ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA

1. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA • Ondas que se propagam no seio de um meio são designadas ondas materiais; exemplos: ondas sísmicas P e S; ondas acústicas. Ondas a propagar-se na superfície entre dois fluidos são designadas de ondas de superfície. • Ondas de superfície que se propagam na interface entre duas camadas do mesmo fluido, com densidades diferentes, designam-se ondas internas. • Ondas causadas por forças perturbadoras periódicas, como a maré induzida pela atracção gravitacional do Sol e da Lua, têm períodos coincidentes com os dessas forças. Outras ondas são causadas por perturbações não-periódicas. Existem duas forças restauradoras que mantêm a progressão das ondas de superfície: • força gravitacional exercida pela Terra; • tensão superficial. • Para ondas com comprimento de onda inferior a 1,7cm a principal força restauradora é a tensão superficial – são as ondas capilares. • No caso de ondas com comprimento de onda superior a 1,7cm a principal força restauradora é a força da gravidade – são as ondas superficiais gravíticas.

2. tipo de onda causa energia ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Esquemas dos diversos tipos de ondas de superfície, mostrando a relação entre o comprimento de onda, a frequência da onda, período, a natureza da força perturbadora e a quantidade relativa de energia em cada tipo de onda.

3. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Tipos de ondas progressivas ONDA TRANSVERSAL: a partícula move-se para a cima e para baixo na direcção perpendicular à transmissão da energia. Estas ondas transmitem a energia apaenas através de sólidos (na radiação electromagnética não há movimentos de partículas....) ONDA LOGITUDIONAL: a partícula move-se para a frente e para trás na direcção da transmissão da energia. Estas ondas transmitem a energia através de todos os estados da matéria ONDA ORBITAL: a partícula move-se em trajectórias orbitais. Estas ondas transmitem a energia ao longo da interface entre dois fluidos com densidades diferentes (líquidos ou gases)

4. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA As ondas superficiais gravíticas representam um fenómeno de interacção entre o oceano e a atmosfera e são geradas directamente pelo vento. A propagação de ondas na superfície do mar corresponde a uma sucessão de cristas, os pontos mais elevados da superfície, e de cavas, as depressões da superfície. Registo de ondas típico, ou seja, registo da variação do nível do mar em função do tempo, numa posição fixa Consideram-se dois tipos de ondas superficiais gravíticas: Vagas (“wind waves”) - ondas geradas por ventos locais, desordenadas e de pequena amplitude. Ondulação (“swell”) - ondas de maior amplitude, geradas a grandes distâncias, da ordem de milhares de quilómetros, e com uma forma mais regular. formação do “swell”

5. declive da onda (H/L) crista amplitude (A) altura da onda (H) distância cava 1 comprimento de onda (L) ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Características de uma onda Perfil vertical de duas ondas oceânicas idalizadas sucessivas, mostrando as suas dimensões lineares e forma sinusoidal (teoria linear das ondas de superfície): • comprimento de onda, L - distância entre duas cristas (ou duas cavas) consecutivas; a grandeza k=2/L é número de onda e representa o número de ondas por unidade de comprimento; • altura da onda, H - distância vertical entre uma crista e uma cava; amplitude da onda, A=H/2. • declividade da onda, H/L - razão entre a altura e o comprimento de onda; para declividades acima de 1/7, a onda torna-se instável e pode rebentar.

6. deslocamento vertical período da onda (T) ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Características de uma onda Deslocamento vertical de uma onda oceânica idalizada num ponto fixo, em função do tempo: • período da onda, T - tempo entre a passagem de duas cristas sucessivas (duas cavas) num local fixo; frequência, f=1/T - número de ondas que passam num local fixo por unidade de tempo; frequência angular, ω=2f=2/T - número de ciclos por unidade de tempo (rad/s).

7. movimento da onda crista altura da onda cava nível médio do mar o movimento da água é negligível abaixo de ½ comprimento de onda (base da onda) direcção de propagação da onda nível médio do mar profundidade menor que L/2 movimento “para a frente e para trás” perto do fundo comprimento de onda (L) ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Movimento das partículas de água numa onda Movimento das partículas de água numa onda. Em cima: movimento em ondas de pequena amplitude em águas profundas, mostrando decréscimo exponencial do diâmetro dos percursos orbitais com a profundidade. Em baixo: movimento em ondas de águas pouco profundas, mostrando o achatamento das órbitas próximo do fundo (profundidades inferiores a L/2).

8. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Movimento das partículas de água numa onda direcção de propagação da onda movimento da água Movimento em ondas de grande amplitude em águas profundas, mostrando a deriva das ondas. Objectos flutuantes (o pato!) desenham órbitas circulares quando a onda passa, mas avançam porque o movimento na crista é mais rápido do que na cava. No entanto as partículas de água seguem uma órbita circular.

9. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Velocidade de propagação de uma onda • A velocidade de propagação de uma onda, ou velocidade de fase, pode ser obtida a partir do tempo que um comprimento de onda demora a passar num ponto fixo, c = L/T=ω/k • A velocidade de fase de uma onda é dada pela relação de dispersão • águas profundas: d>L/2, tanh (2d/L)1 c=(gL/2 )1/2; L=gT2/2 ; • águas pouco profundas: d<L/20, tanh (2d/L) 2d/L  c=(gd)1/2; • águas intermédias: L/20<d<L/2  relação de dispersão completa (*).

10. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA • Em geral, as ondas geradas pelo vento não têm formas sinusoidais simples; quanto maior a declividade maior será a diferença relativamente a uma onda sinusoidal; a forma de ondas com grandes declividades aproxima-se de uma curva trocoidal (cicloidal)  Teorias não-lineares de ondas. nível médio da água distância deslocamento Perfil vertical de duas ondas trocoidais sucessivas

11. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Interferência entre ondas Interferência construtiva - aumenta a altura da onda Interferência destrutiva - diminui a altura da onda Interferência mista - padrão variável Resultados Ondas em fase Ondas em fase oposta Ondas fora de fase construtiva destrutiva mista

12. ONDAS DE SUPERFÍCIE E AGITAÇÃO MARÍTIMA Rebentação das ondas

13. ONDAS INTERNAS As ondas internas propagam-se na interface de separação entre massas de água com densidades diferentes. Uma perturbação causada por um navio ou por um submarino em movimento, é suficiente para provocar estas ondas. As marés, o vento e as correntes, em conjunto com variações da profundidade do mar, também são factores responsáveis pela geração de ondas internas.

14. ONDAS INTERNAS As ondas internas propagam-se igualmente através do movimento das cristas, em que a água mais densa se aproxima da superfície e das cavas, em que a água menos densa se aproxima do fundo. Devido a este movimento de sobe e desce dentro do mar, partículas que estão a boiar à superfície, tais como detritos orgânicos e manchas de petróleo derramado pelos navios vão convergir e acumular-se por cima das cavas das ondas internas e vão-se afastar das regiões sobre as cristas. Desta forma consegue-se observar as ondas internas. Estas figuras representam a propagação de ondas internas na termoclina sazonal no oceano costeiro.

15. Superfície do mar Superfície do mar ONDAS INTERNAS Onda interna de 1ª ordem. O nodo no centro, onde a interface entre camadas não tem movimento vertical e a água acima e abaixo do nodo movem-se apenas horizontalmente, enquanto que a água nos extremos da bacia se move verticalmente. Onda interna de segunda ordem. Os dois nodos, a 1/4 e 3/4 do comprimento da bacia, onde a interface entre camadas não tem movimento vertical e a água acima e abaixo do nodo movem-se apenas horizontalmente, enquanto que a água nos extremos e no centro da bacia se move na vertical.

16. Superfície do mar ONDAS INTERNAS Onda interna a propagar-se na interface entre duas camadas: as partículas amarelas a meio da coluna de água movem-se apenas na vertical à medida que a onda passa; as particulas rosa na superfície e no fundo movem-se apenas na horizontal à medida que a onda passa. Em cada localização, as partículas na superfície e no fundo da coluna de água movem-se sempre em sentidos opostos. Zonas de convergência, onde as partículas de água se agrupam e zonas de divergência, onde as partículas se afastam, seguem a onda. Zonas de convergência localizam-se sempre onde a camada de água é mais espessa enquanto zonas de divergência se encontram onde as camadas de água são menos espessas.

17. ONDAS INTERNAS • A observação das faixas de acumulação de detritos e de manchas de petróleo permite detectar e localizar as ondas internas e seguir o seu movimento. Ondas internas ao largo da Costa Vicentina, sudoeste da Península Ibérica Grupo de ondas internas a propagar-se para o estuário do rio Derwent, na Tasmânia (Austrália). O efeito das ondas é visível pelas faixas lisas sobre a superfície, produzidas por convergência sobre as cavas das ondas.

