Formação e evolução espaço-temporal da ressurgência de Cabo Frio

Arthur Eduardo Amaral Ramos

Formação e evolução espaço-temporal da ressurgência de Cabo Frio

Rio Grande - RS, Brasil Dezembro de 2011

Arthur Eduardo Amaral Ramos

Formação e evolução espaço-temporal da ressurgência de Cabo Frio Monografia apresentada para obtenção do Grau de Bacharel em Oceanologia pela Universidade Federal de Rio Grande.

Orientador:

Dr. Leandro Calado

I NSTITUTO DE O CEANOGRAFIA U NIVERSIDADE F EDERAL DE R IO G RANDE

Rio Grande - RS, Brasil Dezembro de 2011

Monografia de Projeto Final de Graduação sob o título “Formação e evolução espaçotemporal da ressurgência de Cabo Frio”, defendida por Arthur Eduardo Amaral Ramos e aprovada em Dezembro de 2011, em Vitria, Estado do Rio Grande do Sul, pela banca examinadora constituída pelos professores:

Dr. Leandro Calado Orientador

Prof. Dr. José Luiz Lima de Azevedo Avaliador

Dr. Leopoldo Rota de Oliveira Avaliador

Resumo

Dentre os processos de ressurgência que ocorrem ao longo da costa do Brasil, talvez o mais bem compreendido e estudado seja a ressurgência costeira de Cabo Frio. Esse processo se dá, normalmente, nos períodos de verão e primavera, sendo mais intenso no verão. Diversos estudos demonstraram que a presença do vento de quadrante nordeste durante essas estações do ano faz com que, pelo transporte de Ekman, uma parcela de água superficial se dirija em direção ao oceano aberto, causando o afloramento da ACAS, gerando um gradiente térmico de até 10◦ C entre a água costeira e a água de oceano aberto. Além disso, na região de Cabo Frio, alguns fatores, como a alteração brusca na direção da linha de costa e a pequena extensão da plataforma continental, contribuem para uma maior interação entre a região e feições de meso-escala, como meandros da Corrente do Brasil. Os mais recentes trabalhos têm investigado essa relação da ressurgência com feições meandrantes e têm estudado o alcance da ressurgência ao longo da costa do estado do Rio de Janeiro. No entanto, o presente trabalho busca investigar a formação e posterior distribuição da pluma de ressurgência na região que abrange a Ilha de Cabo Frio e o município de Arraial do Cabo, visando compreender qual a principal forçante na região e qual o ponto focal da ressurgência. Para tal objetivo, foi usado o modelo numérico ROMS para as simulações. Foi também utilizada a técnica do aninhamento, buscando-se uma maior resolução na área de estudo, a partir de uma simulação de menor resolução. Três experimentos foram conduzidos, sendo um deles com somente a maré como forçante, o outro somente o vento e um terceiro, tido como experimento controle, que utilizou essas duas forçantes na simulação. Os resultados mostraram que o vento é a forçante que predomina na região e que, no caso do fundo, a água ressurgida consegue entrar na enseada tanto pela canal norte quanto pelo canal sul de entrada na enseada, se tornando confinada pela batimetria. Nos arredores da Ilha de Cabo Frio e na região ao sul da ilha pôde-se notar a presença da ACAS. Já na superfície, a ação do vento impediu a entrada da ACAS no interior da enseada, fazendo com que a água ressurgida se aflorasse na região a sul da ilha para então seguir na direção sul.

Abstract

Among the upwelling processes at the brazilian coast, probably the most well known and well studied is the Cabo Frio upwelling system. Occurring at spring and summer, this process has been shown to be stronger during summer seasons and more frequent at spring seasons. During these seasons, the presence of a strong northeast wind acting at the Cabo Frio region causes the outcropping of the SACW, due the Ekman dynamic. The presence of the SACW at the coastal zone may cause a gradient of 10◦ C of temperature comparing to the offshore water. Besides the wind action, the Cabo Frio region presents some features that contributes to the upwelling event, such as the small extension of the continental shelf, the abrupt change in coastline direction and the interaction between the upwelling and the meso-scale system, such as the Brazil Current meanders. Although well studied in its path through the coast of Rio de Janeiro, only a few works have investigated the upwelling plume around the Cabo Frio Island and around the city of Arraial do Cabo. Because of this lack of information, the current work pretends to investigate the distribution and formation of the upwelling in this region. The ROMS model was chosen to simulate the dynamics of the upwelling plume. In this work is used the technique of nesting two grids, where a small resolution simulation is used to feed the high resolution simulation. Three experiments were conducted, being one with only the tide as a forcing, another one with only the wind and the third one, with both forcings acting. The results has shown that the wind is the most important component in the area and that in the bottom the SACW enters in the Cabo Frio Island bay through the north channel and in the south channel the cold water gets constrained by the bathymetry. The SACW could also be seen around the Cabo Frio Island, outside the bay. At the surface, the wind action prevented the entrance of the upwelled SACW in the island bay and followed its path to the south.

Agradecimentos

A parte mais difícil de uma monografia. Não há metodologia, não há resultados, não há explicações e somente sentimentos. Agradecer é retribuir, querer o bem, querer bem. Querer que aqueles que foram importantes recebam um pouco do que passei e que estejam tão felizes quanto estou nesse momento. Aos meus pais, obrigado. O clichê persiste: sem vocês nada disso seria possível. Nem o início da minha vida, nem as horas cuidando de mim, nem o apoio em minhas decisões e nem a saudade que por tanto tempo me manteve focado em estudar, trabalhar e me manter focado para realizar esse trabalho. Eu sabia que podia me manter concentrado na faculdade pois sabia que tinha vocês ao meu lado olhando por mim. À minha irmã Sofia devo todas as desculpas pelo irmão desnaturado que sou. Ficava semanas e até meses sem ligar, sem falar e sem saber de sua vida! Mas quando te ligava parecia que estávamos um do lado do outro. 5 anos sem brigas e com muita coisa boa acontecendo em nossas vidas. Você merece tudo do bom e do melhor. Obrigado por ter compartilhado suas experiências e ter me ensinado tudo o que sei sobre o mundo afora. Como já dizia nossos pais, fomos criados para o mundo e não para ficar em casa. Foi bom ter levado isso a sério e agora ver onde chegamos. A vida não se resume à família. Se escolhi sair de casa, tive amigos em quem me sustentar. Nos 5 anos de faculdade morei em pelo menos 6 lugares diferentes. Alguns por meses e alguns por tardes, mas que considero minha casa do mesmo jeito. Agradeço aos componentes das repúblicas “Quarta pata do Thor”, “Tia Toxa”, “Kinder Ovo”, “Virgens” e tantas outras. Cada lugar pelas ruas do Cassino ficaram marcadas tanto pelos momentos felizes quanto pelos momentos tristes. Mas sempre com os amigos, é claro. Aos Guerreiros, meu muito obrigado! Claro que grande parte de nossas lembran-

ças juntos não estávamos completamente sãos, mas sempre foi tudo muito engraçado. Só com vocês vivi viagens para o Uruguai, Dog Paulada, Larus, luaus na praia, bebedeiras, Franja Litorânea, termômetro com -1 grau, Choppadas e inúmeras aulas. Não consigo lembrar nenhum de nós que seja um aluno exemplar. Mas acho que não nos importamos muito com isso também. Não poderia esquecer das meninas de 2007! Dentre as meninas do Vilhena, as de pelotas e as outras da sala, apesar do pouco contato ao longos dos anos, vocês sempre estiveram lá! Ajudando nas aulas, pilhando de fazer churrasco, organizando festas e sempre animadas! Sempre soube que podia contar com vocês e agora, no quinto ano, nossa amizade é uma das melhores coisas que tive no Cassino. Desculpe ser tão abrangente, mas não quero esquecer de ninguém! Juro pra vocês que um dia se eu encontrar as fotos do churras da turma eu passo pra cada uma de vocês! Agradecimento especial aos que sempre estiveram do meu lado, Paquito, Xuxa, Bahia, Luti e Rob, Miltão e Pirula. Valeu feras. É isso aí, vamos lá, vamos lá. Jah bless! Deixo um agradecimento também ao pessoal dos outros anos, desde a turma de 2004 até os que entraram somente nesse ano. Sempre me ajudando com provas ou informações sobre o curso vocês foram importantes também! Gobel, Mano Jão, Chris, Piauí, Véio, Lari, Michele, Gábi, Tássia, Fadu, Aline, Catita, Gordinho, Yuri, Rodrigão, Bruninho, Collors, Gadu, Dunga, Rihel, Biro, Gustavão e todos os outros, valeu! Me sinto um privilegiado por ter dividido a faculdade com vocês! Há quase um ano atrás, acontecia um dos fatos mais marcantes para mim na faculdade. O acidente na estrada do Chuí graças a Deus não deixou nenhuma fatalidade. Não posso encontrar uma maneira de agradecer a vocês Bahia, Andrea, Rob e Gobel por estarem bem e por terem passado bem por tudo isso, apesar de alguns danos permanentes. Podem ter certeza que aquele acidente serviu de lição pra mim e não há um dia em que acorde sem pensar em vocês e agradecer por estarem bem. Juntamente com meus agradecimentos, peço também desculpas. Aprendi que o poder da vida por ir embora de uma hora pra outra e o quanto somos sensíveis ao mundo. Espero que vocês levem, assim como eu, um ensinamento para a vida e que esse acidente vire mais uma história da faculdade que vocês contarão para seus filhos e netos. Agradeço também ao meu orientador, Dr. Leandro Calado. Sem seu apoio, ideias, desenhos e rabiscos nos rascunhos, esse trabalho não poderia ser feito. A ilberdade que você me deu de estudar, ler artigos, escrever 90 páginas sobre vários assuntos, processos e fenômenos, foi extremamente válido para mim e para minha formação. Achei

finalmente a área na qual quero seguir dentre esse mundo que é a Oceanografia. Obrigada Boss! Agradeço ao IEAPM e toda equipe de Projetos Oceânicos. Sem vocês essas páginas estariam em branco! Não esquecendo também da FURG, que me deu toda infraestrutura necessária para me formar e conduzir esse trabalho, juntamente com tantos outros. Agradecimento especial à Ecoservice - Empresa Júnior de Consultoria Ambiental e Oceanografia, ao laboratório de Hidroquímica e ao CALO. Deixo esse final para agradecer a uma pessoa em especial. Durante 5 anos você foi em quem tive o meu porto seguro no Cassino. Todo meu jeito errado de gostar de você e meu jeito certo de fazer você feliz nos fizeram passar por coisas boas e ruins. Dessas, guardo as boas. Guardo as fotos, os recados, os e-mails, as palavras de apoio e as noites em claro conversando. Guardo cada sorriso, cada choro, cada presente, cada emoção e cada palavra de consolo. Guardo nossas viagens, nossas discussões sobre cultura inútil e nossas músicas. Obrigado Heloíse por ser a pessoa que você é para mim e por ser a pessoa mais importante para mim no Cassino e na minha vida universitária. E continuará assim pelo resto da minha vida. Confesso, nem tudo são flores, mas sou muito feliz por saber que posso olhar para trás e ver que valeu a pena ter conhecido alguém como você. Obrigado Helô. Boa leitura e obrigado por ler esse documento!

