A densidade da água do mar depende dos valores salinos e dos
valores de temperatura que por sua vez controlam os movimentos verticais
da água do mar. A densidade normalmente aumenta com a profundidade
dos oceanos. Se a densidade da água na superfície por
alguma razão se tornar maior ela se torna instável gravitacionalmente
e afunda . Nos pólos a densidade das águas de superfície
aumenta por esfriamento direto ou pela formação de gelo que
extrai água pura e forma águas com maior salinidade
e maior densidade. Nas regiões polares a circulação
de fundo se origina pelo afundamento das águas de superfície
. Em latitudes baixas águas mais densas e salinas são produzidas
pelo excesso de evaporação acoplados a ventos fortes
.
2.1 RADIAÇÃO SOLAR
A radiação solar é dominada pelas faixas ultravioleta , visível e do infra - vermelho. Apenas 70 porcento da radiação que atinge a superfície da terra penetra a atmosfera, 30 por cento em média é refletida para o espaço pelas nuvens e pelas partículas da atmosfera. Dos 70 por cento , cerca de 17 por cento é absorvido pela atmosfera, cerca de 23 por cento chega à superfície sob forma de luz difusa e 30 por cento como radiação direta.
Grande parte da radiação ultravioleta é absorvida na camada de ozônio. O céu tem cor azul devido ao espalhamento da luz de comprimentos de onda curtos pelas moléculas de gases contidos na atmosfera.
Parte da radiação que chega a superfície da Terra é por sua vez refletida para o espaço em forma do que se definiu com o albedo. A Tabela 2.1 mostra os valores típicos de albedo da superfície da Terra. A inclinação com que os raios solares atingem a superfície e mesmo a hora do dia são fatores que influenciam nos valores de albedo. No mar as ondas de superfície e pequenas ondas conhecidas como capilares refletem as ondas solares, mas em geral não tanto quanto a neve os desertos e em geral a vegetação.
Parcela da radiação solar refletida é novamente absorvida pela atmosfera fazendo com que ela se aqueça. A superfície da Terra , aquecida, reflete sob forma de radiação de baixa freqüência na faixa espectral das radiações infravermelhas. O vapor d'água CO2 e outros gases absorvem a energia refletida nessa faixa espectral e dessa forma a atmosfera age como um cobertor, aprisionando o calor no seu interior. Esse efeito é chamado efeito " Estufa ". Outros gases estufa são o metano e óxido nitroso e os gases produzidos artificialmente chamado clofluorcarbonos usados como refrigerantes e em sistemas sprays.
Esses gases causam grande preocupação devido ao fato de causarem uma diminuição na concentração da camada de ozônio na parte superior da atmosfera. O Buraco de Ozônio que se encontrada sobre o continente Antártico tornou-se bastante conhecido em razão de que uma maior quantidade de radiação ultravioleta poderá atingir a superfície da Terra causando danos irreparáveis à vida.
As variações diurnas de temperatura na terra tem uma amplitude de dezenas de graus Celsius, contudo, nos oceanos, a variação diurna é de cerca de alguns graus centígrados.
A Figura 2.1 mostra a temperatura no mar
e na terra.
2.2 DISTRIBUIÇÃO DAS TEMPERATURAS DE SUPERFÍCIE
A intensidade da insolação depende do ângulo de incidência com que os raios do sol atingem a superfície da Terra (Fig 2.2 )e a distribuição de temperatura sobre a superfície varia com a latitude e a estação do ano, devido a sua inclinação em relação ao plano do Equador. A insolação é máxima durante o período dos equinócios quando os dois hemisférios terrestres são igualmente iluminados durante o período de 24 horas. Há insolação nos pólos, durante cerca de 6 meses, que são iluminados durante o verão e totalmente escuros durante os meses de inverno.
O advento da tecnologia de satélites artificiais com cobertura global tornou possível determinar as variações sazonais da superfície do mar (Fig 2.3). A precisão e a sensibilidade dos sensores de temperatura são da ordem de 0,1 graus Celsius, com uma acurácia um pouco menos satisfatória devido ao estado da superfície do mar e a quantidade de vapor na atmosfera, que absorve a radiação infravermelha. Informações como as da Fig 2.3 são produzidas de uma forma regular e contínua. Na maioria dos estudos da temperatura do mar o maior objetivo se encontra em sua variabilidade e não nos valores térmicos absolutos. Essas medições são apenas de superfície pois os satélites não podem fornecer diretamente valores térmicos do interior dos oceanos.
2.2.1 A TRANSFERÊNCIA DE CALOR E ÁGUA ATRAVÉS DA INTERFACE AR-MAR
A temperatura da superfície do mar depende da quantidade de energia radiante que recebe (insolação) e da quantidade de calor que perde através do processo de evaporação e por condução.
