Danilo R. Vieira | Oceanógrafo

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Capítulo 8 - Circulação e massas d’água dos oceanos

Material escrito pelo Prof. Dr. Joseph Harari e disponibilizado impresso durante aulas da disciplina IOF 1202 - Oceanografia Física Descritiva, ministrada no Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo no ano de 2007.

Aspectos gerais da circulação oceânica

As principais formas de geração de correntes no oceano são:

  1. Efeitos termohalinos. A circulacao termohalina se refere aos movimentos da água produzidos quando a densidade e alterada por variações de temperatura e/ou salinidade em alguma região do oceano. O aumento de densidade pode ser devido ao resfriamento da água, ao excesso de evaporação sobre a precipitação ou ainda à formacao de gelo (e consequente aumento da salinidade da água residual). O aumento da densidade na superfície faz com que a água mergulhe e desloque as águas profundas; assim, o início da circulação termohalina e um f1uxo vertical mergulhando a uma profundidade intermediária ou mesmo ao fundo; e o prosseguimento é como um fluxo horizontal, com as águas recem afundadas deslocando as antigas residentes no local. A excessiva perda de energia térmica pelos oceanos nas altas latitudes (e o congelamento no invemo) provoca um aumento da densidade das aguas na superfície e gera este tipo de circulacao (Figura 1). O efeito isolado da salinidade na geração da circulação termohalina ocorre tambem nas regiões tropicais, por efeitos de evaporação, mas esta é em geral acompanhada por forte aquecimento solar, e a diminuição da densidade pelo aquecimento sobrepuja o aumento devido a evaporação (Figura 1). Os “efeitos termohalinos” aqui descritos podem ser considerados como “gradientes de pressao intema”, ou seja, variações horizontais da pressão interna, e podem ocorrer tanto em grande como em pequena escala (por exemplo, num estuário, onde há o encontro de água doce do rio com áqua salina do mar). Note-se que a pressão interna no oceano depende da densidade, sendo calculada pela relação hidrostática.
  2. A circulação gerada pelo vento ocorre principalmente na primeira centena de metros de profundidade e é basicamente uma circulação horizontal. A frição do vento na superficie do mar é a força geradora do movimento, notando-se que a direção da corrente na superficie do mar não é a do vento; a rotação da Terra origina a forca de Coriolis, que deflete as correntes para a esquerda do vento no Hemisferio Sul e para a direita do vento no Hemisfério Norte.
  3. Gradientes de pressão externa associados a variações de pressão atmosférica geram acelerações, da pressão maior para a menor, em toda a coluna d'água.
  4. Inclinações do nível médio do mar também induzem acelerações no oceano, do nível maior para o menor, desde a superfície até o fundo.
  5. O Sol e a Lua atuam com a força da gravidade, gerando as correntes de maré astronômica, ao longo de toda a coluna d'água.

[Fig. 1]
Figura 1

As correntes oceânicas são pois resultantes do efeito combinado dos movimentos termohalinos (predominam em aguas profundas), dos movimentos gerados pelo vento (predominam na superfície) e dos movimentos devidos a gradientes de pressão atmosférica, inclinações da superfície e devidos a influências astronômicas (em toda a coluna) (Figura 2). Todos os movimentos são afetados:

  1. pela força de Coriolis, devida a rotação da Terra e
  2. por efeitos de continuidade, que são também importantes nos f1uxos oceânicos.

Figura 2 em breve.

Em todos os casos, os movimentos prosseguem e se desenvolvem muito além das regiões de origem, gerando os grandes sistemas de circulação nos oceanos. Além dos efeitos que geram e modificam os sistemas de circulação, há efeitos (de atrito) que atenuam os movimentos:

  1. fricção das correntes com 0 fundo do mar,
  2. fricção vertical (entre camadas de fluido em movimento ao lango da coluna d'agua) e
  3. fricção lateral (especialmente efeitos de turbulência).

É importante notar que mesmo o estudo da circulação em areas limitadas requer o conhecimento dos sistemas de circulação geral dos oceanos, visto que as correntes de uma área específica são sempre influenciadas pelas correntes de regiões vizinhas.