Sumário

1

p. 17

Introdução 1.1

As águas modais do Oceano Atlântico Sul . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 17

1.2

A Água Central do Atlântico Sul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 21

1.3

A Atuação da ACAS na Costa do Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 26

1.4

A Ressurgência de Cabo Frio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 30

2

Objetivos

p. 45

3

Metodologia

p. 46

3.1

O Modelo Numérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 46 3.1.1

3.2

3.3

A configuração do modelo numérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 50 3.2.1

A grade numérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 51

3.2.2

Condições de contorno e condições iniciais . . . . . . . . . . . . p. 52

3.2.3

Os experimentos realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 52

Séries Temporais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 53 3.3.1

3.4 4

As forçantes do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 48

Análises estatísticas usadas nas séries temporais . . . . . . . . . p. 54

Diagramas Hovmoller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 54

Resultados e Discussão

p. 56

4.1

Análise das séries temporais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 56

4.2

Análise dos diagramas Hovmoller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 66

4.3

O ponto focal da ressurgência de Cabo Frio . . . . . . . . . . . . . . . . p. 77

5

Conclusão

p. 81

6

Recomendações para trabalhos futuros

p. 83

Referências Bibliográficas

p. 84

Lista de Figuras

1.1

Representação da distribuição das águas modais em todos os oceanos (região sombreada do mapa). Fonte: McCartney (1982) . . . . . . . . . p. 19

1.2

Representação esquemática de larga-escala das correntes geostróficas (entre 100 e 500 m de profundidade). A região sombreada representa a região de formaão da ACAS. Fonte: Stramma & England (1999) . . . p. 21

1.3

Modelo de formação de águas centrais proposto por Stommel. Fonte: Stommel (1979) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 22

1.4

Diagrama T-S que mostra a Água Central do Atlântico Sul. Fonte: Silveira et al. (2000) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 23

1.5

Representação da retroflexão da Corrente das Agulhas e sua contribuição para o Oceano Atlântico Sul. Fonte: Biastoch et al. (2008) . . . . p. 24

1.6

Representação da distribuição das massas d’água na região do Equador. Nota-se, a 15◦ N, a presença da Zona Frontal de Cabo Verde (representada na figura pela sigla CVFZ), que separa a ACAS da ACAN. Fonte: Stramma & Schott (1999) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 25

1.7

Representação esquemática das feições oceanográficas da plataforma de Santa Catarina para os meses de janeiro e fevereiro.As legendas ACAS e Rc representam Água Central do Atlântico Sul e Ressurgência costeira, respectivamente. Fonte: Pereira et al. (2009)

1.8

. . . . . . . . . . p. 27

Representação esquemática da ressurgência de quebra de plataforma. Nesse caso a ressurgência é causada por um meandramento ciclônico da Corrente do Brasil. A água da ressurgência é transportada pela frente do ciclone em direção à costa. Fonte: Campos et al. (2000) . . . . p. 28

1.9

Representação esquemática do processo de ressurgência costeira que ocorre na região do Cabo de São Tomé em decorrência da interação entre a água superficial da plataforma com o vórtice da Corrente do Brasil. O crescimento de um vórtice da CB pode atuar retirando água superficial da região da plataforma, causando a intrusão da água de maiores profundidades na parte mais interna da plataforma, nesse caso da ACAS. Na figura a região cinza escura representa a água ressurgida. Fonte: Calado et al. (2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 29

1.10 Representação da região chamada de “South Brazil Bight” compreendida entre o Cabo Frio e o Cabo de Santa Marta. Fonte: Castelao et al. (2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31 1.11 Imagem do sensor AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) mostrando a ressurgência costeira em Cabo Frio. A região azul está associada com a água costeira ressurgida, enquanto que a região vermelha está associada à presença da Corrente do Brasil, mais quente. Fonte: Carriere et al. (2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 33 1.12 Representação esquemática dos fenômenos de ressurgência e subsidência no Hemisfério sul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 33 1.13 Série temporal com valores médios de temperatura entre 1971 e 1980. Nota-se no verão e na primavera menores temperaturas associadas ao fenômeno da ressurgência. Fonte: Tanaka (1986) . . . . . . . . . . . . . p. 34 1.14 O gráfico superior mostra a direção do vento, enquanto que o inferior o valor da TSM (◦ C). A linha verde representa a isoterma de 18◦ C. Fonte: Silva et al. (2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 35 1.15 Interação entre a água ressurgida e o vórtice da Corrente do Brasil. Fonte: Calado et al. (2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 36 1.16 Gradiente horizontal de temperatura num vórtice da CB que interage com a porção ressurgida da ACAS. Fonte: Calado et al. (2006) . . . . . p. 37 1.17 Experimento que mostra a atuação da ACAS num período de inverno, com ventos sudoeste e com a presença de um vórtice da CB. A linha mais grossa separa o gradiente entre a AT e a ACAS. Fonte: Castelao et al. (2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 38

1.18 Modelo digital do fundo marinho da região de Arraial do Cabo. Fonte: Simões (2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 39 1.19 Modelo de sedimentação para um período de atuação de ventos nordeste e ressurgência. Fonte: Simões (2007). . . . . . . . . . . . . . . . . p. 40 1.20 Modelo de sedimentação para um período de atuação de ventos sudeste e subsidência. Fonte: Simões (2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 41 1.21 Região que compreende a Ilha de Cabo Frio e a enseada da ilha. Fonte: Google Earth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 42 1.22 Representação da Reserva Extrativista de Arraial do Cabo. . . . . . . . p. 43 1.23 Áreas de maior vulnerabilidade na região da Enseada da Ilha de Cabo Frio. Fonte: Melo et al. (2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 43 3.1

Célula de uma grade Arakawa-C, mostrando os pontos onde são calculados cada variável do modelo. Fonte: (HAIDVOGEL et al., 2008). . p. 47

3.2

Representação das duas grades aninhadas, com representação da TSM para o dia 21/01/2001. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 51

3.3

Representação do domínio da grade usada e da batimetria usada. . . . p. 52

3.4

Representação dos pontos usados para as séries temporais de temperatura. Fonte: Google Earth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 53

3.5

Representação das seções em que foram feitos diagramas Hovmoller. Fonte: Google Earth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 55

4.1

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Boqueirão” para o fundo. . . . . . . . . . . . . . p. 58

4.2

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Cabeça” para o fundo. . . . . . . . . . . . . . . . p. 59

4.3

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Fundo” para o fundo. . . . . . . . . . . . . . . . p. 59

4.4

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Ilha” para o fundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 60

4.5

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Leste” para o fundo. . . . . . . . . . . . . . . . . p. 60

4.6

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Norte” para o fundo. . . . . . . . . . . . . . . . . p. 61

4.7

Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Norte da Ilha” para o fundo. . . . . . . . . . . . p. 61

4.8

Representação dos valores de temperatura e de direção da corrente para o décimo quinto dia do mês de jan/2001. Representação para o experimento que usou como forçante somente a maré. . . . . . . . . . . p. 64

4.9

O mesmo que a figura anterior mas para o experimento que teve como foçante somente o vento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 65

4.10 O mesmo que a figura anterior mas para o experimento que teve como forçantes o vento e a maré. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 65 4.11 As seções em amarelo representam as que primeira serão discutidas. Esses perfis representam os caminhos entre os pontos “Ilha” e “Norte da Ilha”, entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte” e entre os pontos “Norte” e "Anjos“. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 66 4.12 Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Norte da Ilha”. Ao centro tem-se o diagrama entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte”. A direita tem-se o diagrama entre os pontos “Norte” e “Anjos”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 67 4.13 Representação de 4 horas do perfil de fundo de temperatura com corrente para o dia 22/jan2001. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 68 4.14 Representação de perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para 5 pontos. Figuras para o experimento que teve como forçante o vento e a maré. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 70 4.15 Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Norte da Ilha”. Ao centro tem-se o diagrama entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte”. A direita tem-se o diagrama entre os pontos “Norte” e “Anjos”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 71

4.16 Representação de perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para 4 pontos. Figuras para o experimento que teve como forçante o vento e a maré. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 72 4.17 As seções em amarelo representam os perfis entre os pontos “Ilha” e “Ponta da Cabeça”, na entrada do Canal do Boqueirão e entre os pontos “Enseada” e "Porcos“. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 73 4.18 Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Ponta da Cabeça”. Ao centro tem-se o diagrama da entrada pelo ponto “Boqueirão”. À direita tem-se o diagrama entre os pontos “Enseada” e “Porcos”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 74 4.19 Representação de perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para 5 pontos. Figuras para o experimento que teve como forçante o vento e a maré. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 75 4.20 Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Ponta da Cabeça”. Ao centro tem-se o diagrama da entrada pelo ponto “Boqueirão”. À direita tem-se o diagrama entre os pontos “Enseada” e “Porcos”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 76 4.21 Perfis horizontais de temperaura e corrente entre os dias 6/jan/2011 às 16:00h e 9/jan/2001 às 01:00h. As figuras são representadas com intervalo de 3 horas entre cada uma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 78 4.22 Representação esquemática da circulação na região da Ilha de Cabo Frio e no município de Arraial do Cabo, para o fundo e para a superfície, no caso de um dia em que a ressurgência apresenta grande robustez, tendo alcançado a superfície. As setas pretas indicam a direção da corrente, o símbolo vermelho o ponto focal da ressurgência e os números a profundidade a partir da aqual a ACAS é encontrada naquele ponto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 80

Lista de Tabelas

4.1

Coeficiente de Correlação entre as séries da simulação de vento e da simulação de maré em comparação com a simulação de vento com maré. Legenda: f = fundo e s = superfície. . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 57

4.2

Tabela com os valores mínimos de temperatura para cada ponto escolhido dos três experimentos. Legenda: f = fundo e s = superfície. . . . . p. 63

“And if the oceanographers are permitted in the future the freedom to follow their own noses, to scent out their own problems, and to formulate their own goals, this flow of new results will be doubtless continued.” Henry Stommel - Why are we oceanographers?

