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Oceanografia

OCEANOGRAFIA E INTERAO OCEANO-ATMOSFERA

Com o desenvolvimento das redes de pesquisa a partir de 2002, a oceanografia e a meteorologia brasileiras tiveram um grande avano, especialmente focando as mudanas globais e seus impactos no Brasil. Para atender esse novo objetivo, desenvolveu-se um grupo de pesquisas oceanogrfica chamado Grupo de Oceanografia de Altas Latitudes (GOAL). Esse grupo, com caractersticas multidisciplinar e multi-institucional, liderado por pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande (FURG), situada na cidade do Rio Grande, no Rio Grande do Sul. Atualmente o GOAL tambm composto por pesquisadores do INPE, do Instituto Oceanogrfico da Universidade de So Paulo (IOUSP), da Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ) e de outras instituies nacionais e internacionais. O GOAL tem trabalhado com a coleta sistemtica de dados fsicos, qumicos e biolgicos, atravs de diferentes meios e mtodos valendo-se dos navios do PROANTAR para realizar suas pesquisas entre o Oceano Atlntico Sul e o Oceano Austral. Maiores informaes podem ser obtidas no site do GOAL.

As atividades do INPE no GOAL atualmente so financiadas pelo projeto INCT Criosfera para o programa INTERCONF (Interao Oceano-Atmosfera na Regio da Confluncia Brasil-Malvinas). Os trabalhos de campo tem sido realizados durante os cruzeiros oceanogrficos do Navio de Apoio Oceanogrfico (NApOc.) Ary Rongel, da Marinha do Brasil, em sua trajetria sul para o continente Antrtico. Ao longo dessa trajetria, o navio passa pela regio de encontro entre as guas que so trazidas do norte pela Corrente do Brasil (CB) e do sul pela Corrente das Malvinas (CM), conhecida como Confluncia Brasil-Malvinas. Essa regio, devido aos fortes contrastes termais entre as guas frias em quentes que ocorrem a, entendida como uma das regies chave para o entendimento do clima e tempo da America do Sul, especialmente das regies sul e sudeste do Brasil.

Navio de Apoio Oceanogrfico Ary Rongel.

Figura 1. Navio de Apoio Oceanogrfico Ary Rongel.

Representao esquemtica da circulao superficial do Giro Subtropical do Atlntico Sul. Fonte: Adaptada de Peterson e Stramma (1991). Os retngulos delimitam as reas da Confluncia Brasil-Malvinas (CBM) e da parte central do giro subtropical do Oceano Atlntico Sul.

Figura 2. Representao esquemtica da circulao superficial do Giro Subtropical do Atlntico Sul. Fonte: Adaptada de Peterson e Stramma (1991). Os retngulos delimitam as reas da Confluncia Brasil-Malvinas (CBM) e da parte central do giro subtropical do Oceano Atlntico Sul.


Como objetivos integrados ao INCT da Criosfera, o entendimento dos processos de conexo global entre o oceano, a atmosfera e o gelo continental e marinho (criosfera) na Antrtica e seus arredores com o continente sul-americano deve derivar, necessariamente, do entendimento dos processos em grande e mdia escalas, que ocorrem na poro oeste do Oceano Atlntico Sul e na atmosfera imediatamente acima. O avano da cincia e dos estudos climticos tem levado a comunidade cientfica nacional e internacional a estudar e tentar compreender melhor o papel do Oceano Atlntico Sul no clima da Amrica do Sul. At o presente, essa regio no foi extensivamente estudada. Os efeitos no clima e tempo da Amrica do Sul ainda no so completamente entendidos, especialmente nas regies costeiras do sul e sudeste do Brasil. Esta regio caracterizada pelo surgimento e passagem de tempestades (frentes frias, tormentas e ciclones) que acabam por atingir a poro sul e sudeste da Amrica do Sul. Um melhor entendimento dos processos de interao oceano-atmosfera ocorrendo nesta regio poder refletir numa melhora das previses de tempo e clima para o Brasil e demais pases sul-americanos.

