CARACTERIZAÇÃO DOS PROCESSOS DE INTERAÇÃO OCEANO- ATMOSFERA EM UM VÓRTICE DAS AGULHAS NO OCEANO ATLÂNTICO
SUL
Raquel Renó de Oliveira1, Luciano Ponzi Pezzi1, Ronald Buss de Souza2 e Marcelo Freitas Santini1
1 Divisão de Sensoriamento Remoto/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – São José dos Campos, DSR/INPE
2 Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – Santa Maria, CRS/INPE
3Programa de Pós-graduação em Meteorologia, UFSM
Resumo
Os vórtices que se desprendem da Corrente das Agulhas (CA) e se deslocam para o Oceano Atlântico Sul (OAS) transportam águas quentes e salinas, são parte importante da circulação termohalina e do clima local. No entanto, o papel dos vórtices nos processos de troca entre o oceano e a atmosfera ainda não são totalmente compreendidos. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo estimar os fluxos turbulentos de CO2 (Fc), momentum (𝜏), calor sensível (Hl) e latente (Le), utilizando o método da Covariância de Vórtices (CV) sobre um dos vórtices observados durante o mês de julho de 2015, onde foram realizadas medidas sobre os vórtices na região do corredor das Agulhas abordo do NPqHo Vital de Oliveira (H39). Os valores médios encontrados foram -4,74 µmol.m-2.s-1, 0,23 N.m-2, 23,49 W.m-2 e 152,05 W.m-2, respectivamente.
Os resultados indicaram um intenso cisalhamento vertical do vento sobre o vórtice, o que contribui para a modulação dos fluxos em superfície. Além disso, o vórtice atua como sumidouro de CO2 e uma intensa fonte de calor para a atmosfera. Esses resultados colaboram para um melhor entendimento da função dos vórtices das Agulhas nas trocas de propriedades físico-químicas entre o oceano e a atmosfera para o OAS.
Palavras – chave: fluxos turbulentos ; Covariância de Vórtices Abstract
The eddies that flow from the Agulhas Current (AC) to the South Atlantic Ocean (SAO) transporting warm and salty waters are very important part of the thermohaline circulation as well as in the local climate. However, eddies role on the exchange process modulation between ocean and atmosphere are not totally understood yet. Due to this, the aim of this study was estimate the turbulent flows of CO2 (Fc), momentum (𝜏), sensible heat (Hl) and latent heat (Le) turbulent fluxes using (applying) the Eddie Covariance (EC) method, above one of these eddies observed during July 2015, measurements that were made in eddies of the Agulhas leakage region, onboard of NPqHo Vital de Oliveira (H39). Average values calculated for each variable were -4,74 µmol.m-2.s-
1, 0,23 N.m-2, 23,49 W.m-2 e 152,05 W.m-2, respectively. The results show an intense vertical wind stress above the eddy that contributes to the modulation of surface fluxes. Besides, the analyzed eddy plays as a sink area of CO2 and as well as an intense heat source to the atmosphere.
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These results enable a better comprehension of the contribution of Agulhas’s eddies to the physic- chemical properties exchange between ocean and atmosphere to the SAO.
Keywords: turbulent fluxes; Eddie Covariance
1. Introdução
A Corrente das Agulhas (CA) é uma corrente de contorno oeste que flui ao longo da costa leste da África, gerada pelo Giro Subtropical do Oceano Índico, que apresenta um fluxo intenso em direção ao sul. Quando chega à porção mais ao sul do continente africano, forma diversos meandros e uma alça principal que retroflete no sentido anti-horário e, em seguida, flui para leste.
Esta alça é conhecida como Retroflexão das Agulhas (RA) (DE RUIJTER, 1982; LUTJEHARMS;
VAN BALLEGOOYEN, 1988).