17

Cap´ıtulo

1

Introdução No estudo da circulação dos oceanos pela oceanografia física, muitas vezes os fenômenos devem ser divididos de acordo com suas escalas espacias e temporais, facilitando assim o entendimento de cada processo isoladamente e, consequentemente, da circulação como um todo. Nesse contexto, no estudo da costa brasileira, há a necessidade de se considerar fenômenos de meso-escala (presença de vórtices) e sua interação com fenômenos de menor escala (ressurgência, deságue de rios) para se melhor entender essa região, que apresenta um grande dinamismo. Esses fenômenos de meso-escala, por sua vez, são influenciados pela circulação oceância de grande escala, o que faz com que qualquer pequena variação no âmbito de grande escala, influencie os fenômenos costeiros. Tendo como enfoque a formação e a evolução da ressurgência costeira de Cabo Frio, o presente trabalho pretende também apresentar uma revisão bibliográfica sobre a formação, evolução e trajetória da Água Central do Atlântico Sul (ACAS) ao largo da costa do Brasil, com o objetivo de retratar a interação entre as diferentes escalas presentes no estudo dos oceanos. Inicialmente será abordada a formação das águas modais, seu papel na contribuição para a formação da ACAS, a evolução da ACAS, sua atuação na costa do Brasil e, finalmente, o fenômeno da ressurgência de Cabo Frio.

1.1

As águas modais do Oceano Atlântico Sul As águas modais são águas caracterizadas por uma camada verticalmente ho-

mogênea e que ocupam uma área geográfica relativamente grande. Sua ocorrência se dá, geralmente, no topo da região da picnoclina, onde se pode observar um forte con-

1.1 As águas modais do Oceano Atlântico Sul

18

traste com as águas dessa camada (HANAWA; TALLEY, 2001). Águas modais podem ser identificadas como termostatas ou picnostatas em seções verticais de temperatura e salinidade (T-S), respectivamente, como mínimos de vorticidade potencial na coluna d’água, ou ainda como máximos de volume em diagramas T-S volumétricos. McCartney (1982) afirma que a presença dessas águas modais é caracterizada por mínimos gradientes verticais, onde as propriedades mais usadas como traçadores para esse tipo de água são a anomalia de temperatura e de densidade potencial presentes em seu perfil vertical. Esse mesmo autor atribui a homogeneidade dessas águas ao processo de convecção que ocorre durante o inverno em regiões de alta latitude. Como esse processo de convecção se dá apenas numa pequena porção da região onde essas águas são encontradas, a advecção lateral é a responsável por carregar essa massa d’água de sua região de formação. Esse tipo de água é encontrada em todos os oceanos, como mostra a figura 1.1. As águas modais apresentam importância fundamental para estudos climáticos, pois refletem as variações das forçantes atmosféricas durante a sua formação e possibilitam a investigação das variabilidades atmosféricas interanuais. No Atlântico Norte, os três maiores volumes em T-S volumétricos são: Água Modal Subtropical do Atlântico Norte, também conhecida como Água de Dezoito Graus (18◦ C) (MCCARTNEY, 1982); Água Modal Madeira e a Água Modal Subpolar, cuja variedade mais densa é a Água do Mar de Labrador (MCCARTNEY, 1982). No Pacífico Norte são encontradas a Água Modal Subtropical do Pacífico Norte, a Água Modal Central do Pacífico Norte e a Água Modal Subtropical do Leste do Pacífico Norte (HOSODA et al., 2001). Para o Pacífico Sul, foram identificadas duas águas modais: a Água Modal do Pacífico Sul e a Água Modal do Leste do Pacífico Sul (HANAWA; TALLEY, 2001). No Oceano Índico, encontra-se a Água Modal Subtropical do Oceano Índico e a Água Modal Subantártica do Sudoeste do Índico (HANAWA; TALLEY, 2001).

1.1 As águas modais do Oceano Atlântico Sul

19

Figura 1.1: Representação da distribuição das águas modais em todos os oceanos (região sombreada do mapa). Fonte: McCartney (1982) Maamaatuaiahutapu et al. (1999) discutiram em seu trabalho a origem das águas modais no Atlântico Sul. Neste oceano, a circulação superficial da Confluência BrasilMalvinas, na latitude 38◦ S e na quebra de plataforma, é caracterizada pelo encontro entre a quente e salina Água Central do Atlântico Sul (ACAS), carregada pela Corrente do Brasil (CB) seguindo em direção ao pólo sul, com a fria e menos salina Água Subantártica Superficial (ASS), carregada para norte pela Corrente das Malvinas (CM), como mostra a figura 1.2 (STRAMMA; ENGLAND, 1999). Após encontrar a Corrente do Brasil, a Corrente das Malvinas segue para o sul na latitude 38◦ S. No entanto, a CB continua seu trajeto para o sul antes de sofrer retroflexão, mudando seu rumo para norte e resultando em meandramento. A junção entre a água quente seguindo em direção ao sul, juntamente com as condições climáticas da região, favorecem a formação, por convecção, da Água Modal Subtropical (AMST), enquanto que o fluxo da CM que segue para norte transporta a Água Modal Subantártica (AMS) em direção à região da CBM. McCartney (1982) foi quem primeiro identificou as AMSs. O autor faz uma distinção entre dois tipos de AMS: uma mais “pesada” com densidade de superfície 27,1 σ θ e outra mais “leve”, com densidade de superfície em 26,5 σ θ . A variação mais pesada é formada principalmente na região subantártica e a variação mais leve no giro subtropical (PROVOST et al., 1999). A AMS é formada na Zona Subantártica localizada a norte da Passagem de Drake e é advectada para norte ao longo do talude continental pela Corrente das Malvinas como parte da ASS. A AMS é considerada a percursora da Água Intermediária Antártica (AIA) no oceano Atântico Sul. Como ín-

1.1 As águas modais do Oceano Atlântico Sul

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dices de densidade, temos um intervalo de 27,0 σ θ a 27,15 σ θ . Também conhecida como uma porção mais leve da AIA, essa massa pode ser detectada pela sua elevada concentraçaõ de oxigênio dissolvido (cerca de 6ml/L) (MCCARTNEY, 1982). Assim, o espalhamento da AMS no Atlântico Sul está diretamente ligado à circulação da AIA. Ao sul da região da CBM, a AMS segue o caminho da Corrente das Malvinas (PIOLA; GORDON, 1989). Já a norte da região da confluência, a AIA flui juntamente ao Giro Subtropical (REID, 1989). No caso das Águas Modais Subtropicais (AMST), em decorrência da variedade de regiões de formação, a nomenclatura proposta por Provost et al. (1999) será a usada nesse trabalho, na qual é classificada como AMST águas com densidade abaixo de 27,0 σ θ e AMS com densidade acima de 27,0 σ θ . A AMST é encontrada a norte da Frente Subtropical, ou a norte da extensão sul do alcance da CB. Provost et al. (1999) descreveram as caraterísticas, a extensão, a espessura e a região de formação das AMSTs no Atlântico Sul. Para os autores, na região da CBM, três variedades de AMST são encontradas. A classificação de AMST1, AMST2 e AMST3 representa a ordem de menor densidade para maior densidade, lembrando que todas apresentam valores de densidade abaixo de 27,0 σ θ . A mais leve (AMST1) é encontrada entre 30◦ S e 35◦ S, onde é advectada na direção sul na região da CBM. Essa massa apresenta densidade de 26,24 σ θ , temperatura variando entre 17◦ C e 18◦ C e salinidade maior que 36. Já a segunda (AMST2) é encontrada na região com densidade de 26,46 σ θ , temperaturas variando entre 14◦ C e 16◦ C e salinidade variando entre 35,5 e 35,9. Essa massa é a mais comumente encontrada na região da CBM e é ativa na ventilação da termoclina em decorrênca da camada convectada poder atingir profundidades de até 400m (GORDON, 1981; PROVOST et al., 1999). A terceira e mais pesada AMST, segundo a classificação de Provost et al. (1999), é a AMST3, observada em superfícies com densidade 26,7 σ θ , com temperaturas variando entre 12◦ C e 14◦ C e salinidades menores que 35,5. Essa água modal é encontrada comumente no interior da Bacia Argentina e é tida como uma mistura entre a ACAS e a ASS. Sprintall & Tomczak (1993), em seu trabalho sobre a formação de Águas Centrais no hemisfério sul, observaram que as regiões de formação de Águas Centrais subtropicais se assemelha à região de formação das Águas Modais Subtropicais, como já havia sido proposto por McCartney (1982). Os autores afirmam ainda que essa semelhança era de se esperar, já que as Águas Modais contribuem significativamente para o volume das Águas Centrais. Nesse contexto, a seção seguinte desse trabalho foca na formação

1.2 A Água Central do Atlântico Sul

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da Água Central do Atlântico sul, levando em consideração suas características, seus índices termohalinos e sua distribuição até chegar na costa do Brasil.

