Correntes oceânicas de superfície (Parte II)

Transporte de Ekman, ressurgência, subsidência e circulação de Langmuir

Por Jana M. del Favero

Vimos no primeiro post sobre as correntes oceânicas de superfície (relembre aqui) que a colisão das moléculas de ar do vento com as moléculas de água na superfície do mar resulta no movimento da água, gerando uma corrente. Iniciado o movimento superficial das moléculas de água, elas vão exercer um atrito (uma força) sobre as moléculas de água logo abaixo, iniciando o movimento delas também. Assim, com o vento soprando persistentemente por um longo período de tempo, o movimento vai sendo transferido cada vez mais para baixo na coluna de água. Conforme esse movimento gerado pelo vento vai atingindo as camadas mais profundas da coluna de água, ele vai perdendo velocidade pois aumenta a distância da força motriz (geradora), o vento.

Além de diminuir de velocidade, a direção do fluxo da corrente de água também muda com o aumento da profundidade, como resultado da deflexão de Coriolis. Você deve estar lembrado que no Hemisfério Norte a camada de água da superfície flui para a direita da direção do vento gerador. Do mesmo modo, quando a camada de água superficial coloca a camada de água subjacente em movimento por causa do atrito, a camada subjacente também sofrerá um desvio à direita do escoamento da camada acima dela, e assim por diante: cada camada de água mais profunda é desviada para a direita da camada imediatamente acima dela (lembrando que estamos falando do Hemisfério Norte, pois no Hemisfério Sul o desvio seria para a esquerda). O resultado de todo esse processo de perda de velocidade e deflexão é uma corrente espiralada, chamada espiral de Ekman. Sob a influência de um vento forte persistente, a espiral de Ekman pode estender-se até uma profundidade entre 100 e 200 metros. Apesar de receber o nome de espiral, a espiral de Ekman não se movimenta como um redemoinho formado quando a água desce por um ralo. O termo espiral é usado para  para designar os movimentos horizontais na coluna de água dividida em camadas, sendo que cada camada se movimenta em direção horizontal levemente diferente.

O físico escandinavo, V. Walfrid Ekman, ainda calculou que o transporte resultante na espiral gerada pelo vento é de 90 graus à direita do vento no Hemisfério Norte e de 90 graus à esquerda do vento no Hemisfério Sul. Esse transporte resultante, chamado de transporte de Ekman, representa a média de todas as direções e velocidades da espiral de Ekman. Resumidamente, a maior parte da água desloca-se a um ângulo de 90 graus em relação ao vento gerador.

A espiral de Ekman. 1 - Vento, 2 - Força de cima, 3 - Direção efetiva da corrente 4 -  Efeito Coriolis (Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Ekman_spiral#/media/File:Ekman_spirale.svg)

A influência do transporte de Ekman é importante sobre outros tipos de correntes de superfície, como na ressurgência e na subsidência. Na ressurgência, por exemplo, um vento soprando paralelo à costa em determinada direção (dependendo do hemisfério), resulta em um transporte de Ekman que afasta a água superficial da costa, aflorando a água mais profunda para "ocupar"o lugar da superficial que foi retirada (já falamos sobre a importância da ressurgência costeira aqui). Na subsidência ocorre o contrário: o transporte de Ekman resultante de ventos soprando paralelamente à costa impulsiona água em direção a linha de costa  e faz com que as águas de superfície sejam empurradas para baixo, ou seja, ocorre um afundamento da água de superfície.

A ressurgência e a subsidência também podem ocorrer longe da influência das bordas dos continentes, em mar aberto. Por exemplo, nas proximidades de 30°N e 30°S as correntes superficiais dos giros de circulação convergem (vão na mesma direção) devido a deflexão de Coriolis, produzindo empilhamentos de água que induzem a subsidência. No equador, por outro lado, os ventos de sudeste e nordeste geram duas correntes superficiais que fluem para o oeste e são desviadas pelo efeito de Coriolis para o norte (direita) no Hemisfério Norte e para o sul (esquerda) no Hemisfério Sul. As águas superficiais locais são então removidas por esse fluxo divergente (em direção oposta), promovendo a ressurgência (a figura abaixo ilustra o descrito).

Convergência e divergência de correntes de água no Hemisfério Norte (Fonte: Pinet, 2014).

É importante ter em mente que o transporte de Ekman é uma resposta para um vento soprando por muito mais do que algumas horas ou até mesmo dias (longo prazo). A curto prazo, ventos que sopram persistentemente e com força na superfície dos oceanos podem ocasionar movimentos verticais na água, fazendo com que o fluxo seja paralelo ao vento gerador e gerando células de circulação longas e estreitas nos primeiros seis metros da coluna de água (com movimentos semelhantes ao de um saca-rolha). As células são chamadas de células de Langmuir e o fluxo de circulação de Langmuir (veja a figura abaixo). Vocês já devem ter visto no mar o resultado dessa circulação e não entenderam do que se tratava. Por causa da rotação em direções opostas desses “saca-rolhas”, os limites de duas células de Langmuir adjacentes (de dois saca-rolhas) alternam entre fluxos que se encontram e se afastam, enfileirando qualquer material flutuante (como bolhas, manchas de óleo, algas etc) nas zonas de fluxo convergente.

Células e circulação de Langmuir (Fonte: Pinet, 2014)

Assista o filme abaixo sobre a Espiral e o Transporte de Ekman:

https://www.youtube.com/watch?v=D_vNS-COdrw

Fonte: Pinet, P.R. 2014. Invitation To Oceanography. 7a edição. Jones & Bartlett. Learning. 662 p.