A circulação termohalina ocorre basicamente através do afundamento de águas em altas latitudes; essas aguas densas fluem depois horizontalmente e, eventualmente, se tem ressurgência, com movimento para a superfície. Dois mecanismos causam o afundamento de águas: o próximo ao continente (no Atlântico, predomina na Antártica, no Mar de Weddell) e o de oceano aberto (no Atlântico, predomina na Groenlandia, Escócia e no Mar de Labrador). O padrão completo da circulação termohalina e complexo; ele pode ser estudado, no caso do Oceano Atlântico, a partir das fontes de águas densas nos Oceanos Atlântico Sul e Norte, as quais fluem para Norte e para Sul, respectivamente. Por razões dinâmicas (conservação de vorticidade), esses f1uxos são restritos a parte Oeste do oceano. A partir desses fluxos profundos no lade Oeste, os efeitos combinados de rotação da Terra e de distribuição de pressão interna fazem com que os fluxos de contorno Oeste se espalhem para o interior (profundo) dos corpos d'água de cada hemisfério, em giros ciclônicos (anti-horário no Hemisfério Norte e horário no Hemisfério Sul); esses giros mantem os fluxos longe do Equador. O suprimento de águas frias para o interior das bacias hemisféricas é o responsavel pela manutenção da termoclina em uma profundidade relativamente constante (e pelos pequenos fluxos ascendentes na maior parte das baixas e médias latitudes).

Quanto a circulação gerada pelo vento, a partir do movimento horizontal da superfície, a propagação desse movimento para baixo se da através da fricção entre camadas. O perfil vertical das correntes geradas pelo vento (correntes de deriva) tem como característica correntes horizontais, cuja intensidade decresce exponencialmente com a profundidade e cuja direção varia linearmente com a profundidade (para a direita no Hemisfério Norte e para a esquerda no Hemisfério Sul). Essa configuração tem a forma de uma espiral e o efeito atinge, no máximo, tipicamente, de 100 a 200 m de profundidade. Em regiões de profundidade progressivamente menor (áreas de plataforma e costeiras) a deflexão da direção das correntes em relação ao vento (e ao longo da coluna) tende a ser cada vez menor (ou seja, há maior alinhamento das correntes com o vento).

É necessário frisar as diferenças de convenções quanto à direção de correntes e de ventos; se informa a direção para onde flui a corrente e a direção de onde vem o vento: por exemplo, uma corrente Sul flui para Sul, enquanto que um vento Sul vem do Sul.

Convergência e divergência

Se duas massas d'água tendem a se mover de modo que elas se ajuntem, a região de confluência é chamada “região de convergência” e o processo é chamado “convergência”. Exemplos de convergência são demonstrados na Figura 3, podendo ser devido a movimentos de massas d'água em sentidos opostos ou movimentos no mesmo sentido mas com diferencas de intensidade.

Quando uma massa d'água tende a ter fluxos separados, há divergência. Ela pode ser devida a movimentos em sentidos opostos ou movimentos no mesmo sentido mas com diferenças de intensidade (Figura 3).

A convergência de superficie é associada com movimento vertical das águas para baixo (subsidência) e divergência em águas profundas. A divergência na superficie é associada com movimento vertical para cima (ressurgência ou upwelling) e convergência em águas profundas (Figura 3).

Figura 3 em breve.

Padrões de circulação nos oceanos: a circulação de superfície

A seguir, serão estudados os grandes sistemas de circulação nos oceanos, com uma divisão: circulação na superfície e circulação em águas profundas. Não existe uma fronteira definida entre áquas de superfície e águas profundas. Entretanto, normalmente se considera as águas de superfície até o início da termoclina: e a camada de mistura, com espessura de 200 a 500 m, geralmente bastante homogênea devido a mistura gerada pelo vento e pelas ondas.

As circulações nas superfícies das grandes áreas oceânicas mostram semelhanças notáveis, Para as regiões sub-tropicais, no Hemisferio Norte as circulações de superfície são horárias e no Hemisfério Sul são anti-horárias: são os giros subtropicais das correntes de superfície; nesses giros, as correntes de superfície são menos espalhadas e mais intensas no lade Oeste do que no lado Leste dos oceanos. Também como parte dos giros, na região equatorial, um pouco ao Norte e um pouco ao Sul do Equador, ocorrem, na superficie, as correntes Norte Equatorial e Sul Equatorial, ambas para Oeste. Os giros sub-tropicais são separados por uma Corrente Contra Equatorial, fluindo para Leste (Figura 4).

Figura 4: Correntes superficiais durante o inverno no Hemisfério Norte.

