necessidade de se deslocar 5000 km para Sul ou Norte do Equador para ter temperatura na superfície de 5°C. Variações latitudinais são, em geral, maiores que as longitudinais.

2. Coleta e análise de dados

Navios ou Barcos oceanográficos são posicionados em locais chamados “estações oceanográficas” ou “estações hidrográficas”. Propriedades são medidas, da superfície até o fundo. São obtidos “perfis verticais” de temperatura, salinidade, … (gráficos propriedades × profundidade). Distribuição de estações possibilita o traçado de “secções verticais e horizontais”. Gráficos utilizam técnicas computacionais de edição, filtragem e interpolação de dados. Análise dos gráficos indica fluxos horizontais, ressurgência, subsidência, …

Além das variações horizontais e verticais, há variações temporais das propriedades.

Variações temporais: estudadas através da repetição periódica de medições dos perfis (uso de navios ancorados, ou repetição de posições, ou instrumentos fundeados).

Variações diurnas predominam na superfície e variações sazonais predominam em profundidade (abaixo de 300 m).

Outras opções além da perfilagem de propriedades em estações: bóias derivadoras instrumentadas, perfis com instrumentos que podem ser usados com navios em trânsito, estações costeiras permanentes e sensoriamento remoto (por aviões, satélites).

3. Estatística geral e descritores de áreas

Oceano global tem temperatura média 3,5°C e salinidade média 34,7. 75% das águas oceânicas tem intervalos de temperatura [O; 6°C] e salinidade [34, 35]. 50% das águas oceânicas tem intervalos de temperatura [1,3; 3,8°c] e salinidade [34,6; 34,8].

Combinações de valores de temperatura e salinidade identificam as massas d'água.

Variações zonais das propriedades: Zona equatorial (próximo ao Equador); Zona tropical (entre 23,5°N e 23,5°S); Zonas Sub-tropicais (afora das tropicais); Zonas Polares (próximo aos Polos N e S).

“Baixas latitudes” (menores que 23,5°) e “Altas latitudes” (maiores que 23,5°).

4. Distribuição da temperatura

Temperatura na superfície tem variação zonal: isotermas tem orientação praticamente E - W (Figuras 1 e 2).

Figura 1: temperatura superficial dos oceanos em fevereiro.

Figura 2: temperatura superficial dos oceanos em agosto.

Nos contornos leste dos oceanos, ressurgência de águas mais frias faz com que isotermas desviem na direção do Equador.

No oceano aberto, temperatura média na superfície varia de 28°C (na área Equatorial) a −2°C (nas altas latitudes) (Figura 3).

Figura 3: variações com a latitude da temperatura superficial, salinidade e densidade (σ_t). Média para todos os oceanos.

Distribuição na superfície se deve à incidência da radiação solar (de ondas curtas).

Distribuição vertical de temperatura nas latitudes baixas (Figura 4): camada da superfície, com espessura de 50 a 200 m e temperatura próxima à da superfície; termoclina principal, de 200 a 1000 m, com grande variação de temperatura com a profundidade; camada do fundo, abaixo dos 1000 m, com pequena variação de temperatura com a profundidade.

Gradiente vertical de temperatura é máximo na termoclina, mas pode haver dificuldades em definir precisamente limites de temperatura e de profundidade da termoclina.

Em latitudes médias, a termoclina principal é uma “termoclina sazonal” (só ocorre no verão) (Figura 4). Em altas latitudes, não há termoclina: temperatura é relativamente uniforme na vertical (Figura 4).

Figura 4: perfis médios típicos de temperatura para o oceano aberto.

Explicação para a existência da termoclina

Por que calor da superfície não é transferido para baixo?

Por que camada de superfície não afunda?

Modelos sugerem que transferência de calor para baixo é compensada por advecção de água fria debaixo, deslocada pelo afundamento de águas no inverno em altas latitudes.

Outro fator: águas da camada de superfície nas regiões tropicais se deslocam em direção aos polos, removendo calor das áreas tropicais.

Camada da superfície é chamada “camada de mistura”, homogênea devido à mistura causada pelo vento e pelas ondas.

Figura 5: Células de Langmuir: vento gera células rotatórias helicoidais, que giram em sentidos opostos: mecanismo converte energia das ondas em energia turbulenta e mistura, mantendo a profundidade da camada de mistura (escala de alguns minutos e poucos metros). Mas esta teoria não explica penetração da mistura em toda a camada de superfície ou uma escala de tempo sazonal.

5. Variações temporais da temperatura

Variações sazonais da estrutura vertical da temperatura nas áreas tropicais e nas altas latitudes são muito pequenas, visto que as temperaturas na superfície do ar e do mar não variam significativamente.

Entretanto, nas latitudes médias, há uma variação sazonal marcante da estrutura vertical, o que origina uma “termoclina sazonal” (Figura 6).

Nas latitudes médias, devido a variações sazonais significativas, ocorre terrnoclina sazonal (Figura 6).

No inverno: temperatura de superfície baixa, ondas altas camada de superfície engloba a termoclina.

No verão: temperatura da superfície aumenta, coluna d'água fica mais estável termoclina sazonal se desenvolve.