Figura 1.2: Representação esquemática de larga-escala das correntes geostróficas (entre 100 e 500 m de profundidade). A região sombreada representa a região de formaão da ACAS. Fonte: Stramma & England (1999)

1.2

A Água Central do Atlântico Sul A Corrente do Brasil é a corrente de contorno oeste associada ao Giro Subtro-

pical do Atlântico Sul. Origina-se ao sul de 10◦ S, na região onde o ramo mais ao sul da Corrente Sul Equatorial (CSE) se bifurca formando também a Corrente Norte do Brasil (CNB) (SILVEIRA et al., 2000). A CB flui então para a direção sul, carregando a ACAS na região da picnoclina, até que perto dos 38◦ S, se separa do talude continental na medida que se encontra com a Corrente das Malvinas, vinda do sul. Esse encontro gera uma forte zona de mistura entre a água subtropical e a água subantártica. Deacon (1937) chamou essa região de Convergência Subtropical (CS), enquanto que McCartney (1979) se referiu a essa zona como o início da Frente Circumpolar Subantártica. Essas duas correntes seguem na direção offshore após o encontro, com a CB forçando um movimento, em direção ao pólo, de uma água mais quente. Após atingir a latitude de 40◦ S, a CB executa um giro anticiclônico e segue para norte, estabelecendo um meandro quase-estacionário da ACAS. Autores como Silveira et al. (2000) e Sprintall & Tomczak (1993) citam a região da CS como sendo a região de formação da ACAS. Mas-

1.2 A Água Central do Atlântico Sul

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sas de água que sofrem subducção na termoclina são comumentes conhecidas como Águas Centrais. Montgomery (1938) e Iselin (1939) observaram que as características T-S de um transecto norte-sul, na superfície da Zona de Convergência Subtropical (ZCS), são muito semelhantes a um perfil vertical das Águas Centrais nos trópicos. Essas descobertas levaram a um esquema clássico de formação de Águas Centrais por subducção da massa d’água por meio do bombeamento de Ekman na ZCS, e uma posterior advecção ao longo da superfície isopicnal, como pode ser visto na figura 1.3. Nesse caso, a água mais fria e menos salgada afunda em altas latitudes, enquanto que as massas d’água de maior salinidade afundam em menores latitudes, se dirigindo em direção ao Equador sobre as águas frias. Porém, esse modelo simplificado em duas dimensões não permitia que as Águas Centrais recém formadas pudessem ser rastreadas ao longo de seu trajeto no Giro Subtropical. O primeiro modelo tri-dimensional de recirculação de Águas Centrais foi formulado quarenta anos depois do proposto por Iselin (1939). Stommel (1979) combinou o princípio de subducção com a dinâmica de Sverdrup para encontrar uma relação entre as características T-S da termoclina do Atlântico Norte com condições de inverno do bombeamento de Ekman em altas latitudes. Esse modelo, juntamente com as condições climáticas da região, explicam a formação da ACAS, por afundamento, na região da ZCS (GORDON, 1981).

Figura 1.3: Modelo de formação de águas centrais proposto por Stommel. Fonte: Stommel (1979) A ACAS é caracterizada por uma disposição quase linear de pares de temperatura e salinidade no diagrama T-S, tendo como índices termohalinos limites os pares (6,0◦ C; 34,5) e (18,0◦ C; 36,0) (SVERDRUP et al., 1942). Numa publicação mais recente, Memery et al. (2000) define os pares da ACAS como (5,0◦ C; 34,3) e (18,0◦ C; 35,8), como mos-

1.2 A Água Central do Atlântico Sul

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tra o diagrama T-S da figura 1.4. Essa massa foi identificada por Emery & Meincke (1986) como a única contribuinte para a termoclina do Atlântico Sul. De acordo com Silveira et al. (2000), após sua formação na região da CBM, ela entra como parte do Giro Subtropical, com espalhamento ao longo da superfície de densidade adequada a seu ajustamento hidrostático. Ela segue então com a Corrente do Atlântico Sul (CAS) até as proximidades do continente Africano.

Figura 1.4: Diagrama T-S que mostra a Água Central do Atlântico Sul. Fonte: Silveira et al. (2000) As características termohalinas da ACAS são iguais às características da Água Central Indiana (ACI), que apresenta como índices termohalinos os pares (8,0◦ C; 34,6) e (25,03◦ C; 35,8). Isso reflete o histórico comum de formação de águas centrais no hemisfério Sul, as quais sofrem subducção na ZCS. De acordo com Sprintall & Tomczak (1993) e Tomczak & Godfrey (1994), parte da ACAS recebe grande contribuição da ACI, que é transportada para o Oceano Atlântico através da retroflexão da Corrente das Agulhas e seus meandramentos, como visto na figura 1.5. Esse montante de água vindo do Índico contriubui significamente para o volume de água da ACAS. Embora a ZCS seja bem definida e contínua ao longo do Oceano Atlântico Sul, uma comparação detalhada entre o perfil T-S dessa zona com o perfil T-S da ACAS mostra que as propriedades da ACAS nos trópicos se assemelham às propriedades da ZCS a oeste do Oceano Índico, o que reforça a ideia de um grande aporte da ACI na formação da ACAS (TOMCZAK; GODFREY, 1994). A porção da ACAS formada pelo aporte do Oceano Índico sofre subducção no

1.2 A Água Central do Atlântico Sul

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Figura 1.5: Representação da retroflexão da Corrente das Agulhas e sua contribuição para o Oceano Atlântico Sul. Fonte: Biastoch et al. (2008) Atlântico e entra no giro subtropical do Atlântico Sul. Porém, para atingir essa zona de subducção, grande parte dessa nova porção da ACAS deve atravessar uma região onde a ação do vento é mínima, localizada a 30◦ S, e onde o transporte de Ekman muda de direção para sul. Assim, para vencer a resistência do transporte de Ekman, um fluxo forte é necessário para transportar essa massa em direção ao norte. Esse fluxo é disponibilizado pela Corrente de Benguela, que advecta água da Corrente do Atlântico Sul (DONNERS et al., 2004), proporcionando o fluxo para norte em direção ao Equador. Ao seguir para o norte, a ACAS é transportada pela Corrente Sul Equatorial (CSE) na direção oeste. Ao atingir a costa da América do Sul, a ACAS se bifurca e uma parte segue para sul, atuando na costa brasileira e a outra parte segue para norte. O ponto de birfucação é ainda indefinido, mas Silveira et al. (2000) sugere que, abaixo de paralelo 22◦ S, o caminho da ACAS já é no sentido sul. Mais recentemente, Rodrigues et al. (2007) encontraram o ponto de bifurcação da camada da ACAS (100-500 m) como sendo em 20 ◦ S. Sverdrup et al. (1942) havia notado uma grande quantidade da ACAS e de Águas Intermediárias que atravessam o Equador e chegam até o Oceano Atlântico Norte, onde essa massa vinda do sul pode influenciar as massas d’água presentes no Mar do Caribe e no Golfo do México. Stramma & Schott (1999) mostram que as massas responsáveis por transportar parte da ACAS em direção ao Equador são a Corrente Norte do Brasil e Sub-corrente Norte do Brasil. Esses mesmos autores afirmam que a ACAS

1.2 A Água Central do Atlântico Sul

25

se torna um pouco mais salina ao norte do Equador. A transição entre a ACAS e a Água Central do Atlântico Norte (ACAN) é caracterizada por uma frente ao longo dos 15◦ N, que se estende desde abaixo da camada de mistura até o fundo da termoclina. Essa frente foi denominada Zona Frontal de Cabo Verde (SIEDLER; ONKEN, 1996) (figura 1.6). Lozier et al. (1995) afirmaram que essa frente se estende ao longo de todo Oceano Atlântico, desde o Mar do Caribe, por volta dos 15◦ N, e alcança sua maior orientação meridional na sua porção leste, a 30◦ O, perto da costa africana. De acordo com Tomczak & Godfrey (1994) a ACAS penetra em direção a norte por baixo da ACAN, o que ocasiona um fluxo de sul para norte ao longo da frente. Com a ACAS e a ACAN ocupando a mesma extensão, a Zona Frontal de Cabo Verde apresenta sua densidade compensada, ou seja, o efeito de mudanças na temperatura ao longo da frente é compensado pelas mudanças na salinidade da frente e, por isso, a frente não é notada no campo de densidade.

Figura 1.6: Representação da distribuição das massas d’água na região do Equador. Nota-se, a 15◦ N, a presença da Zona Frontal de Cabo Verde (representada na figura pela sigla CVFZ), que separa a ACAS da ACAN. Fonte: Stramma & Schott (1999)

1.3 A Atuação da ACAS na Costa do Brasil

26

Em decorrência dessa compensação, porções de água de ambos os lados podem facilmente se mover através da frente, respeitando sua superfície isopicnal. Na medida que caminha para oeste, a frente perde sua identidade e a mistura entre a ACAS e a ACAN, carregadas pela Corrente Norte Equatorial (CNE), quebra a estratificação horizontal. Eventualmente, essa mistura segue para norte carregada pelas Correntes da Guiana e Corrente das Antilhas para completar a rota da ACAS, que se iniciou nos meandramentos da Corrente das Agulhas, e chega até a região de formação da Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) (TOMCZAK; GODFREY, 1994). A ACAS, como já dito anteriormente, ao chegar na costa do Brasil, se bifurca, seguindo para norte com a CNB e fluindo para sul abaixo da CB (SILVEIRA et al., 2000). A próxima seção trata da atuação dessa Água Central ao longo da costa brasileira e relaciona essa atuação aos fenômenos presentes no litoral brasileiro.