O estudo climtico terrestre envolve o entendimento de complexos processos que ocorrem no sistema acoplado oceano-atmosfera. Esse acoplamento ocorre atravs das interaes nas interfaces ocenica e atmosfrica, onde se processam importantes trocas energticas. O oceano supre a atmosfera com vapor d'gua e energia que, conseqentemente, influenciam o ciclo hidrolgico e a prpria dinmica da atmosfera. A atmosfera, por sua vez, fornece gua para os oceanos em forma de precipitao e energia, que afetam as correntes ocenicas geradas pelos ventos e aquelas geradas pela diferena de densidade entre as massas de gua. A temperatura da superfcie do mar (TSM) exerce um papel importantssimo nesse complexo mecanismo de interaes, pois atravs dela a energia em forma de fluxo de calor trocada entre a atmosfera e o oceano. Pequenas variaes de TSM podem acarretar em grandes variaes nos fluxos da interface ar-mar. No obstante, a TSM tambm pode provocar impactos significativos no escoamento atmosfrico e, por conseguinte, nos sistemas meteorolgicos.

Observaes inditas do sistema acoplado oceano-atmosfera na regio da CBM tm sido realizadas pelo pelos pesquisadores do INPE no GOAL/INTERCONF no PROANTAR desde 2004, como mostrado na Figura 3. Atravs de medies simultneas do oceano e da atmosfera com instrumentos especficos feitas a partir do NApOc. Ary Rongel tm-se demonstrado que o sistema atmosfrico diretamente modulado pelos campos de TSM do oceano abaixo. Isso especialmente vlido quando os sistemas no so perturbados pela passagem de sistemas atmosfricos transeuntes de grande escala, como frentes frias ou ciclones.

Exemplos de mapas de magnitude do vento sobrepostas a TSM em datas em que o GOAL/INTERCONF realizou experimentos nas diversas Operees Antrticas (OPs) at o ano de 2007: a) OP 23, b) OP 24, c) OP 25, d) OP 26. Os crculos pretos marcam a posio de lanamento de radiossondas para a perfilagem in situ de parmetros meteorolgicos. Fonte: Pezzi et al. (2009).

Figura 3. Exemplos de mapas de magnitude do vento sobrepostas a TSM em datas em que o GOAL/INTERCONF realizou experimentos nas diversas Operees Antrticas (OPs) at o ano de 2007: a) OP 23, b) OP 24, c) OP 25, d) OP 26. Os crculos pretos marcam a posio de lanamento de radiossondas para a perfilagem in situ de parmetros meteorolgicos. Fonte: Pezzi et al. (2009).


As diferenas de TSM nos lados quente e frio da CBM induzem respostas diferentes sobre a atmosfera acima, como pode ser visto na Figura 4, que mostra um caso clssico de interao oceano-atmosfera onde a camada limite atmosfrica est sendo localmente modulada pela temperatura da superfcie do mar. Quando as guas so mais quentes, uma maior turbulncia gerada na regio da atmosfera imediatamente acima do oceano. A atmosfera dessa forma energizada e ventos mais intensos so geralmente produzidos. Um maior contedo de vapor d'gua ento disponibilizado para a atmosfera. Sobre as guas frias, a atmosfera se comporta ao contrrio, sendo mais seca e gerando ventos menos intensos. .

Exemplo clssico de interao oceano-atmosfera na  regio da Confluncia Brasil-Malvinas onde o calor contido na camada limite ocenica  disponibilizado via TSM e acaba modulando a camada limite atmosfrica. Estes dados foram obtidos pelo GOAL/INTERCONF durante a Operao Antrtica OP 23. A parte inferior da figura mostra os perfis de temperatura do oceano com a localizao das sondagens e a parte superior a temperatura da atmosfera com os valores da magnitude do vento sobrepostos. Fonte: Pezzi et al. (2005).

Figura 4. Exemplo clssico de interao oceano-atmosfera na regio da Confluncia Brasil-Malvinas onde o calor contido na camada limite ocenica disponibilizado via TSM e acaba modulando a camada limite atmosfrica. Estes dados foram obtidos pelo GOAL/INTERCONF durante a Operao Antrtica OP 23. A parte inferior da figura mostra os perfis de temperatura do oceano com a localizao das sondagens e a parte superior a temperatura da atmosfera com os valores da magnitude do vento sobrepostos. Fonte: Pezzi et al. (2005)..