A superfície do mar é mais quente que o ar imediatamente acima dela e dessa forma o calor pode ser transferido do mar para o ar através do fenômeno da condução . Essa perda é relativamente pequena considerando-se o balanço total de calor do oceano e seria desprezivel se não houvesse também a ação da mistura convectiva produzida pelos ventos que remove a camada mais quente de logo acima da superfície.
A evaporação é o mecanismo principal através do qual o oceano perde calor para a atmosfera - uma ordem de grandeza acima do calor perdido para a atmosfera por condução e mistura convectiva.
A equação que regula o processo é:
(razão de perda de calor) = (calor latente de evaporação) X (razão de evaporação)
Além da evaporação , condensação e precipitação outros mecanismos também transferem calor do oceano para a atmosfera. A tensão superficial da superfície do mar é definida pelas forças intermoleculares . A tensão superficial da água do mar é menor do que na água doce de forma que o mar produz mais rapidamente bolhas de ar, que se quebram quando perturbadas. Ventos fortes produzem espumas que abrigam bolhas de ar. A fig 2.4a mostra o que acontece quando bolha de ar é criada logo abaixo da superfície com a quebra das ondas de superfície. As bolhas de ar vem a superfície e se quebram injetando gotículas na atmosfera juntamente com sais dissolvidos gases e material particulado que a água continha. Uma grande quantidade desse material retorna a superfície através da precipitação como mostrado pelo conteúdo de cloro da água de chuva à medida que ela ocorre terra a dentro. Fig. 2.4b
As menores gotículas injetadas na atmosfera são chamadas
de aerosois e elas levam consigo sais dissolvidos e material orgânico
. Os aerosois podem ser levados bem acima da superfície e dispersados
na atmosfera. Quando a água evapora essas diminutas partículas
de sal ou outras substancias fornecem os núcleos para a formação
de nuvens e chuva.
2.3 A DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURAS CONTRA A PROFUNDIDADE
As medições de temperatura dos oceanos só foi possível após a descoberta do termômetro no século dezessete. Foi rapidamente observado que a temperatura dos oceanos decresce com a profundidade. Medições precisas da temperatura nas águas profundas dos oceanos só foram possíveis após a descoberta de termômetros protegidos contra as variações de pressão e reversíveis de forma a registrar as temperaturas "in situ" . Esses termômetros só foram inventados em meados do século passado. Medições de temperatura dos oceanos nos dias presentes são feitas através de termistores e de forma contínua é feita de forma rotineira nos cruzeiros oceanográficos.
A maior parte da energia incidente nos oceanos é absorvida nos primeiros metros de profundidade. Essa energia aquece diretamente os oceanos fornecendo energia para formação das moléculas orgânicas e a realização da fotossíntese. A Figura 2.5 mostra como é feita a absorção dessa energia. Comprimentos de onda menores (freqüências maiores) próxima a parte azul do espectro visível penetra mais do que os comprimentos de onda maiores (baixas freqüências).
A radiação infravermelha (baixa freqüência) a vermelha são absorvida nos primeiros centímetros. Conforme podes ser visto na Fig 2.5 a energia total recebida em cada profundidade e freqüência é representada pela área da curva . As diferentes áreas das curvas indica que apenas um quinto da energia radiante total incidente penetra até a profundidade de 100 metros. Toda radiação infravermelha é absorvida em um metro e aproximadamente metade da energia incidente absorvida em 10 metros. A penetração da luz depende também da transparência da água e da incidência dos raios solares.
A propagação de valores térmicos por condução é bastante pequena e pouco calor é transferido verticalmente no processo de condução. A turbulência é o mecanismo principal através das ondas de superfície e vento para que haja a condução turbulenta. Esses processo dão origem a camada de mistura de superfície que pode ter entre 200 a 300 metros de espessura em latitudes médias e apenas 10 metros em áreas rasas da plataforma continental.
Entre 200 a 300 metros até 1000 metros a temperatura diminui rapidamente dando origem ao que se chama termoclina, permanente abaixo da qual não há a ocorrência de termoclina sazonal e a temperatura decresce gradualmente até atingir cerca de 0 a 3 graus Celsius. Esse range de temperatura é definido em todos os oceanos, independentemente das estações, pelas águas mais densas e frias que afundam junto as regiões polares e fluem em direção ao equador junto ao fundo dos oceanos.
A camada de mistura de superfície apresenta variações sazonais nas latitudes médias, que podem ser medidas tanto na profundidade quanto nos valores térmicos. No período de inverno quando as temperaturas são baixas e há grande ação das ondas de superfície a camada de mistura se estende até a termoclina, permanente e o perfil pode ser aproximadamente vertical nos 200 a 300 metros desde a superfície. Durante o verão com o aumento da insolação a termoclina sazonal é desenvolvida logo acima da termoclina permanente como mostrado na 2.7a.