1.3

A Atuação da ACAS na Costa do Brasil A margem continental sudeste do Brasil se estende desde os 20◦ S até os 28◦ S. O

lado externo à plataforma é ocupado pela CB nos seus primeiros 500 m de profundidade. A CB do Brasil carrega a Água Tropical na superfície e a ACAS (entre 200 m e 500 m) fluindo na região da picnoclina em direção ao pólo Sul (STRAMMA; ENGLAND, 1999). Esse trajeto da ACAS ao longo da costa Brasileira faz com que ela influencie diretamente alguns processos costeiros e algumas regiões da costa sul e sudeste, como as regiãos do Cabo de Santa Marta (CSM) em Santa Catarina, região do Canal de São Sebastião (CSS) em São Paulo e nas regiões do Cabo de São Tomé (CST) Cabo Frio, ambos no Rio de Janeiro. Pereira et al. (2009), em seu trabalho sobre a caracterização de feições oceanográficas de pequena e mesoescala na plataforma de Santa Catarina (SC), pôde observar a região de atuação da ACAS mais ao sul do Brasil (figura 1.7). Nessa região temos a ressurgência costeira no CSM, que ocorre principalmente na primavera e no verão, quando a predominância de ventos de nordeste facilita a intrusão da ACAS na plataforma continental (ACHA et al., 2004). A presença da ACAS em subsuperfície na plataforma catarinense já foi reportada para regiões mais ao norte, onde a plataforma é mais extensa. Na região de Santa Marta a plataforma estreita-se, e juntamente com o efeito da atuação do vento, possibilita presença a da ressurgência e sua consequente observação através de sensores remotos. Esta massa de água fria forma uma pluma

1.3 A Atuação da ACAS na Costa do Brasil

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que chega até a porção norte da Ilha de Santa Catarina.

Figura 1.7: Representação esquemática das feições oceanográficas da plataforma de Santa Catarina para os meses de janeiro e fevereiro.As legendas ACAS e Rc representam Água Central do Atlântico Sul e Ressurgência costeira, respectivamente. Fonte: Pereira et al. (2009) No caso da região sudeste do Brasil, Silva et al. (2005) e Castro & Miranda (1998) estudaram a presença da ACAS no CSS. Os autores detectaram a presença dessa massa de água no fundo do CSS em fevereiro e novembro, com a atuação de ventos nordeste na costa. Foi encontrada também uma maior evidêcia da ACAS no inverno quando comparado ao período de outono. Isso ocorre pela ação dos ventos nordeste em agosto, ainda que sejam menos intensos que os ventos de fevereiro. Os estudos mostraram que a ACAS entra pelo fundo do canal na parte sul. Essa entrada se dá pela força do gradiente de pressão com contribuição dos gradientes de densidade. Essa situação se mostrou mais intensa no verão do que no inverno, e mais intensa no sul que no norte do canal. A circulação do canal no verão foi caracterizada como correntes superficiais na direção sudoeste e correntes de fundo em direção nordeste com máximo de estratificação no verão, um enfraquecimento em outono, e decorrente intensificação na primavera e verão. No inverno, a estrutura termal do canal se mostra homogênea. Essa distribuição se mostrou diretamente associada à penetração da ACAS no canal, com máxima no verão, ausente no outono e atuante na primavera e verão. Ainda na região sudeste, o trabalho de Campos et al. (2000) descreve o processo de ressurgência relacionado à quebra da plataforma na região de Santos (SP), entre as latitudes de 25◦ S e 28◦ S. Segundo os autores, perfis de temperatura e salinidade coletados durante o verão e inverno confirmam a ideia de que a ACAS pode chegar até a região interna da plataforma, vinda da região do talude, em decorrência dos meandramentos da CB na quebra da plataforma, como pode ser visto o esquema na

1.3 A Atuação da ACAS na Costa do Brasil

28

figura 1.8. De acordo com o estudo, entre a fronteira oeste da CB e o talude continental temos a presença de um vórtice ciclônico que carrega água fria que foi ressurgida. A água desse vórtice está em constante troca em decorrência do processo de divergência que ocorre na região frontal do vórtice (leading edge), que segue para o sul. Na medida que a frente do vórtice segue para sul, a água ressurgida é advectada em direção à costa. Já na parte de trás do vórtice ocorre o contrário. Como a água que é advectada de volta da região costeira não é necessariamente a água trazida pela frente do vórtice, esse mecanismo resulta numa deposição de água ressurgida na plataforma.

Figura 1.8: Representação esquemática da ressurgência de quebra de plataforma. Nesse caso a ressurgência é causada por um meandramento ciclônico da Corrente do Brasil. A água da ressurgência é transportada pela frente do ciclone em direção à costa. Fonte: Campos et al. (2000) Segundo Lee & Pietrafesa (1987), existem três fatores que contribuem para a formação de uma ressurgência costeira madura, ou seja, quando a água central atinge a plataforma continental interna. Os fatores são: o vento, a posição da frente da corrente de contorno na plataforma externa e a presença de meandros. O trabalho de Calado et al. (2010) abordou a ressurgência costeira na região do Cabo de São Tomé, que é o ponto mais a norte da atuação da ACAS na costa do Brasil, e que primeiro é influenciado por essa massa após sua bifurcação. O objetivo do trabalho foi investigar se o segundo e terceiro parâmetros sugeridos por Lee & Pietrafesa (1987) poderiam gerar um evento de ressurgência mesmo sem a atuação do vento. Para isso, foi analisado o papel de um ciclone frontal da Corrente do Brasil, que é quase-estacionário e instável, em promover divergência suficiente na região da costa para causar o afloramento da

1.3 A Atuação da ACAS na Costa do Brasil

29

ACAS na superfície (figura 1.9). Segundo esse esquema, o crescimento de um vórtice da CB pode atuar retirando água superficial da região da plataforma, causando a intrusão da água de maiores profundidades na parte mais interna da plataforma, nesse caso da ACAS. O evento de ressurgência pode ser visto na figura 1.9. Apesar da proximidade entre a região do Cabo de São Tomé e a região de Cabo Frio, os processos responsáveis pela ressurgência costeira em Cabo Frio apresentam algumas diferenças, as quais serão tratadas e discutidas na próxima seção.

Figura 1.9: Representação esquemática do processo de ressurgência costeira que ocorre na região do Cabo de São Tomé em decorrência da interação entre a água superficial da plataforma com o vórtice da Corrente do Brasil. O crescimento de um vórtice da CB pode atuar retirando água superficial da região da plataforma, causando a intrusão da água de maiores profundidades na parte mais interna da plataforma, nesse caso da ACAS. Na figura a região cinza escura representa a água ressurgida. Fonte: Calado et al. (2010)

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

1.4

30

A Ressurgência de Cabo Frio A ressurgência costeira, fenômeno caracterizado pela ascenção de águas de mai-

ores profundidades para regiões de plataforma, de menor profundidade, tem sido um fenômeno muito estudado em decorrência de sua importância física e biológica. Sendo mais comum em costas oestes do continente e leste dos oceanos como, por exemplo, a ressurgência do noroeste Africano (SZEKIELDA, 1972), do Peru (SMITH et al., 1971), da costa da California (HUYER, 1983) e do Oregon (SMITH, 1974), esse fenômeno sofre influência do padrão de ventos local, da topografia de fundo, da orientação da linha de costa e ainda de feições de meso-escala, como vórtices e meandros. Todos esses fatores atuam em conjunto para o amadurecimento da ressurgência, ou seja, quando a água ressurgida aflora em grande quantidade na superfície de regiões costeiras. No caso da costa brasileira, eventos de ressurgência ocorrem em diversos pontos como no Cabo de São Tomé, Cabo de Santa Marta Grande, além de eventos de quebra de plataforma, como já tratado anteriormente na seção 1.3. No entanto, a ressurgência costeira mais estudada e bem compreendida, para a costa brasileira, é a ressurgência costeira de Cabo Frio (CF), Rio de Janeiro (RJ). Os primeiros estudos sobre o tema são da década de 50, com o estudo de Allard (1955), que foi quem relatou as menores temperaturas na região de CF. Matsuura (1998) analisou também o fenômeno do afloramento de águas mais frias na Plataforma Continental da região sudeste-sul do Brasil. Seu trabalho foi um dos primeiros a relatar o enriquecimento de nutrientes na região, ao estudar as áreas de desova da sardinhaverdadeira (Sardinella Brasiliensis) entre os anos de 1976 e 1993. O autor observou, entre os cinco primeiros cruzeiros oceanográficos ao longo da costa sudeste do Braisl (1976 a 1980), a presença de águas ressurgidas desde Cabo Frio até a região da Ilha Grande, mais a sul do RJ. Já no cruzeiro de 1981, a ressurgência se mostrou limitada à área de Cabo Frio e, durante os cruzeiros de 1991 a 1993, foi observada água ressurgida na região entre Cabo Frio e Ilha Grande e na região do Cabo de Santa Marta Grande. O autor concluiu que a presença de águas ressurgidas na região é importante para a criação do habitát ideal para a desova da sardinha, já que essas águas atuam adicionando nutrientes à zona eufótica. Segundo Castro & Miranda (1998) e Castelao et al. (2004), Cabo Frio está localizado na região chamada de “South Brazil Bight” (SBB). Essa região se estende entre dois cabos proeminentes (Cabo Frio (23◦ S) a norte, e Cabo de Santa Marta (28◦ S) ao sul), sendo que a norte a extensão da Plataforma Continental chega a 50 km, chegando a 230 km

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

31

na parte central, até se estreitar novamente na porção sul, com 70 km de extensão. O comprimento total da costa nessa região é de aproximadamente 1100 km. A topografia é suave, com as isóbatas paralelas à linha de costa. A profundidade de quebra da plataforma continental varia entre 120 e 180 m e não existem grandes descargas de rio ao longo da região. A representação dessa região pode ser vista na figura 1.10.