Por configurar um ambiente de grande energia, diversos vórtices oceânicos anticiclônicos se desprendem da RA por ano. Muitos destes derivam em direção ao Oceano Atlântico Sul (OAS), descritos como vazamento das Agulhas (RICHARDSON, 2007). Esses vórtices, altamente energéticos, tem capacidade de armazenar e transportar as características das águas de origem, no caso do Oceano Índico (OI), mais quentes e salinas, afetando as condições oceânicas e atmosféricas do OAS (OLSON; EVANS, 1986; MESSAGER; SWART, 2016).
Devido aos processos de mistura gerados pelos ventos próximos a região de formação, os vórtices perdem a assinatura termal na superfície do mar, sendo localizados no OAS pela Anomalia da Altura da Superfície do Mar (AASM, WALKER; WEY, 1998). Apesar disso, os estudos de fluxos na interface oceano-atmosfera são de grande valia para compreensão da transferência de calor, gases e momentum entre os dois sistemas, os quais os oceanos contribuem com vapor d’água, oxigênio e energia para atmosfera, enquanto a atmosfera fornece água doce, momentum, CO2 e energia para os oceanos (PEZZI, et a, 2016).
Os estudos sobre esses vórtices oceânicos ainda são muito limitados, porém são necessários para se entender como eles podem estar influenciando a circulação termohalina oceânica e o sistema climático (GUERRA, 2011; MESSAGER; SWART, 2016). Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo estimar os fluxos de CO2 (Fc), momentum (𝜏), calor sensível (Hl) e latente (Le) nas regiões ao redor e sobre um dos vórtices anticiclônicos das Agulhas no OAS.
2. Materiais e Métodos
Os dados utilizados nesse trabalho foram coletados durante a Comissão FORSA (Following Ocean Rings in the South Atlantic), abordo do Navio de Pesquisas Hidroceanográfico Vital de Oliveira (H39), sobre e no entorno de um vórtice oceânico (Figura 01) originário da CA no OAS (33°21’56”S – 03°53’57”E até 32°17’32”S – 00°58’03”E), entre os dias 01 e 02 de julho de 2015.
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Figura 01 - Representação do vórtice oceânico anticiclônico da Corrente das Agulhas, na área de estudo. A linha preta representa a rota do navio. Fonte: relatório técnico-cientifico FORSA (2015).
Foram coletados dados atmosféricos com uma torre micrometeorológica de 3 m de altura fixada na proa do H39 em alta frequência (20Hz). Os sensores ficaram posicionados 2,5 m à frente do H39 e a 10 m acima no nível do mar, e foram amostrados dados das três componentes do vento, temperatura do ar (Tar), pressão atmosférica, razão de mistura de água (r) e CO2 (c). Os dados de vento foram corrigidos para remover a influência do movimento do navio através da metodologia de Fujitani (1981) e implementada por Miller et al. (2008). Para a caracterização vertical atmosférica foram utilizadas radiossondagens que amostraram a temperatura, umidade, velocidade e intensidade do vento desde a superfície do oceano até cerca de 2000 m de altitude.
A descrição da estrutura térmica do vórtice e do seu entorno foi realizada por meio de dados obtidos por sondas tipo XBT (Expendable bathythermograph). Os fluxos turbulentos foram calculados através da metodologia de Covariância de Vórtices (CV) (STULL, 1988) utilizando o software EddyPro® com médias de 30 min. Os fluxos foram gerados ou obtidos a partir do seguinte conjunto de equações:
𝜏 =𝜌! 𝑢!𝑤! !+ 𝑣!𝑤! ! (01)
𝐻𝑙 = 𝜌!𝐶!𝑤′𝑇!′ (02)
𝐿𝑒 = 𝜌!𝐿!𝑤′𝑟′ (03)
𝐹! = 𝜌!𝑤′𝑐′ (04)
A barra horizontal indica a média sobre ensemble. 𝜌!, 𝐶! e 𝐿! correspondem a densidade do ar seco, calor especifico, pressão constante e calor latente de vaporização, respectivamente.
w’, u’, v’, T’v, r’ e c’ representam as flutuações turbulentas das componentes vertical, zonal e meridional do vento, da temperatura virtual amostradas pelo anemômetro sônico e das razões de mistura de vapor d’água e CO2 amostradas pelo analisador de gás, respectivamente. A estabilidade atmosférica foi determinada por meio da diferença entre a Temperatura da Superfície do Mar (TSM) e a Tar. A TSM foi obtida através de um termosalinógrafo instalado no casco do H39.