Parte dos estudos recentes inclui o entendimento do papel de estruturas ocenicas de mesoescala (como vrtices e meandros da regio da CBM e da Frente Subtropical do Oceano Atlntico Sul) que modulam os fluxos de calor entre a atmosfera e o oceano na escala sintica e como essa modulao passa para a escala climtica. Dados complementares, como pro exemplo do projeto OAFlux (Objectively Analyzed Air-Sea Fluxes for the Global Oceans - http://oaflux.whoi.edu) tem sido usado para esta finalidade diagnstica (Figura 5).

Climatologia anual dos fluxos de calor latente (LH  painel superior) e sensvel (SH  painel inferior) obtida para o Oceano Atlntico Sul a partir de dados do Projeto OAFlux. Fonte: Arsego (2012).

Figura 5. Climatologia anual dos fluxos de calor latente (LH painel superior) e sensvel (SH painel inferior) obtida para o Oceano Atlntico Sul a partir de dados do Projeto OAFlux. Fonte: Arsego (2012).


Alguns trabalhos cientficos ligam o aumento progressivo da TSM nas guas do Golfo do Mxico a uma maior incidncia de furaces nos Estados Unidos. Sob o ponto de vista climtico, um cenrio de aumento de TSM na costa sul do Brasil poderia acarretar uma maior incidncia de fenmenos atmosfricos extremos regio sul do Brasil, como o Ciclone Catarina que ocorreu em maro de 2004.

Resultados mais recentes do INTERCONF demonstram que a circulao de anticiclones transientes (ATs) transporta as massas frias de ar que avanam pela regio sul da Amrica do Sul em trajetrias tanto continentais quanto ocenicas (Kaufmann e Anabor, 2010, 2011). Os autores tambm descrevem que frequentemente se observa a presena de nebulosidade baixa ao longo da circulao anticiclnica, e que uma ampla cobertura de nuvens rasas est relacionada passagem de massas estveis e frias de ar sobre guas mais quentes. Tomando o caso dos intensos contrastes termais que ocorrem na regio da CBM, nota-se que estas massas de ar ao cruzarem essa regio experimentam uma amplificao dos processos de umidificao e instabilizao em baixos nveis. Dependendo do posicionamento do anticiclone transiente, a nebulosidade rasa formada na regio da CBM advectada para a regio costeira e interior do sul do Brasil, podendo causar nebulosidade cumuliforme. A nebulosidade rasa pode causar precipitao de baixa intensidade sobre o continente, e h atualmente uma baixa capacidade dos modelos de previso do tempo em resolver esse fenmeno. Sabe-se, que este fenmeno no representado adequadamente em modelos numricos da atmosfera e que esta m representao pode acarretar em erros na previso do tempo para o Sul do pas.

Sob o ponto de vista meteorolgico, no entanto, as regies da CBM e parte da extenso da FST encontram-se tambm fortemente relacionadas regio preferencial de atividade das tempestades de latitudes mdias (ciclones extratropicais do ingls Storm Tracks (STs)). Localizados aproximadamente entre os paralelos de 35o e 65o em ambos os hemisfrios, os STs desempenham um papel fundamental no clima do planeta, principalmente em regies de latitudes mdias e altas, por possurem a capacidade de alterar a condio de tempo de determinada regio e exercerem forte influncia na precipitao, cobertura de nuvens e radiao incidente.

Freitas (2011) analisou um cenrio de aquecimento global A1B (IPCC) com respeito ao cenrio atual, Figura 6. A autora mostra que os campos de anomalia do transporte meridional de calor sensvel podero sofrer mudanas considerveis e, para o Oceano Atlntico Sul, anomalias negativas extremamente altas sero encontradas nas latitudes abaixo da FST, especialmente sobre a Patagnia, regio da CBM e no centro do Oceano Atlntico Sul nos meses de inverno. Segundo a autora, em um cenrio de mudanas climticas, as trajetrias dos ciclones extratropicais devero sofrer uma modificao na sua distribuio futura, provavelmente associada reduo da cobertura de gelo antrtico no futuro, ocasionaria o deslocamento dos STs em aproximadamente 5 para o sul.