18. ONDAS INTERNAS • Outro efeito do movimento vertical das ondas internas é a alteração da rugosidade da superfície do mar. Sobre uma crista a superfície do mar apresenta-se mais rugosa e sobre uma cava a superfície do mar apresenta-se mais lisa. Estes padrões de rugosidade são detectados através de imagens obtidas a partir de satélites. Fotografia tirada a partir do space shuttle mostrando a refracção e convergência (aceleração e encurvamento) de ondas internas ao largo da costa da Somália, provavelmente devido a variações da topografia do fundo. Fotografia tirada a partir do space shuttle mostrando ondas internas geradas pela maré a passar através do estreito de Gibraltar. A massa terrestre na parte superior é Espanha e a massa terrestre na parte inferior é Marrocos. Fotografia tirada a partir do space shuttle mostrando ondas internas ao largo Nazaré (costa oeste de Portugal). Nesta fotografia pode-se observar quatro grupos de ondas.

19. ONDAS INTERNAS • Na atmosfera também existem ondas internas, que se propagam na região de separação entre o ar mais denso junto à superfície da Terra e o ar menos denso, que está por cima. No ar as consequências das ondas internas são mais espectaculares do que no oceano pois moldam formas e padrões de nuvens com aspectos muito curiosos. Padrões de nuvens organizadas em bandas, gerados por ondas internas. O ar sobe com a crista das ondas e arrefece, produzindo a condensação do vapor de água e a formação das nuvens e desce com a cava, provocando o seu aquecimento e a evaporação da água das nuvens. As cristas das ondas tornam-se então visíveis sob a forma de faixas de nuvens com a forma de novelos de algodão. Padrão de nuvens particularmente espectacular, produzido por uma onda interna em rebentação na atmosfera, sobre a Floresta Negra, na Alemanha. A rebentação ocorre porque a velocidade das partículas sobre as cristas se torna superior à velocidade de propagação das ondas.

20. ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA A circulação oceânica leva água para o equador a oeste e para o pólo a este. O centro de altas pressões progride para o pólo a este e para o equador a oeste. No equador o centro de altas pressões move-se para este. A A Equador A A A este oeste A circulação oceânica leva água para o pólo a oeste e para o equador a este. O centro de baixas pressões progride para o pólo a este e para o equador a oeste. No equador o centro de baixas pressões move-se para este. B B Equador B B B Temos establecido um movimento ondulatório a propagar-se ao longo da costa – onda de Kelvin este oeste

21. ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA • Ondas de Kelvin: • propagam-se para o equador nas fronteiras oeste e para o pólo nas este dos oceanos • maior amplitude junto à costa • amplitude decresce exponencialmente para o largo (só são sentidas até ~100 km da costa) • o período é de alguns dias até poucas semanas • detectam-se nos marégrafos e causam inversões das correntes costeiras • c.d.o. na ordem de 100 km, mas variável conforme o padrão do vento • no Equador temos um caso especial....

22. ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA Evidência da presença de ondas de Kelvin na costa do Chile/Peru e SW da P.Ibérica. Correlação entre correntes em vários pontos medidos durante vários meses. Valores filtrados para remover variações com menos de um dia (p.ex. marés). As variações na corrente propagam-se para Sul a ~200 km/dia Correlação entre nível do mar em vários marégrafos medidos durante vários meses. Valores filtrados para remover variações com menos de um dia (p.ex. marés). As variações na corrente propagam-se para Sul a ~300 km/dia

23. ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA Movimento perpendicular à costa em situações de upwelling e downwelling. Estes movimentos cruzam as batimétricas. Há ganhos e percas de vorticidade relativa devido ao declive da plataforma continental A rotação induzida pelas variações de vorticidade relativa puxa a água para fora da costa nuns sítios e para a costa noutros. O resultado é uma propagação deixando a costa à direita. Um observador fixo vê a propagação de uma onda. A onda resultante é aprisionada à costa, mas não cai exponencialmente para o largo. Mostra um segunda região de grande amplitude sobre o bordo da plataforma

24. ONDAS DE KELVIN E ONDAS APRISIONADAS À COSTA Exemplos de propagação de ondas de Kelvin aprisionadas à costa na Austrália em Jan. Fev. 1989 `(esquerda) e Jul. 1997 (direita). Valores de nível do mar filtrados de modo a remover variações inferiores a três dias.