Figura 1.10: Representação da região chamada de “South Brazil Bight” compreendida entre o Cabo Frio e o Cabo de Santa Marta. Fonte: Castelao et al. (2004)

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

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Algumas características da região faz com que CF seja um local mais suscetível à ressurgência costeira. Dentre essas caracterísicas podemos notar uma mudança brusca na orientação da linha de costa de NE-SO a norte da Ilha de Cabo Frio, para L-O a sul da ilha (FRANCHITO et al., 2008; CASTELAO; BARTH, 2006; CARBONEL, 1998; CASTRO; MIRANDA, 1998), a presença de canais que favoreçem a penetração de águas de maiores profundidades na região (SIMõES, 2007) e a atuação de ventos de nordeste, frequentes no verão, que conseguem transportar a água superficial em direção ao oceano, causando o afloramento de águas de maiores profundidades para a região costeira. Outro fator que contribui para a formação e amadurecimento da ressurgência em CF é que, em decorrência da pequena extensão da plataforma na região e, consequentemente, da proximidade com a quebra de plataforma, há uma grande interação entre a água que ressurge com processos de meso escala, como vórtices e meandramentos, que atuam ao longo da Corrente do Brasil. A ressurgência ocorre quando o vento norte/nordeste atua paralelamente à costa, fazendo com que a água costeira superficial seja transportada em direção ao oceano por meio do transporte de Ekman, e águas de maiores profundidades aflorem junto à costa. No caso de CF, o efeito do vento se dá sobre a quente e oligotrófica Corrente do Brasil (CIOTTI; KAMPEL, 2010), que se afasta da costa, possibilitando a ascenção da ACAS, de menor temperatura e mais rica em nutrientes (CAMPOS et al., 2000). Segundo Carriere et al. (2010), o gradiente de temperatura entre a água costeira ressurgida e a água oceânica, mais afastada da costa, pode chegar a até 10◦ C. Na figura 1.11 pode ser visto o gradiente de temperatura causado pela ressurgência e a mudança na orientação da linha de costa na região de CF. Considerando-se o índice térmico superior da ACAS, a temperatura indicativa da ressurgência pode ser considerada como 18◦ C (MEMERY et al., 2000). Esses eventos ocorrem com maior predominância no período entre primavera e verão, que é o período favorável aos ventos de norte e nordeste, em decorrência da presença do Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul mais a sul no Oceano Atlântico. Devido ao regime de ventos, alguns autores como Campos et al. (2000) e Castro & Miranda (1998) reportaram a presença da ACAS a uma distância cerca de 50 km da SBB ou ainda mais perto. Nesse caso, a sazonalidade dos eventos de ressurgência pode estar relacionada à proximidade da ACAS em relação à plataforma continental, juntamente com a sazonalidade do regime de ventos na região (RODRIGUES; LORENZZETTI, 2001).

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

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Figura 1.11: Imagem do sensor AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) mostrando a ressurgência costeira em Cabo Frio. A região azul está associada com a água costeira ressurgida, enquanto que a região vermelha está associada à presença da Corrente do Brasil, mais quente. Fonte: Carriere et al. (2010) . Já no caso de períodos de outono/inverno, com uma maior incidência e intensidade de ventos vindos de sul-sudoeste, há uma maior incidência de frentes frias, que se propagam em direção a norte (STECH; LORENZZETTI, 1992; CASTELAO; BARTH, 2006; CARBONEL, 1998). Isso faz com que o transporte das águas superficiais seja em direção à costa, causando um processo de subsidência, em que há um empilhamento de água na direção da costa e posterior afundamento. Nesse caso a estratificação na costa é menor. A diferença entre o processo de ressurgência e subsidência pode ser vista na figura 1.12.

Figura 1.12: Representação esquemática dos fenômenos de ressurgência e subsidência no Hemisfério sul.

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

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A análise de séries temporais feitas por Tanaka (1986) apresenta médias diárias de temperatura entre os anos de 1971 a 1980. Os dados foram obtidos junto à Estação da Companhia Nacional Álcalis em Cabo Frio, área onde se tem diariamente medida a temperatura da água do mar. De acordo com o autor, os valores indicam uma forte relação entre a variação da temperatura superficial do mar, as direções do vento e a sazonalidade da ressurgência. Foi observado que a primavera e o verão constituem a época mais propícia ao fenômeno da ressurgência, sendo que ela ocorre com maior intensidade no verão e com maior frequência e menor intensidade na primavera. Assim, quando há um aumento na temperatura, há um enfraquecimento na intensidade das componentes dos ventos. E quando a temperatura diminui (ressurgência), é quando os ventos se intensificam, sendo mais forte na componente meridional, ou seja, no quadrante norte. A série temporal analisada por Tanaka (1986) pode ser vista na figura 1.13.

Figura 1.13: Série temporal com valores médios de temperatura entre 1971 e 1980. Nota-se no verão e na primavera menores temperaturas associadas ao fenômeno da ressurgência. Fonte: Tanaka (1986) . Silva et al. (2010) em seu trabalho sobre a climatologia da ressurgência costeira em CF, analisaram uma série temporal de 10 anos de dados de temperatura da superfície do mar (TSM) e direção do vento. Assim como no trabalho de Tanaka (1986), os dados foram obtidos pela Companhia Nacional de Álcalis. Os autores usaram como traçador de temperatura da ressurgência a isoterma de 18◦ C. O trabalho afirma que a

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

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ressurgência tem início quando o vento situa-se no quadrante nordeste, e adquire uma postura permanente nesse quadrante (ponto Vi). Além da permanência do vento, deve haver também um decréscimo da temperatura até 18◦ C ou inferior (ponto Ti). O final do evento é marcado pelo aumento da temperatura, com valores acima de 18◦ C (ponto Tf) e com a saída do vento do quadrante nordeste (ponto Vf). A série temporal para o mês de janeiro de 1974 que melhor representa esses pontos pode ser observada na figura 1.14. A partir da análise de séries temporais os autores fizeram uma estimativa para o tempo de resposta que a TSM decresce até o valor de 18◦ C a partir da entrada do vento nordeste. Como já esperado, esses valores forma menores no período de primavera e verão, sendo por volta de 40 horas. No inverno esse valor chegou a 90 horas. Por outro lado, foi analisado também o tempo necessário para que a TSM atinja valores superiores a 18◦ C, significando o fim de um evento de ressurgência. Como também era esperado, observou-se que os valores mínimos, chegando a 10 horas, ocorreram nos meses de inverno, quando as frentes frias são mais intensas e o Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul se localiza mais a norte. Foi encontrado uma média mensal do tempo de permanência da ressurgência para 200 horas durante o verão.

Figura 1.14: O gráfico superior mostra a direção do vento, enquanto que o inferior o valor da TSM (◦ C). A linha verde representa a isoterma de 18◦ C. Fonte: Silva et al. (2010) . Mesmo com a forte relação entre o regime de ventos e o fenômeno da ressurgência, alguns autores discutiram a relação entre esses eventos e as feições de meso-escala presentes ao longo da costa. Calado et al. (2006) afirmam que os vórtices presentes na

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

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região sudeste do Brasil são considerados únicos já que apresentam em sua composição água ressurgida e a água da Corrente do Brasil, que segue para sul. Segundo Silveira et al. (2004), a CB desenvolve uma intensa atividade de meso-escala equanto flui ao longo da costa brasileira. Uma grande atividade de meandros pode ser observada distante da costa sudeste do Brasil, especialmente entre Vitória (20◦ S) e Cabo Frio (23◦ S). Esses meandros transportam vórtices que podem se desprender da CB até serem reabsorvidos novamente (Mascarenhas Jr et al., 1971). Assim, na região da SBB, três pontos são apontados pela literatura como pontos de formação de vórtices, sendo eles em Vitória (20◦ S), Cabo de São Tomé (22◦ S) e Cabo Frio (23◦ S). Esses meandros são facilmente observados pela entrada de águas costeiras na região oceânica. No entanto, o contraste entre a região costeira e a região oceância pode ser ainda maior durante o período de verão, quando a ressurgência ocorre na costa. Essa mistura entre a água costeira e a porção ressurgida da ACAS pode causar um aumento desses vórtices, como representado na figura 1.15.

Figura 1.15: Interação entre a água ressurgida e o vórtice da Corrente do Brasil. Fonte: Calado et al. (2006) .

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

37

A interação entre eventos de ressurgência e o conjunto de vórtices foi investigada por Campos et al. (2000), que sugeriu que a presença de vórtices ciclônicos e ventos favoráveis fazem com que a ressurgência de CF seja a mais robusta da costa brasileira, quando comparada com outras feições ao longo da costa. Com base num modelo dinâmico entre os meandramentos, os vórtices e a ressurgência, foi notado que na medida que as isotermas e isopicnais da ACAS afloram nas proximidades do talude continental, a presença de um meandro da BC perto da costa pode fazer com que o meandro apresente um maior gradiente horizontal de temperatura e salinidade em seu lado interno, quando comparado a seu lado externo. Esse gradiente pode ser visto na figura 1.16.

Figura 1.16: Gradiente horizontal de temperatura num vórtice da CB que interage com a porção ressurgida da ACAS. Fonte: Calado et al. (2006) .