Correntes oceânicas de superfície (Parte I)

Arrasto do vento, gradiente de pressão e deflexão de Coriolis

Por Jana M. del Favero

As correntes oceânicas podem ser divididas em dois tipos: as de superfície, sendo a maioria delas movida pelo vento; e as correntes de subsuperfície, regidas pela densidade (já falamos sobre as correntes de subsuperfície em um outro post, relembre aqui).

As correntes de superfície forçadas pelo vento representam apenas 10% do volume do oceano, e seu padrão de circulação resulta da interação do arrasto do vento, do gradiente de pressão e da deflexão de Coriolis. Cada tópico será apresentado a seguir.

Arrasto do Vento

Sabemos que o vento é o ar em movimento. As moléculas de ar arrastadas pelo vento na superfície do mar colidem com as moléculas de água da superfície do oceano, transferindo energia pela fricção do arrasto: erguendo ondas e gerando correntes. Para visualizar o que foi dito acima, basta soprar uma bacia cheia de água e observar que a água parada foi posta em movimento pelo vento do teu sopro.

Os ventos na superfície terrestre sopram em um padrão regular, como uma resposta ao aquecimento desigual do ar na superfície da Terra e à deflexão de Coriolis (calma que a gente já explica isso também). Assim, em ambos os hemisférios os ventos de oeste produzem um cinturão de correntes de água que fluem para o leste nas latitudes médias, e nas  baixas latitudes (lá pertinho do Equador) os ventos alísios geram duas correntes de água que se movem para o oeste. Essas correntes são desviadas uma da outra pelos continentes, criando os giros de circulação (grandes circuitos de correntes). Vamos comparar o sentido do fluxo das correntes de água com os padrões de vento? Olha a Figura abaixo!

Circulação global do vento (primeira figura): note que os ventos fluem das zonas de alta pressão para as zonas de baixa pressão.  Correntes oceânicas superficiais (segunda figura): observe que o padrão de circulação oceânica global gerada pelo vento consiste em giros que rodam no sentido horário no Hemisfério Norte e no sentido anti-horário no Hemisfério Sul (Fonte: Pinet, 2014).

Antes de prosseguir, veja o vídeo a seguir para melhor entender o Sistema de Ventos Global:

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=Yr9x4IIhIsA

Gradientes de Pressão

Um gradiente de pressão é uma mudança de pressão ao longo de uma distância. Gradientes de pressão surgem devido a variações horizontais na altura da superfície da água. Sim, eu não disse errado... Muitas pessoas imaginam que a superfície do mar, se não fosse perturbada pelas ondas, seria plana. Mas na verdade a superfície do mar é deformada em montes e depressões, revelando uma “topografia” sutil e definida.

Essa topografia de água é gerada, em parte, pela convergência e divergência das correntes: correntes convergentes causam um acúmulo de água, criando uma “colina”; já as correntes divergentes provocam um afastamento de água, criando um “vale” (a diferença de elevação entre o topo da “colina” e a parte inferior do “vale” é de cerca de 1 metro ou menos). Como a pressão varia diretamente com a altura da coluna d'água (lembre-se da fórmula para pressão: P = ρgh, em que ρ é a densidade, g a aceleração da gravidade e h a altura da massa), os gradientes de pressão causam um fluxo de água das “colinas” (zonas de alta pressão) para os “vales” (zonas de baixa pressão). Quanto maior for a diferença (gradiente) de pressão ao longo de determinada distância, maior será o fluxo de água (da mesma maneira que uma bola rola mais rápido em uma encosta íngreme do que em uma com um declive suave).

Deflexão de Coriolis

A rotação do planeta influencia fortemente o movimento dos fluidos de ar e de água, em um efeito chamado de deflexão de Coriolis. Para começar a entender esse efeito basta se imaginar sentado com um amigo em um carrossel em movimento. Ao jogar uma bola para seu amigo, que está sentado em um cavalo na borda do carrossel, a bola faz uma curva acentuada e seu amigo é incapaz de pegá-la. Na verdade, o caminho da bola foi realmente em linha reta, como notado por uma pessoa observando acima do carrossel, por exemplo. Porém, do seu ponto de vista e do seu amigo, que estavam no carrossel, a bola fez uma curva acentuada. Em outras palavras, a deflexão não foi real, mas sim aparente, criada porque o seu eixo de referência estava em movimento (veja a figura abaixo).

Trajetórias aparentes e reais de uma bola lançada entre duas pessoas
que estão sentadas em cavalos de um carrossel (Fonte: Pinet, 2014)

O ponto é esse: assim como aconteceu com o carrossel em movimento, por causa do movimento da Terra girando em torno do seu eixo (a rotação da Terra), as correntes de água e de ar são desviadas pelo efeito de Coriolis. Em outras palavras, as correntes de água e de ar não fluem diretamente na direção dos gradientes de pressão, mas em algum ângulo por causa do efeito de Coriolis. No Hemisfério Norte a deflexão de Coriolis é para a direita, e no Hemisfério Sul, para a esquerda. Isso é causado pela rotação no sentido horário no Hemisfério Sul em relação ao Polo Sul e pela rotação no sentido anti-horário no Hemisfério Norte em relação ao Polo Norte. Para facilitar, se imagine no Polo Norte e olhe para baixo na Terra, você verá o planeta girando no sentido anti-horário sobre seu eixo.

A quantidade de deflexão induzida pelo efeito de Coriolis depende da velocidade do objeto em movimento e de sua localização na Terra, ou seja, a deflexão de Coriolis aumenta com velocidade e com a distância do equador.

Para melhor visualizar o que é o efeito de Coriolis, assista o vídeo a seguir:  

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=D_vNS-COdrw

Continuaremos falando de correntes de superfície em outros Descomplicando.

Fonte: Pinet, P.R. 2014. Invitation To Oceanography. 7a edição. Jones & Bartlett Learning. 662 p.