Camada da termoclina tem alta estabilidade: separa camadas de superfície e do fundo

Figura 6: Amostragem da variação sazonal de temperatura no Pacífico Norte.

Em altas latitudes, frequentemente ocorre uma fria “camada dicotermal” (Figura 4): de 50 a 100 m de profund, entre as camadas mais quentes da superfícies e do fundo.

Figura 7: Intervalo anual da temperatura de superfície no Pacífico: variações de 1 a 2°C no Equador, 5 a 10°C na latitude de 40°, diminuindo na direção dos polos. Próximo à costa, variações grandes (10 a 20 °C) em áreas abrigadas.

Variações sazonais da temperatura na superfície tendem a ser maiores no Hemisfério Norte do que no hemisfério Sul. A variação sazonal no hemisfério Sul é devida apenas à variação da radiação solar, enquanto que, no hemisfério Norte, além desse fator, os grandes continentes tendem a esfriar grandes quantidades de ar, as quais são capazes de extrair mais calor dos oceanos, pela ação dos ventos que sopram dos continentes e através dos oceanos.

Temperatura máxima na superfície: agosto/setembro no Hemisfério Norte, Fevereiro/Março no Hemisfério Sul.

Temperat mínima na superfície: fevereiro/março no Hemisfério Norte, agosto/setembro no Hemisfério Sul.

Abaixo da superfície, tempos de máxima e mínima ocorrem com atrasos (até 2 meses).

Variações anuais diminuem em profundidade, sendo muito pequenas abaixo de 300 m.

Variações anuais são devidas às estações do ano, mas são muito afetadas pela circulação de massas d'água em escala global.

Variações diumas de temperatura típicas chegam a 1°C (ocasionalmente 3 a 4°C): em condições de alta insolação e ventos fracos, limitadas a poucos metros iniciais da coluna.

Em áreas costeiras, variações diurnas de 2 a 3°C (e maiores) são mais comuns.

Radiação solar: maior parte é usada para evaporar a água, parte para elevar temperatura.

Onde há gelo: maior parte da radiação solar é para derretê-lo (variações diurnas de temperatura são pequenas).

Em certas aplicações, variações mínimas de temperatura (centésimos de °C) são investigadas, envolvendo pequenos intervalos de tempo (da ordem de segundos) em pequenas distâncias (da ordem de cm); estes estudos são referentes à “micro-estrutura térmica” do oceano e estas variações são geralmente devidas à turbulência ou a correntes muito fortes.

6. Águas profundas - Temperatura potencial

Em locais profundos, temperatura decresce com a profundidade, até cerca de 4000 m. Abaixo dos 3000, 4000 m: Temperatura in situ aumenta c/ a profundidade (por efeito da pressão).

Para eliminar efeito da pressão, usar temperatura potencial (calculada a partir da temperatura in situ e da pressão).

Figura 8: Secção vertical de temperatura in situ sugere que fluxo de água fria descende parcialmente ao longo do sill (deixando águas quentes no fundo da fossa sem distúrbios). Secção vertical de temperatura potencial sugere fluxo ao longo do sill até o fundo.

7. Distribuição da salinidade

Salinidade na superfície tem variação zonal (mas não tão claramente como a temperatura) — ver Figura 9. Distribuição da salinidade média na superfície com a latitude (Figura 3): mínimo logo ao Norte do Equador e máximos aproximadamente em 25° N e S. Valores decrescem na direção das altas latitudes.

Figura 9: salinidade superficial dos oceanos em agosto.

A salinidade na superfície é controlada principalmente por dois fatores: a evaporação, que a aumenta, e a precipitação, que a reduz. Os máximos de salinidade na superfície estão nas regiões dos ventos alíseos, que provocam um máximo de evaporação menos precipitação (Figura 10). Outro fator importante que afeta a salinidade é a mistura de massas d'água.

Figura 10

O congelamento de água aumenta a salinidade, e o degelo a diminui, mas estes efeitos são secundários e localizados.

A salinidade na superfície dos oceanos varia geralmente de 33 a 37: valores bem menores podem ocorrer junto à costa (próximo ao desaguadouro de rios), em regiões de alta precipitação, e nas regiões polares (onde o gelo se funde); e valores muito altos aparecem em regiões com excesso de evaporação, como por exemplo o Mediterrâneo (39) e o Mar Vermelho (41).

A variação da salinidade na superfície pode portanto ser expressa como

S = S_o + k (E - P) (1)

onde S_o é uma constante, determinada pelos processos de mistura na superfície, E é a quantidade de evaporação por unidade de tempo, P é a quantidade de precipitação por unidade de tempo e k é uma constante. Considerando a média de todos os oceanos, a salinidade na superfície é dada por (S em ‰ ou spu e E e P em cm/ano):

S = 34,6 + 0,0175 (E - P) (2)

Os valores das constantes usadas em (2) são médias de todos os oceanos; entretanto, a forma geral da equação (1) pode ser aplicada para certas áreas em particular, sendo S_o e k determinados empiricamente para cada área.