No oceano aberto, a tensão do vento é a principal causa das circulações na forma de giros hemisféricos (sub-tropicais) que prevalecem na superfície, nos sentidos horário para o Hemisfério Norte e anti-horário para o Hemisfério Sul. Estudos demonstram que essas circulações são geradas principalmente pelos ventos alíseos de Nordeste e de Sudeste dos trópicos, que forçam correntes para Oeste, as quais, quando atingem os limites Oeste dos oceanos, se dirigem para os polos, em estreitas e intensas “correntes de limite Oeste”. A seguir, as correntes são dirigidas para Leste, pelos ventos Oeste de latitudes médias. Os giros são fechados na parte Leste dos oceanos pelas “correntes de limite Leste”, muito mais fracas e difusas, e que ocupam área bem mais larga.

A razão porque as circulações na forma de giros são concentradas na parte Oeste dos oceanos (“intensificação Oeste”), com o fluxo de retorno na direção do Equador sendo muito mais espalhado pelo restante dos oceanos, vem do fato que a Força de Coriolis aumenta com a latitude.

o sistema de correntes sub-tropical de superfície, gerado basicamente pelo sistema de ventos alíseos, é assimétrico em relação ao Equador; isto se deve à assimetrias na distribuição de continentes e oceanos em relação ao Equador. Além disso, embora o sistema de ventos aliseos atue ao longo de todo o ano, ele apresenta variações sazonais: a converçência dos alíseos tropicais, que se dá na “Zona de Convergência Inter-Tropical” (ZCIT) chega a cerca de 5° N em fevereiro e 10° N em agosto.

Nas altas latitudes (acima de 50°) prevalecem giros em sentidos opostos aos giros subtropicais, sendo horários no Hemisfério Sul e anti-horários no Hemisfério Norte; esses giros são basicamente devidos a fricção do vento na superfície e cobrem áreas bem menores que os giros sub-tropicais.

Já para as circulações em águas profundas não ocorrem características globais. Normalmente, para estas águas se considera cada região em particular e, às vezes, é necessária uma divisão dessas águas em camadas. A circulação em águas profundas é fortemente influenciada pela topografia do fundo e esse é um dos fatores que a tomam particular para cada região,

A circulação de superfície no Oceano Atlântico

Os giros subtropicais de cada hemisfério do Oceano Atlântico sofrem a propulsão dos respectivos ventos alíseos, que sopram na região tropical (entre 15°N e 15°S); no Hemisfério Norte eles são de Nordeste, e no Hemisfério Sul eles são de Sudeste (Figura 5).

[Fig. 5]
Figura 5: Oceano Atlântico: batimetria e circulação de superfície.

No Atlântico Sul, o giro na superfície atinge a profundidade de 200 m junto ao Equador e 800 m no limite Sul, junto a Convergência Sub-tropical. Os ventos alíseos propelem a Corrente Sul Equatorial para Oeste; uma parte desta corrente transpõe o Equador e passa ao Atlântico Norte e o restante se dirige para Sul, ao longo do continente sul americano, formando a Corrente do Brasil. Esta é sustentada por um mecanismo de circulação termohalino. Posteriormente, a Corrente do Brasil se dirige para Leste e atravessa o Atlântico como parte da Corrente Circumpolar Antártica (circulação gerada pelos ventos na superfície). Junto a costa africana, a Corrente de Benguela flui para Norte; ela é devida ao empilhamento de água e conservação de massa provocados pelas correntes Sul Equatorial, do Brasil e Circumpolar Antártica. Outra corrente em grande escala no Atlântico Sul é a Corrente das Malvinas ou Falklands; esta corrente vem a partir da Passagem de Drake, ao lange da costa sul-americana, até convergir com a Corrente do Brasil, em 30° S. A circulação sul atlântica é limitada ao Sul pela Convergência Sub Tropical (Figura 5). Ao redor do continente antártico flui a Corrente Circumpolar Antártica, no sentido para Oeste, impulsionada pelo sistema de ventos (por isso também é conhecida como Corrente de Deriva Vento Oeste).

No Atlântico Norte, a Corrente Norte Equatorial é movida pelos ventos alíseos de Nordeste; ela flui para Oeste e se junta a parte da Corrente Sul Equatorial que transpõe o Equador. Esse fluxo combinado vai para Noroeste como Corrente das Antilhas; atravessa o Caribe e (uma parte) penetra no Golfo do Mexico, de onde escapa para o Atlântico Norte com o nome de Corrente da Flórida. A Corrente das Antilhas é devida aos ventos Leste da região e a Corrente da Flórida se deve ao acúmulo de água no golfo do México e a efeitos termohalinos. Essas duas correntes originam a Corrente do Golfo, que corre para Nordeste, rumo aos grandes Bancos da Terra Nova (40°N, 50°W). Daí, a parte que continua para o Norte e para Leste é chamada Corrente Norte Atlântica. Esta se divide: uma parte vai para Nordeste, contribuindo para a circulação do Mar da Noruega, do Mar da Groenlândia e do Oceano Ártico; e uma parte vai para Sul, margeando a Espanha e África do Norte e completando o giro norte atlântico. O fluxo para Sul cobre a maior parte do Atlântico Norte, incluindo o Mar de Sargaços; mas suas correntes são muito lentas e difusas; assim é formada a Corrente das Canárias, correndo para Sul, ao largo da Costa Norte Africana. A Corrente do Labrador sai do Labrador, entre a península deste nome e o extremo Sul da Groenlândia: é parte de uma circulação termohalina.