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

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O trabalho de Castelao et al. (2004) analisou o efeito de três processos diferentes na ascenção da ACAS na plataforma. O primeiro caso foi só pelo efeito do vento, o segundo foi com a ressurgência induzida pelo meandramento da CB, e o terceiro pelos dois efeitos agindo em conjunto. Os autores mostraram que, em áreas costeiras, tanto a ressurgência quanto a subsidência são causadas em virtude da ação do vento, enquanto que os meandros ciclônicos da CB atuam como os mecanismos dominantes na geração de movimentos verticais na quebra do talude. Esse movimento induzido para cima faz com que a ACAS alcance menores profundidades, onde ela passa a ser influenciada pelo vento. Nesse caso, com o vento e os meandros agindo em conjunto, a ACAS consegue penetrar na região costeira. Segundo os autores, a mudança na orientação da costa que ocorre em CF faz com que ocorra um padrão meandrante na CB, que pode se tornar instável e formar tanto vórtices ciclônicos quanto anti-ciclônicos (CAMPOS et al., 1996). O trabalho de Campos et al. (2000) mostra ainda que em períodos de inverno, quando a atuação de ventos nordeste é mínima, somente a ressurgência induzida pelos meandros da CB ocorre, fazendo com que a ACAS fique confinada à quebra da plataforma continental. Isso mostra que o enriquecimento de nutrientes para regiões costeiras pode ocorrer durante o ano todo. A presença da ACAS na região da plataforma pode ser vista na figura 1.17. O mecanismo de interação entre o meandramento na quebra da plataforma e a formação da ressurgência foi descrito na seção 1.3.

Figura 1.17: Experimento que mostra a atuação da ACAS num período de inverno, com ventos sudoeste e com a presença de um vórtice da CB. A linha mais grossa separa o gradiente entre a AT e a ACAS. Fonte: Castelao et al. (2004). Como já dito anteriormente, a região de Cabo Frio apresenta um canal, localizado a sul da Ilha de Cabo Frio, que pode auxiliar na subida da ACAS e seu afloramento na costa. Em seu trabalho com a definição detalhada da morfologia do fundo

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

39

marinho entre a Laguna de Araruama e Arraial do Cabo, Simões (2007) caracterizou a região em cinco regiões menores, como pode ser visto na figura 1.18. Entre as feições encontradas, a que mais se destaca é uma grande depressão localizada a sul da ilha de Cabo Frio (área A). Essa depressão indica uma zona de pequena deposição, utilizada como passagem natural pelas correntes de ressurgência e pelas correntes de subsidência (downelling). Parte da sua borda é definida por uma escarpa que representa uma frente de deposição atual de sedimentos finos associados à corrente de deriva nordeste. Entre a Ilha do Cabo Frio e o continente, ocorre um leque de sedimentos construído pela ação dos ventos de sudoeste (área B). Ao longo da borda externa da ilha, há uma canalização que indica a presença de um fluxo de fundo associado aos ventos dominantes de nordeste (área C). Ao largo da praia da Massambaba, a presença de um arenito de praia (beach rock) pode estar associada a um nível de estabilização do nível do mar entre 11000 e 9000 anos (Área D). Já a partir dos 100 metros de profundidade, as ondulações do fundo marinho da região sugerem a formação de sand ridges geradas por ondas de sudoeste em épocas de mar mais raso (área D).

Figura 1.18: Modelo digital do fundo marinho da região de Arraial do Cabo. Fonte: Simões (2007).

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

40

A partir da análise dos dados, Simões (2007) criou um modelo para situações de eventos de ressurgência (bom tempo) e para situações de subsidência (mau tempo). Esse modelo permitiu investigar a dinâmica sedimentar da região durante esses dois cenários. No cenário de bom tempo, predominam os ventos vindos de nordeste (1) que, ao empurrar as águas para sul ao longo da borda da ilha, transportam a massa d’água para o sul (3) e provocam o transporte de sedimento neste sentido (4). A ação destes ventos ao sul da laguna de Araruama e do Pontal do Atalaia empurram a água costeira para a direção offshore (2). A retirada da água de superfície em (2) provoca o fenômeno da ressurgência, onde um dos canais preferenciais para a entrada da água de fundo é indicado pela concavidade das isobatimétricas (5). Esse modelo pode ser visto na figura 1.19.

Figura 1.19: Modelo de sedimentação para um período de atuação de ventos nordeste e ressurgência. Fonte: Simões (2007). Em situação de mau tempo (figura 1.20), ocorre a entrada de frentes frias oriundas de sudoeste. A água da superfície do oceano é empurrada contra a praia da Massambaba e o Pontal do Atalaia, provocando um empilhamento de água contra o continente (1). A fim de reestabelecer o equilíbrio hidrostático, a água escoa de volta para a plataforma pelo fundo marinho num movimento de subsidência. Uma das principais áreas de escoamento é a depressão batimétrica ao sul da Ilha de Cabo Frio (2). Parte da água empilhada contra o continente entra pelo canal do Boqueirão, transportando as areias que formam o leque de espraiamento na enseada do Forno (3).

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

41

Figura 1.20: Modelo de sedimentação para um período de atuação de ventos sudeste e subsidência. Fonte: Simões (2007). Além dos estudos sobre a física da ressurgência, esses eventos são também estudados em decorrência de sua importância biológica. O trabalho de Johnson et al. (1999) identificou eventos de ressurgência costeira como sendo um dos principais mecanismos de enriquecimento costeiro de ferro em zonas eufóticas. O ferro é tido como um nutriente essencial e controla a produção primária do fitoplâncton. O estudo se passou na região da Corrente da California, onde o aporte de ferro pela ressurgência se tornou um fator limitante para a produtividade da região, sendo mais importante que o aporte de rios. Como já mencionado antes, um dos primeiros trabalhos que abordou a questão do enriquecimento de nutrientes causado pela ressurgência em CF foi o trabalho de Matsuura (1998). Já o trabalho de Sumida et al. (2005) aborda a resposta da comunidade bentônica ao evento de ressurgência em CF. Segundo os autores, a subida da ACAS favorece a produção primária da região, aumentando potencialmente a oferta de alimento para as comunidades bentônicas em decorrência do afundamento de carbono orgânico particulado. Os autores encontraram um aumento na produtividade primária mesmo fora do verão, mostrando que a ressurgência pode ocorrer também, em períodos de outono e inverno, sob a ação de ventos favoráveis. Picos de biomassa foram observados na região de Cabo Frio cerca de quatro meses após um evento de ressurgência. Essas comunidades podem agir enriquecendo a qualidade da matéria orgânica da região, ficando disponível para a comunidade bentônica entre dois eventos de ressurgência. Ainda, Mahiques et al. (2002) apontaram que a deposição de matéria orgânica é maior na região de CF, quando comparada a outras regiões da SBB. Mahiques et al. (2005) encontraram ainda uma intensificação da ressurgência nos últimos 700 anos, mas ao

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

42

mesmo tempo esse processo não é o fator prevalecente na sedimentação da região. A intensificação pode ter aumentado pelo regime de ventos ou até a atividade de mesoescala da CB. Mesmo tendo como ponto focal a região de CF, de acordo com Rodrigues & Lorenzzetti (2001), a ressurgência costeira chega a influenciar também outras áreas. Carbonel (1998) identificou a água ressurgida em CF na região de Saquarema (RJ) e os trabalhos de Melo (2004), Bérgamo (2006) identificaram a presença da ACAS na região da Baía de Guanabara, alcançando até 15 km no interior da baía. O primeiro autor observou que, no verão, águas mais frias e salinas foram observadas nas camadas mais profundas da baía e ao longo de seu canal central. Já o segundo autor relatou que a presença da ACAS na baía se deve ao efeito baroclínico. O trabalho de Lorenzzetti & Gaeta (1996), sobre a presença da água ressurgida na SBB, foi o primeiro a indicar a presença dessa água cerca de 300-400 km a sul de CF. Após a breve análise sobre o fenômeno da ressurgência em Cabo Frio, juntamente com seus aspectos físicos, biológicos e geológicos, o foco do presente trabalho se dá na região chamada de enseada da Ilha de Cabo Frio, ou Enseada dos Anjos, que pode ser vista na figura 1.21. A ilha está localizada na cidade de Arraial do Cabo, Região dos Lagos, estado do Rio de Janeiro.

Figura 1.21: Região que compreende a Ilha de Cabo Frio e a enseada da ilha. Fonte: Google Earth. A área pode ser considerada como um ponto estratégico devido à sua localização geográfica, apresentando forte potencial pesqueiro e turístico, além de sediar o Porto do Forno, de grande importância para a Região dos Lagos e para todo o estado.

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

43

Considerando que a Arraial do Cabo faz parte da Reserva Extrativista de Arraial do Cabo (RESEX - Arraial do Cabo) (figura 1.22), criada para garantir o manejo sustentável dos recursos da região e um maior aproveitamento desses recursos pelas comunidades presentes no cabo.

Figura 1.22: Representação da Reserva Extrativista de Arraial do Cabo. O relatório de Melo et al. (2010) sobre o licenciamento ambiental do porto localizado na região interna da enseada lista algumas áreas mais vulneráveis em caso de algum desastre como derramamento de óleo. Essas áreas podem ser vistas na figura 1.23. Os ecossistemas presentes na região se destacam pela sua importância ecológica e incluem costões rochosos, praias arenosas, enrocamentos e escarpas.

Figura 1.23: Áreas de maior vulnerabilidade na região da Enseada da Ilha de Cabo Frio. Fonte: Melo et al. (2010).

1.4 A Ressurgência de Cabo Frio

44

Nesse contexto, o entendimento da hidrodinâmica do local se faz necessário para estudos relacionados à atuação das massas d’água presentes na enseada, da atuação dos parâmetros físicos que modulam essa circulação e da relação entre a física da região com a biologia do local. A circulação dentro da Enseada dos Anjos apresenta três componentes principais. Os primeiros são as correntes de meso-escala, geradas externamente à enseada e que entram pelos Boqueirões Norte/Nordeste ou Sul. Há a circulação gerada pela maré, que entra pela região norte e gera correntes que invertem seu sentido em períodos de, aproximadamente, 6 horas. Por fim, existe a circulação imposta localmente pelo vento dentro da enseada. No entanto, apesar do vasto conhecimento sobre o mecanismo de formação da ressurgência e sua influência em processos físicos, biológicos e geológicos da região, algumas questões ainda devem ser investigadas, tais como: (1) Qual o papel da maré e do vento na circulação dentro da Enseada da Ilha de Cabo Frio? E como esses fatores atuam tanto em conjunto quanto individualmente na distribuição da pluma de ressurgência num período típico de verão? (2) Como se dá a circulação da pluma de ressurgência em torno do município de Arraial do Cabo? (3) Onde se dá o ponto focal da Ressurgência de Cabo Frio e qual a temperatura da água nesse ponto?