Distribuição vertical de salinidade não é tão simples como a de temperatura. Isto porque a densidade (que é o fator responsável pela estabilidade vertical) é principalmente determinada pela temperatura (em águas oceânicas). Somente nas águas costeiras, em estuários, a salinidade é tão importante quanto a temperatura como elemento controlador da densidade. Por isso, em áreas oceânicas podem ocorrer salinidades mais altas ou mais baixas na superfície. Consequentemente, salinidade é um conveniente “traçador passivo”, indicando fluxos de massas d'água.

Figura 11: Distribuição vertical de salin, nas regiões equatorial, tropical e sub tropical: há um mínimo de salinidade entre 600 e 1000 m, aumento até 2000 m, ficando praticamente constante abaixo de 2000 m.

Nos trópicos, máximo de salinidade em 100 a 200 m, proveniente de águas com máximo de salinidade na superfície que afundam e se dirigem ao Equador. Nas altas latitudes, salinidade na superfície é mínima, aumentando até 2000 m (não tem mínimo sub-superfície) depois se toma constante.

Em regiões costeiras, com grande descarga de água doce de rios: há camada com grande aumento da salinidade, a haloclina, entre a camada de superfície (pouco salina) e a de fundo (muito salina).

Em águas muito profundas, abaixo de 4000 m, salinidade é muito uniforme, 34,6 a 34,9. Nessas águas profundas, temperatura tem pequenas variações (−0,9 a 2°C). Isto significa que essas águas profundas tem características bastante uniformes.

8. Variações temporais da salinidade

No oceano aberto, variações na superfície são pequenas, menores que 0,5. Somente em regiões de grande variação anual da precipitação (ex: parte Leste do Pacífico Norte ou Baía de Bengala) e próximo ao gelo há grandes variações anuais (só na superfície).

Variações diurnas da salinidade em áreas oceânicas são muito pequenas.

Variações de salinidade no oceano aberto são relacionadas aos movimentos de massas d'água.

9. Distribuição da densidade

Densidade na superfície: σ_t varia de cerca de 22 próximo ao Equador a 26–27 em 50°–60° de latitude e diminui ligeiramente para latitudes mais altas (Figura 3).

10. Distribuição vertical da densidade e a picnoclina

Densidade aumenta com a profundidade, mas não de uma forma uniforme. Nas regiões equatorial e tropical: há uma camada superior de densidade praticamente uniforme, depois há uma camada na qual a densidade aumenta rapidamente com a profundidade, chamada picnoclina; abaixo desta, a densidade aumenta lentamente com a profundidade (Figura 12).

Figura 12: perfis típicos de densidade para baixas e altas latitudes.

Em águas profundas, σ_s,t,p varia pouco com a latitude. Em altas latitudes, a densidade é praticamente constante com a profundidade (e picnoclina inexiste).

11. Estabilidade estática

Não disponível online.

12.Variações da densidade

No oceano aberto, em baixas e médias latitudes, a maioria das variações de densidade nos primeiros 1000 m é devida a variações de temperatura; somente em grandes profundidades, a salinidade pode ter alguma importância.

Somente em certas regiões (Pacífico NE e polares) a variação de salinidade na superfície afeta a densidade. Por outro lado, em águas costeiras, a salinidade é um importante fator controlador da densidade, em todos os níveis de profundidade.

13. Distribuição do oxigênio dissolvido

Além dos sólidos dissolvidos na água do mar, há também os gases. Oxigênio dissolvido é usado como característica de massas d’água.

Concentração: mililitros de O₂ em NTP dissolvidos em um litro de água do mar (ml/l). Opção de unidade: μmol/kg.

Valores típicos: O a 8 ml/l, mais comuns: 1 a 6 ml/l.

Atmosfera é a maior fonte de oxigênio dissolvido na água do mar, águas na superfície estão geralmente saturadas. Outra fonte: fotossíntese de plantas, pode super saturar primeiros 10 a 20 m.

Abaixo da superfície, camadas são sub saturadas, devido ao consumo de oxigênio por animais e oxidação de detritos. Baixos valores de oxigênio podem indicar que águas deixaram a superfície há tempos ou grande consumo biológico (ou por detritos).

Figura 13: Perfis de oxigênio dissolvido: altos valores na superfície. Nos trópicos, mínimo de oxigênio por volta de 1000 m, devido ao máximo de oxidação de material orgânico dissolvido e particulado (que cai a partir da superfície por gravidade e atinge equilíbrio vertical), e o aumento de oxigênio dissolvido abaixo deste nível é provavelmente relacionado à circulação em larga escala dos oceanos.

IMPORTANTE: Cuidado ao usar a concentração de O2 como caracteristica de águas: não é uma propriedade conservativa sob o ponto de vista físico.

14. Transparência do oceano superior

A transparência do oceano superior pode ser medida pela profundidade do disco de Secchi.

Figura 14: Profundidade de Secchi: no oceano aberto: grandes valores em baixas e médias latitudes (20 a 40 m), baixos valores nas altas latitudes (10 m). Em áreas costeiras: baixos valores (2 a 10m).

Dependência com materiais em suspensão (alta produtividade biológica).