S16.1 O Impacto do Espaço e Escalas de Tempo na Amostragem e Instrumentação

As escalas de tempo e espaço dos fenômenos oceanográficos físicos foram resumidas no Capítulo 1 (Figura 1.2). Os requisitos de coleta de dados para estudar movimentos com tantas variações de tempo e espaço são exigentes, exigindo uma grande variedade de métodos de amostragem. Como descrito no Capítulo 6, os estudos em quase todas as escalas requerem o estabelecimento de médias ou filtragem para remover espaços e escalas de tempo que não são de interesse. Não é possível medir cada espaço e cada escala de tempo, no entanto, para formar médias e estatísticas perfeitas. Portanto, os oceanógrafos observacionais devem compreender as fontes de erro e incerteza, que podem ser devidas a limitações instrumentais ou de amostragem, ou a sinais em diferentes frequências e comprimentos de onda.

Por exemplo, os perfis oceanográficos profundos tradicionais (Secção S16.4) foram e continuam a ser feitos a partir de navios de investigação para estudar as maiores escalas espaciais e temporais da circulação oceânica e das distribuições de propriedades. Estas continuam sendo a única maneira de medir o oceano profundo com alta precisão, e a única maneira de fazer a maioria das medições químicas. Uma estação oceanográfica profunda pode demorar até três horas e uma secção transversal de um oceano pode demorar até dois meses, o que coloca limitações à interpretação. Os perfis individuais, amplamente separados, não podem ser usados para estudar marés, ondas internas ou eddies, por exemplo, mas estes e outros movimentos de menor escala afetam as medições individuais da estação. Existem, no entanto, formas úteis de processar e analisar os dados para que possam ser usados para estudar o grande espaço e os grandes períodos de tempo de interesse.

Como segundo exemplo, altímetros de satélite (Secção S16.9.9) medem a altura da superfície do oceano, passando sobre cada ponto da superfície do oceano todas as semanas ou duas. A altura da superfície depende de várias coisas: a circulação oceânica, ondas e marés superficiais, expansão e contração devido a mais ou menos calor ou sal na água, e a distribuição desigual da massa na terra sólida (variações no geóide). O geóide, que não varia no tempo, domina o sinal altimétrico. Portanto, as medições altimétricas dependentes do tempo têm sido mais úteis, fornecendo informações significativas sobre a “mesoescala” dependente do tempo (dezenas a centenas de quilômetros) e a dependência do tempo em larga escala na altura da superfície do mar, que está associada a mudanças na circulação em larga escala, variabilidade climática como El Niño, e elevação global do nível do mar.

Interpretação das medições altimétricas na presença de expansão térmica requer informações sobre a estrutura de temperatura e salinidade sob a superfície, que um satélite não pode ver. Portanto, as medições in situ são combinadas com a altimetria. Uma vez que os diferentes conjuntos de dados são desajustados na frequência de amostragem e localização, a combinação coloca desafios significativos de análise de dados, tratados mais recentemente através do uso de assimilação de dados (Secção 6.3.4). E como um terceiro exemplo retirado da altimetria, os muitos dias entre as passagens de satélite sobre um determinado local significa que os tempos mais curtos, devido, por exemplo, às marés, são medidos em tempos diferentes nos seus ciclos em cada passagem de satélite. Este “aliasing” produz uma falsa escala de tempo longa (Secção 6.5.3). É tomado grande cuidado na escolha da frequência orbital do satélite e na interpretação dos dados para lidar adequadamente com estas escalas de tempo mais curtas, para removê-los o máximo possível das escalas de tempo mais longas.