Segundo os resultados de Freitas (2011), razovel sugerir uma forte influncia da baroclinicidade induzida pelo contraste entre gelo e gua. Em latitudes mdias, a alterao do transporte meridional de calor sensvel na atmosfera associado ao aumento na emisso dos gases de efeito estufa, e s variaes da camada de oznio previstas, sugere que a variao na distribuio dos STs poder estar relacionada s mudanas nos padres do gradiente meridional da TSM no Oceano Atlntico Sul. Essas mudanas podero ser determinantes para o deslocamento e intensificao dos STs num cenrio futuro.

Campos de anomalia do transporte meridional de calor sensvel no hemisfrio sul associados aos STs obtidos pela diferena entre as simulaes para o futuro e presente. Fonte: Freitas (2011).

Figura 6. Campos de anomalia do transporte meridional de calor sensvel no hemisfrio sul associados aos STs obtidos pela diferena entre as simulaes para o futuro e presente. Fonte: Freitas (2011).


Ainda no mbito do projeto INCT da Criosfera, a investigao brasileira conduz estudos multidisciplinares nas reas da quebra da plataforma e talude Antrtico, particularmente nas regies oeste do Mar de Weddell, na Passagem de Philip, Ilha Elefante, Estreito de Bransfield, Estreito de Gerlache e Ilha Deception na Antrtica. Os estudos contribuem para entender os processos de exportao das guas densas formadas nessas regies e a interao oceano-atmosfera zona costeira. O constante monitoramento desses processos de formao de massas d'gua profundas, assim como os processos de trocas na interface oceano-atmosfera so fundamentais para o entendimento das mudanas no clima da Terra. Em cenrios de aquecimento global ou local da atmosfera, como o caso da regio da Pennsula Antrtica, um pequeno aumento da temperatura mdia sazonal (de inverno ou de vero) pode acarretar em menos gelo sendo formado na superfcie do mar. Isso tem a conseqncia de diminuir a quantidade de sal liberado para as camadas mais profundas do oceano, afetando a formao da gua de fundo.

Uma componente importante do GOAL/INTERCONF avalia as trocas de dixido de carbono (CO2) entre o oceano e a atmosfera na presena dos blooms de fitoplncton. Como objetivo, espera-se determinar a importncia dessa regio do Oceano Atlntico Sul como sumidouro de carbono do planeta e, por conseqncia, estabelecer parmetros importantes que possam vir a ser usados na modelagem numrica de cenrios futuros de mudanas globais. Neste sentido, em sintonia com as idias do GOAL/INTERCONF surgiu o projeto de pesquisas Atlantic Carbon Experiment (ACEx) que faz parte de uma iniciativa inovadora e promissora que visa contribuir para um melhor entendimento dos processos qumicos, fsicos e dinmicos de interao oceano-atmosfera em micro e meso-escalas no Atlntico Sul e trocas de fluxos nesta interface. A implantao deste projeto visa treinar uma equipe multidisciplinar capaz de fazer medidas in situ de fluxos de momentum, calor e CO2 no Atlntico Sul que uma regio de suma importncia para o seqestro do dixido de carbono atmosfrico. Espera-se avanar no entendimento dos modos e dos processos relacionados variabilidade ocenica e atmosfrica destes fluxos, assim como os impactos eventuais desses processos no Atlntico Sudoeste e Sul. Na regio de quebra de plataforma argentina em latitudes abaixo da regio da CBM, a composio das espcies que formam o fitoplncton extremamente relevante. O local conhecido por promover floraes de espcies de cocolitofordeos que, ao contrrio das algas comuns, desenvolvem carapaas microscpicas a base de calcrio. Portanto, a transferncia do CO2 atmosfrico para os oceanos, desde a gua do mar para os organismos e, finalmente, dos organismos ao sedimento aps a morte, um tema altamente complexo e importante para os estudos de mudanas globais.