3. Resultados e Discussão
Os perfis térmicos da coluna d’água e da camada atmosférica imediatamente acima podem ser observados simultaneamente na figura 02. Os resultados mostram que a área de estudo apresenta uma TSM média de 18°C (Tabela 01) praticamente constante em toda a região, corroborando com Walker e Wey (1998) que destacam que os vórtices originários da CA não possuem uma assinatura de TSM. Porém, analisando o perfil de temperatura da coluna d’água, de acordo com a região que possui um rebaixamento da termoclina, é possível observar que o vórtice se estende até cerca de 1000 m de profundidade. Do lado atmosférico, a Tar média encontrada foi de 15,43°C (Tabela 01). A Camada Limite Atmosférica Marinha (CLAM) apresentou-se bem misturada, com uma variação em sua altura entre 1300 m, na porção leste do vórtice, e cerca de 900 m na porção oeste do vórtice. Além disso, na porção leste do vórtice, existe uma região mais fria (~12°C) devido aos processos de advecção fria que estão relacionados a passagem de um sistema transiente. No restante da CLAM, a Tar, apresentou uma temperatura de cerca 14ºC, próximo a 1000 m de altitude, modulada principalmente pelo campo horizontal de TSM.
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Figura 02 – Perfil de temperatura da atmosfera e do oceano em °C, da área de estudo entre os dias 1 e 2 de julho de 2015. As linhas verticais na porção atmosférica são as posições das radiossondagens e as linhas horizontais representam a intensidade do vento (em m.s-1). As linhas verticais na porção oceânica são as posições das coletas por XBT.
A diferença ente a TSM e a Tar (Figura 03.a) apresentou valores positivos durante todo o experimento, indicando uma CLAM instável. A velocidade média do vento (MV) oscilou entre 2 e 4 m.s-1 (Figura 03.b) durante o período analisado, apresentando magnitude média observada de 5,69 m.s-1 (Tabela 01). O 𝜏 (Figura 03.c) apresentou um valor médio de 0,23 N.m-2 (Tabela 01) e mostrou-se correlacionado diretamente com as variações na magnitude do vento.
Tabela 01 – Valores médios de Temperatura da Superfície do Mar (°C), temperatura do ar (°C), magnitude do vento (m.s-1), fluxo de CO2 (µmol.m-2.s-1), fluxo de momentum (N.m-2), fluxo de calor sensível (W.m-2), fluxo de calor latente (W.m-2), respectivamente.
Parâmetro TSM (°C) Tar (°C) MV (m.s-1) Fc (µmol.m-2.s-1) τ (N.m-2) Hl (W.m-2) Le (W.m-2)
Média 17,96 15,43 5,69 -4,74 0,23 23,49 152,05
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Figura 03 – a) Estabilidade atmosférica, onde a linha em pontos azuis é a TSM, a linha preta cheia Tar e a linha pontilhada preta é a diferença entre TSM e Tar, em °C; b) magnitude do vento (m.s-1);
c) fluxo de momentum (N.m-2); d) o fluxo de calor sensível representado pela linha vermelha, o fluxo de calor latente, linha azul, e fluxo total de calor, linha preta, em W.m-2 e e) o fluxo de CO2
(µmol.m-2.s-1), entre os dias 1e 2 de julho de 2015.