Termoclinas sazonais começam a se formar nos meses de primavera e atingem o seu máximo nos meses de verão. Elas tem a espessura de cerca algumas dezenas de metros e acima delas ocorrem a camada de mistura. À medida que o inverno vai chegando e há a ocorrência de ventos mais fortes a profundidade da termoclina sazonal aumenta e a sua temperatura diminui, reduzindo gradativamente o gradiente de tal forma que a que a camada de mistura atinge profundidades de 200 a 300 metros . Fig 2.7d.
Em latitudes baixas (próximo ao Equador terrestre) não ocorre o esfriamento durante o inverno de forma que a termoclina sazonal torna-se permanente e se confunde com a termoclina permanente a profundidades de 100 a 150 metros. Fig 2.7b. Em latitudes maiores do que 60 graus não há termoclina permanente . Fig 2.7c. Mas termoclinas sazonais podem se desenvolver durante o verão logo acima dessa camada .
O padrão geral das variações dos valores térmicos alongo da profundidade e estações do ano é mostrado na Fig 2.8. Os valores máximos e mínimos diferem em cerca de 10 graus na superfície diminuindo até 3 a 4 graus a 100 metros de profundidade.
Termoclinas Diurnas também ocorrem nos oceanos durante os dias
de alta insolação a profundidades que não excedem
10 a 15 metros com diferenças de 2a 3 graus de range de temperatura.
Fazendo-se a abstração das termoclinas diurnas , sazonais
e permanentes dos oceanos a distribuição do perfil médio
ao longo da profundidade pode ser dividido em três regiões
conforme mostrado em esquema na Fig 2.9. As profundidades da camada de
mistura e termoclina permanente são menores em altas latitude
e nas menores latitudes do que nas latitudes médias porque os ventos
são mais fracos e há menor contraste de valores térmicos
sazonais em latitudes baixas.
2.4 A ENERGIA DOS OCEANOS - UMA BREVE DESCRIÇÃO DA TERMOCLINA
A termoclina permanente é encontrada em quase toda área oceânica e a diferença de valores térmicos através dela em baixas latitudes é da ordem de 20 graus Celsius. Fig 2.9
Os problemas relativos ao aproveitamento da energia contido nesses gradientes
térmicos é uma questão de escala. O principio de funcionamento
do OTEC ( Ocean Termal Energy Conversion)
é o mesmo de um refrigerador ou de ar condicionadores. Água
quente a aproximadamente 25 graus Celsius é bombeada em trocador
de calor para vaporizar amônia ou gás freon que ao expandir
põem em funcionamento turbinas. A fonte fria com cerca de 4 graus
Celsius obtida do oceano é bombeada para esfriar e condensar o vapor
em outro trocador de calor de forma contínua. Um grande avanço
foi feito com essa tecnologia e muitas usinas com 50 a 100 KW foram construídas
que podem beneficiar populações de pequenas ilhas no Oceano
Pacífico, a Ilha de Nauru no Equador por exemplo. Para maiores usinas
OTEC grandes instalações são necessárias ancoradas
a profundidades acima de 1000 m
e plataformas continentais de dimensões semelhantes as dos campos
de petróleo no mar. Fig 2.10 e 2.11
Essas plantas podem se tornar econômicas se o preço de
outras fontes de energia como o petróleo se tornarem muito dispendiosas.
2.5 DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA E MOVIMENTO DA ÁGUA OCEÂNICA
Secções e perfis verticais como aqueles mostrados nas Figs 2.6 e 2.7 representam médias de valores de temperatura calculada sobre períodos de meses ou anos. Conhecemos grande variação sazonal ocorre nas águas de superfície (Fig 2.8) e que podem haver mesmo pequenas flutuações com o tempo nas camadas profundas do oceano. É essencial levar em conta que enquanto o posicionamento das isotermas médias não mudam muito ao longo de escalas de décadas e a estrutura delas é mantida . Mesmo a escalas de décadas a estrutura é mantida dinamicamente. Qualquer porção de água pode viajar a uma distância equivalente a uma circunavegação global em poucos anos , mas a estrutura particular de temperatura permanece a mesma.. Essa distribuição é em parte devido a insolação direta. Igualmente importantes são os processos de advecção horizontal ( movimentos horizontais)do ar e das massas de água. Fig 2.12.
De forma similar e generalizada a Fig 2.13 mostra como a subsidência
da água fria e mais densa, nas regiões polares, conduz a
circulação no fundo dos oceanos. A água do mar está
em constante movimento. A temperatura ( e os valores salinos) de
qualquer local em particular , abaixo da camada de mistura de superfície,
varia muito pouco de ano a ano, mesmo que a água nesse local esteja
sendo constantemente renovada pelas correntes oceânicas.