O traço mais saliente do giro norte atlântico é o fluxo rápido e concentrado da Corrente da Flórida (sobre a plataforma) e da Corrente do Golfo (no oceano profundo), em contraste com o fluxo amplo e mal definido, para Sul, do resto do Oceano Atlântico Norte (Figura 5). A Corrente do Golfo é a corrente mais intensa do mundo oceânico, chegando a atingir 250 cm/s (9 km/h), e sendo considerada “um rio dentro do oceano” (com largura típica de 115 km).

No Atlântico Equatorial, entre as Correntes Sul Equatorial e Norte Equatorial, existe a Contra Corrente Equatorial, de rumo leste, devido ao sistema de ventos alíseos ao Sul e ao Norte do Equador.

Nas altas latitudes, prevalecem os giros polares, sendo horário nas proximidades da Antártica e anti-horário nas proximidades do Ártico.

Massas d'água os oceanos

Desde que massas d'água normalmente ganham suas características de temperatura e salinidade na superfície e então procuram seu próprio nível de densidade por subducção ou convecção termohalina, elas podem ser identificadas por dois fatores: a região geográfica na qual se originam e a profundidade na qual atingem o equilíbrio vertical.

Em sequência de profundidades crescentes, as massas d'água são c1assificadas como:

  1. de superfície (da superfície até o início da termoclina)
  2. central (do topo à base da termoclina)
  3. intermediária (da base da termoclina até cerca de 3000 m)
  4. profunda ou de fundo (abaixo dos 3000 m)

Os processos de formação de massas d'água podem portanto ser c1assificados em:

  1. Subducção (para Áquas Centrais e Águas Intermediárias): e o processo pelo qual as massas de água são injetadas em profundidades maiores seguindo as mesmas isopicnais da região de sua formação.
  2. Convecção profunda (para Águas Profundas e Águas de Fundo): é resultado da formação em camadas superficiais de uma água bem mais densa que a camada inferior, favorecendo o desenvolvimento de forte circulação vertical.

A relação das principais massas d'áqua dos oceanos e suas características e dada na Tabela 1. Os diagramas T--S típicos de várias regiões oceânicas são fomecidos na Figura 6, com a indicação das respectivas massas d'áqua. As áquas de superfície não recaem em categorias exatas de massas d'água devido a grande variabilidade de seus parâmetros. Em geral, espera-se que as águas de maior profundidade sejam formadas nas latitudes mais altas, enquanto que as mais próximas a superfície sejam formadas mais próximo ao Equador (Figura 7).

[Fig. 6]
Figura 6

[Fig. 7]
Figura 7: Localização das massas d'água próximo à superfície dos oceanos.

Tabela 1 em breve.

Massas d'água do Oceano Atlântico

Nas vizinhanças do continente antártico, particularmente no Mar de Weddell e no Mar de Ross, as águas atingem temperaturas extremamente baixas no inverno. Devido à estas baixas temperaturas e alta salinidade advinda da formação de gelo, esta água tem o mais elevado σt do mundo oceânico. Em consequência, tendo ganho estas características, ela afunda e flui ao longo do fundo em direção ao Equador. De fato, essa água tem sido medida a até 45°N de latitude. Ela e chamada Água Antártica de Fundo, obviamente devido a sua área de formação e localização vertical. A Água Antártica de Fundo também flui para Leste, em torno do Continente Antártico e, devido ao surpreendente efeito de grande alcance em profundidade da corrente de superfície Deriva Vento Oeste, se mistura a esta, formando a Água Circumpolar Antártica, que é bastante homogênea, A Água Circumpolar Antártica fornece água de fundo para os Oceanos Índico e Pacífico Sul (Ver Figura 8 e Tabela 2).

[Fig. 8]
Figura 8: Circulação em águas profundas no Oceano Atlântico.