O Hl e Le (Figura 03.d) apresentaram uma tendência de queda da região pré e pós vórtice, no entanto, as maiores magnitudes observadas ocorreram sobre a região do vórtice. Seus valores médios foram 23,49 W.m-2 e 152,05 W.m-2 (Tabela 01), para o Hl e Le, respectivamente. O Fc
(Figura 03.e) apresentou os menores valores na região sobre o vórtice, indicando um Fc da atmosfera para o oceano. Após o vórtice, valores positivos de Fc foram observados, essa condição está relacionada com os ventos menos intensos que diminuem a transferência do gás de um ambiente para o outro. Porém, o fluxo médio observado durante esse estudo foi negativo, -4,74 µmol.m-2.s-1 (Tabela 01), indicando que ocorre uma maior absorção de CO2 pelo oceano, e caracterizando assim o vórtice e a região analisada como um sumidouro de CO2.
5. Considerações Finais
Esse estudo permitiu observar um dos vórtices que se desprendeu da CA no OAS, no ano de 2015. Utilizando o método de CV foram obtidos os fluxos de Fc, 𝝉, Hl e Le, que em conjunto com os perfis de temperatura do oceano, Tar e vento da atmosfera, tornaram possível uma caracterização dos fluxos turbulentos e dos processos oceânicos de modulação da CLAM nas regiões ao redor e sobre o vórtice.
a)
b)
c)
d)
e)
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A CLAM apresenta-se instável e com ventos mais intensos que influenciaram os fluxos de Fc, 𝝉, Hl e Le da área de estudo. Sobre o vórtice, os fluxos de calor apresentaram maior magnitude, tornando possível afirmar que este possui um papel fundamental na disponibilidade de calor para a atmosfera. Além disso, os valores negativos de Fc em toda região do vórtice indicam que esta é uma área de sumidouro de CO2. Por fim, é importante destacar a relevância desses resultados para o melhor entendimento do papel dos vórtices da CA na modulação dos processos de interação oceano-atmosfera no OAS.
Referências Bibliográficas
DE RUIJTER, W. Asymptotic analysis of the Agulhas and Brazil Current systems. Journal of Physical Oceanography, v.12, n. 4, p.361-373, 1982.
FUJITANI, T. Direct measurement of turbulent fluxes over the sea during AMTEX. Papers in Meteorology and Geophysics, v. 32, p. 119–134, 1981.
GUERRA, L. A. A. Vórtices das Agulhas colidem com a Corrente do Brasil?, 2011. 73 p. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Oceânica) Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós- graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE), Rio de Janeiro, 2011.
LUTJEHARMS, J.R.; VAN BALLEGOOYEN,R.C. The retroflection of the Agulhas Current. Journal of Physical Oceanography,. v. 18, p. 1570–1583, 1988.
MESSAGER, C. AND SWART, S. Significant Atmospheric Boundary Layer Change Observed above an Agulhas Current Warm Cored Eddy. Advances in Meteorology, 2016.
MILLER, S. D.; HRISTOV, T. S.; EDSON, J. B.; FRIEHE, C. A. Platform motion effects on measurements of turbulence and air-sea exchange over the open ocean. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, v. 25, n. 9, p. 1683-1694, 2008.
OLSON, D.B.; EVANS, R.H., 1986. Rings of the Agulhas current. Deep Sea Research Part A.
Oceanographic Research Papers, v. 33, n. 1, p.27-42, 1986.
PEZZI, L. P.; SOUZA, R. B.; FARIAS, P. C.; ACEVEDO, O.; MILLER, A. J. Air-sea interaction at the Southern Brazilian Continental Shelf: In situ observations, Journal of Geophysical Research Oceans, v.121, p. 6671–6695, 2016. doi:10.1002/2016JC011774.
RICHARDSON, P. L. Agulhas leakage into the Atlantic estimated with subsurface floats and surface drifters. v. 54, p. 1361–1389, 2007.
STULL, R. B. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Dordrecht, The Netherlands:
Kluwer Academic Publishers, 666 p, 1988.
WALKER, N. D., MEY, R. D., Ocean/atmosphere heat fluxes within the Agulhas Retroflection region. Journal of Geophysical Research, v. 93, n. C12, p. 15473-15483, 1998.