Retornar para observar a maior circulação em escala do topo para o fundo do oceano, que é o foco principal deste texto, pode parecer que empregar numerosos instrumentos que medem as correntes directamente seria a melhor abordagem. De facto, no início do século XXI um programa global (Argo, descrito na Secção S16.5.2) para monitorizar continuamente a velocidade dentro da coluna de água foi iniciado usando flutuadores subterrâneos relativamente baratos que seguem as correntes subterrâneas (na sua maioria a uma única profundidade) e reportam aos satélites a intervalos regulares. Este programa já revolucionou a observação do interior do oceano, principalmente devido aos perfis de temperatura e salinidade coletados em cada viagem à superfície, que foi padronizado em intervalos de dez dias; os dados de velocidade têm sido menos utilizados. Um desdobramento global dos drifters de superfície cumpre o mesmo objectivo à superfície do mar (Secção S16.5.1). Estes métodos de amostragem do Lagrangiano em todo o oceano não eram possíveis antes do início das comunicações globais por satélite, e ainda é proibitivamente dispendioso instrumentar o oceano em todas as profundidades. Medidores de corrente, tanto mecânicos como acústicos, medem directamente o caudal num determinado ponto durante vários anos; foram desenvolvidos e implantados amplamente após os anos 50. Os medidores de corrente dão informações sobre a velocidade (velocidade e direcção) da água apenas perto da localização (no tempo e espaço) do próprio instrumento; a experiência indica que grandes variações de velocidade podem ocorrer em pequenas distâncias, assim como em pequenos intervalos de tempo. Devido a estas escalas espaciais e devido ao alto custo de implantação dos medidores de corrente, não se tem provado ser possível instrumentar amplamente o oceano. Os medidores de corrente são agora usados principalmente em correntes bem definidas de não mais de várias centenas de quilômetros de largura, ou em áreas-alvo específicas para amostragem de todas as escalas temporais (o espectro de tempo integral) naquela área, às vezes por muitos anos. Todas as medições de corrente contínua de correntes subsuperficiais forneceram apenas uma pequena proporção do nosso conhecimento observado sobre a circulação oceânica. Por outro lado, onde têm sido usadas, elas fornecem informação inestimável; por exemplo, quantificando o transporte total e variações de correntes fortes e relativamente estreitas como a Corrente do Golfo ou Kuroshio.

Na ausência de medições directas suficientes das correntes oceânicas, os oceanógrafos que estudam a circulação usam métodos indirectos. Um dos mais antigos, permanecendo em uso muito comum, é o método geostrófico ou dinâmico, que relaciona a distribuição da pressão horizontal com as correntes horizontais (Seção 7.6). A maioria das correntes com escalas de tempo superiores a alguns dias (excepto no equador) está em equilíbrio geostrófico, que é um equilíbrio entre a mudança horizontal (gradiente) de pressão e a força de Coriolis. A velocidade geostrófica é perpendicular à direção do gradiente de pressão, devido à rotação da Terra. A distribuição da pressão depende da altura da superfície do mar e também do perfil vertical da densidade da água do mar a uma dada latitude e longitude. Assim, o principal método para mapear a circulação oceânica tem sido medir a distribuição da temperatura e salinidade do oceano. A distribuição da densidade é então calculada, a partir da qual o gradiente de pressão horizontal é calculado a cada profundidade, dada uma suposição do gradiente de pressão a uma profundidade (que poderia ser à superfície, devido à altura da superfície). As correntes geostróficas são então calculadas.

O passo de estimar o gradiente de pressão a uma profundidade é não trivial, dada a ausência geral de observações de velocidade distribuídas. (As implantações de flutuadores subterrâneos a partir dos anos 90 foram motivadas pela primeira vez pelo fornecimento de tal campo de velocidade a uma profundidade). A abordagem tradicional tem sido a de exigir a conservação da massa dentro das regiões oceânicas e depois fazer suposições educadas sobre a distribuição da velocidade a uma determinada profundidade, com base no mapeamento das distribuições de propriedades dentro do oceano. Os “métodos inversos” (introduzidos mas não desenvolvidos na Secção 6.3.4) formalizam o uso de restrições baseadas na conservação de massa e na distribuição de propriedades, que são afectadas pela mistura.

algumas propriedades da água também são traçadores inerentes do tempo (Secções 3.6 e 4.7). Estas incluem os traçadores que são biologicamente ativos e são reiniciados em locais específicos. Por exemplo, o conteúdo de oxigénio é saturado através do contacto com a atmosfera na camada superficial, e é depois consumido por bactérias dentro da coluna de água, produzindo uma idade aproximada para uma determinada parcela de água. O relógio incorporado de decaimento radioativo em traçadores transitórios oferece mais promessas, pois é independente do caráter físico e biológico do ambiente. Traçadores antropogénicos como os clorofluorocarbonos (CFC) foram injectados no sistema terrestre pela humanidade. Se a história da sua libertação no ambiente é conhecida, como é o caso dos CFC, então eles são traçadores úteis dos caminhos percorridos pelas águas superficiais do oceano à medida que se deslocam para o oceano interior.

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