Tabela 2 em breve.

A Água de Fundo Norte Atlântica é formada em áreas relativamente pequenas, na costa da Groenlândia. Sendo menos densa que a Água Antártica de Fundo, ela se assenta sobre esta e flui para Sul. A Água de Fundo Norte Atlântica é continuamente modificada no seu trânsito pela mistura com outras massas d'água; de qualquer forma, suas características chegam a ser notadas a 60°S, na superfície.

Aproximadamente a 60°S, a Água Intermediária Antártica mergulha ate 1000 m e segue para Norte, até 20°N. A Água Intermediária do Atlântico Norte se forma a 60°N e flui para Sul, também a 1000 m, encontrando-se com a Água lnterrnediária Antártica (Figura 8 e Tabela 2).

Nas zonas de Convergência Subtropical, no inverno dos dois hemisférios, são formadas a Água Central do Atlântico Norte e a Água Central do Atlântico Sul. Elas afundam até cerca de 300 m e se dirigem ao Equador, perdendo a sua identidade a medida que se espalham.

Uma significativa incursão de águas ocorre atraves da água Mediterrânea, a qual encontra o seu nível de equilíbrio a 1500 m de profundidade; ela entra no Atlântico Norte após atravessar o Estreito de Gibraltar. Esta água é continuamente formada na parte Norte do Mediterrâneo Oeste, pelo resfriamento do invemo e pela evaporação através do ar seco que sopra da África do Norte. Estas águas frias e salinas afundam e fluem para Sul e para Oeste. Elas tem uma forte influência na Água de Fundo do Atlântico Norte, sentida a até 3000 km a Oeste e Sul de Gibraltar.

Transportes de volume no Atlântico Sul

A Figura 9 esquematiza os transportes de volume no Atlântico Sui, para Norte e para Sul; as unidades são em Sverdrups (1 Sv = 106 m3/s). Nas camadas superiores há um transporte de 23 Sv para Norte no lado Leste (pela Corrente de Benguela e pelo Giro do Atlântico Sul) contra os 17 Sv para Sul no lado Oeste (pela Corrente do Brasil e pelo giro). A Água lntermediária Antártica tem um transporte para Norte de 9 Sv, enquanto que a Água de Fundo do Atlântico Norte transporta 18 Sv para Sul e a Água Antártica de Fundo transporta 3 Sv para Norte.

[Fig. 9]
Figura 9

Circulação Equatorial Atlântica

No Equador, o Atlântico se extende de 10° E a 45° W, numa distância de 6000 km, onde o sistema de correntes é composto por:

  1. Contra Corrente Equatorial, f1uindo para Leste (entre 3°N e 8°N)
  2. Corrente Sul Equatorial, fluindo para Oeste (entre 3°N e 8°S)
  3. Ramo Norte da Corrente do Brasil, que margeia a costa brasileira, para Noroeste
  4. Sub-Corrente Equatorial, para Leste, no Equador, entre 50 e 300 m de profundidade
  5. Contra Corrente Norte Equatorial, para Leste, a 5°N, em profundidade (-350 m)
  6. Contra Corrente Sui Equatorial, para Leste, a 5°S, em profundidade (-350 m)

Turbilhões associados às Correntes de limite Oeste

As intensas correntes de superfície nos limites Oeste dos oceanos frequentemente possuem meandros, que geram turbilhões em meso escala (anéis). Por exemplo, a Corrente do Golfo produz anéis frios (com rotação anti-horária) e anéis quentes (com rotação horária), ao Sul e ao Norte do fluxo principal, respectivamente (Figura 10). Esses anéis possuem dimensões típicas de:

[Fig. 10]
Figura 10

Eventualmente, os turbilhões podem ser re-inseridos no fluxo principal da Corrente. o estudo dos turbilhões em meso-escala é muito importante sob o ponto de vista hidrodinâmico e permite a obtenção de informações sobre o balanço de energia dos oceanos.

O acoplamento das circulações de superfície e de fundo e as trocas interoceânicas de massa e calor

O acoplamento das circulações de superfície e de fundo se da através da “célula de revolvimento meridional” (“meridional overturning cell”, MOC, em inglês), responsável pelas trocas de massa (e de calor) inter-hemisféricas e interoceânicas. Seu esquema básico se encontra na Figura 11, ressaltando a importância da Água de Fundo Norte Atlântica e da Água Circumpolar Anáartica neste processo.

[Fig. 11]
Figura 11

Danilo R. Vieira | Oceanógrafo

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