45

Cap´ıtulo

2

Objetivos Baseando-se no cenário exposto no final da seção 1, o objetivo deste trabalho é entender a distribuição espacial da ressurgência costeira de Cabo Frio, e sua dinâmica na região da enseada da Ilha de Cabo Frio e em torno do município de Arraial do Cabo. Para se atingir esse objetivo geral, tem-se como objetivos específicos: • Determinar a importância do vento local e da maré na distribuição da pluma de ressurgência; • Propôr um modelo de distribuição para a pluma de água ressurgida; • Localizar o ponto focal da ressurgência.

46

Cap´ıtulo

3

Metodologia No âmbito da oceanografia física, a aquisição de dados e o trabalho de campo podem fornecer informações valiosas sobre o comportamento de uma região e sobre sua dinâmica. No entanto, devido ao alto custo dessas operações, à impossibilidade de atingir o local e devido à necessidade de aquisição de uma longa série de dados, outras formas de abordagem devem ser usadas parara se estudar a complexidade apresentada pelos processsos físicos costeiros e oceânicos. Nesse contexto, o uso da modelagem numérica nos permite estudar os processos costeiros por uma longa série de tempo, de uma forma que o custo seja menor e que se tenham resultados próximos ao esperado, baseando-se no conhecimento prévio do local. Neste trabalho, destaca-se o uso da modelagem numérica como ferramenta para analisar os processos costeiros já descritos nas seções 1 e 2.

3.1

O Modelo Numérico O modelo utilizado para as simulações nesse trabalho é o Regional Ocean Mo-

deling System - ROMS (SHCHEPETKIN; MCWILLIAMS, 2005). Esse modelo foi desenvolvido pela Universidade de Rutgers dos Estados Unidos. O modelo é tido como um dos mais modernos da literatura e apresenta bons resultados em simulações da dinâmica de ambientes costeiros com topografia complexa (HAIDVOGEL et al., 2008; SHCHEPETKIN; MCWILLIAMS, 2009). O ROMS é um modelo de equações primitivas, que utiliza as aproximações de Boussinesq e hidrostática. Suas equações são discretizadas através do método de diferenças finitas utilizando-se um sistema de grade curvilínea quasi-ortogonal na horizontal. O modelo utiliza um esquema de discretiza-

3.1 O Modelo Numérico

47

ção vertical não linear que segue a topografia de fundo, conhecido como coordenada S (SONG; HAIDVOGEL, 1994). Este tipo de coordenada vertical está sujeito a um erro sistemático no gradiente horizontal de pressão, que depende da declividade da topografia. Por outro lado, este tipo de coordenada tem a vantagem de possibilitar um aumento de resolução mais uniforme próximo à superfície ou ao fundo oceânico e em regiões costeiras. Na horizontal, o ROMS usa uma formulação geral de coordenadas curvilineares que permite tanto o uso de coordenadas cartesianas como esféricas, em uma grade do tipo Arakawa C. Neste tipo de grade, o cálculo das variáveis de estado do modelo é realizado para pontos intercalados entre si, como mostra a figura 3.1.

Figura 3.1: Célula de uma grade Arakawa-C, mostrando os pontos onde são calculados cada variável do modelo. Fonte: (HAIDVOGEL et al., 2008). Segundo Shchepetkin & McWilliams (2005), a integração no tempo no ROMS é realizada a partir da decomposição das variáveis 3D em passos barotrópicos e baroclínicos. As grandezas temperatura, salinidade, velocidade baroclínica e as variáveis turbulentas são calculadas nos passos baroclínicos, também denominado modo interno. A elevação da superfície livre do mar e a velocidade integrada verticalmente são calculadas nos passos de tempo barotrópicos, também denominado modo externo. O cômputo temporal dessas variáveis é processado por uma interação entre os modos externo e interno, para o qual um número finito de passos barotrópicos é resolvido entre os passos baroclínicos, onde o cálculo das variáveis a cada modo interno é efetuado a partir de uma média filtrada dos valores gerados no modo externo. Haidvogel et al. (2008) cita ainda outras funções do ROMS, como a evolução de propriedades biogeoquímicas, do transporte de sedimentos e da cobertura de gelo, as quais são incorporadas através da utilização de sub-modelos acoplados ao próprio modelo.

3.1 O Modelo Numérico

3.1.1

48

As forçantes do modelo Os campos termohalinos utilizados nas simulações foram extraídos da climato-

logia de Boyer et al. (2005) para uma grade com resolução de 1/4 de grau. Os autores calcularam dados de temperatura e salinidade para todo o oceano com climatologias mensais, sazonais e anuais. As climatologias mensais foram calculadas até 1500 m de profundidade. Já as climatologias anuais e sazonais foram calculadas até 5500 m. Quando em comparação a outras climatologias calculadas com 1 grau de resolução, a climatologia de Boyer et al. (2005) mostrou algumas feições com maior clareza. A interpolação dos campos termohalinos para a grade do modelo foi feita, pelos autores, através da Análise Objetiva, método também conhecido como Interpolação Ótima. Este processo estatístico garante que o valor médio estimado para o ponto de grade seja similar ao valor obtido nas observações, nesse caso os dados climatológicos (CARTER; ROBINSON, 1987). Seu resultado é garantido por considerar que o erro associado a uma medida não está correlacionado ao erro de uma estação vizinha, sendo a estimativa de uma grandeza a combinação linear das observações correlacionadas aos pontos de grade por uma função peso. Os dados de maré utilizados para as simulações foram calculados pelo modelo de previsão de maré TPXO. Nesse modelo, o dados de maré são gerados como um complexo de amplitudes para a elevação do nível do mar para oito constituintes harmônicas primárias (M2, S2, K2, K1, O1, P1, Q1), para duas constituintes de longo período (Mf, Mm) e para três componentes não lineares (M4, MS4, MN4), com resolução de 1/4 de grau. A versão usada para o experimento é a versão TPXO 7.2, sendo que cada versão é melhor que a anterior pelo fato de assimilar séries mais longas de dados de satélite, incluir um número maior de dados na assimilação, há uma melhora e atualização nos dados batimétricos e, por último, há uma melhora na resolução global e local. Os métodos usados pra se computar o modelo pode ser visto em Egbert et al. (1994), Egbert & Erofeeva (2002). Os campos diários de tensão de cisalhamento de vento foram extraídos do projeto Reanalysis e foram usados como forçantes iniciais do modelo. O projeto Reanalysis surgiu em 1991 através da cooperação entre o National Centers for Environmental Prediction (NCEP) e o National Center for Atmospheric Research (NCAR), com o intuito de produzir análises globais de campos atmosféricos. Para isso, o projeto vem assimilando dados de diversas fontes, como estações meterorológicas em superfície, radiossondas, navios, satélites, aeronaves, dentre outros. Esses dados são cedidos por diferentes países e or-

3.1 O Modelo Numérico

49

ganizações do mundo todo com o objetivo de servir à comunidade de pesquisa e às redes de monitoramento climático. Após a aquisição e leitura dos dados, eles passam por um controle de qualidade feito por um sistema que se manteve inalterado desde o início do projeto. O fato de so sistema se manter inalterado garante que não haja saltos climáticos no produto final (KISTLER et al., 2001). Após a filtragem, um supercomputador executa um modelo meteorológico global a fim de gerar campos atmosféricos para diversas variáveis (KALNAY et al., 1996). As variáveis são disponibilizadas em três formatos: quatro vezes por dia (de 6 em 6 horas), médias diárias e médias mensais. As variáveis são classificadas em três classes: as variáveis do tipo A, que incluem a temperatura do ar, o rotacional do vento e a altura geopotencial, e são fortemente influenciados pelas obervações disponíveis e, por isso, são os produtos mais confiáveis do projeto; tem-se também as variáveis do tipo B, que inclui umidade, divergência do vento e alguns parâmetros da superfície, sendo que essa classe é influenciada tanto pelas medições quanto pelo resultado do modelo sendo, por isso, um pouco menos confiável que a classe A; Por último, tem-se as variáveis do tipo C, que são as que dependem inteiramente do modelo e por isso são as menos confiáveis e devem ser usadas com cuidado e, sempre que possível, devem ser comparadas a outros valores que independem do modelo. Dentre essas variáveis temos precipitação, taxas de calor e fluxos entre as superfícies. A resolução espacial do modelo se dá em torno de 210 km (2◦ ) e a temporal de 6 horas. Detalhes da configuração do modelo, da confiabilidade das variáveis geradas, do processo de avaliação e assimilação de dados e outras informações sobre as reanalysis podem ser encontradas em Kalnay et al. (1996). Os dados podem ser acessados em: http://www.ncep.noaa.gov/. O campo batimétrico da região foi digitalizado a partir de cartas náuticas geradas e fornecidas pela Marinha do Brasil. Os dados de batimetria foram então interpolados no domínio da grade do modelo, sendo que a profundidade máxima obtida para o domínio é cerca de 90m, na parte mais externa à grade e a menor profundidade encontrada foi de 3m, no interior da enseada da Ilha de Cabo Frio. O canal sul de entrada na enseada, chamado de Canal do Boqueirão, apresenta cerca de 22m e o canal norte de entrada apresenta cerca de 45m de profundidade.

3.2 A configuração do modelo numérico

3.2

50

A configuração do modelo numérico Neste trabalho foi utlizada a técncica conhecida como aninhamento (do inglês,

nesting) entre duas grades do modelo ROMS. Essa técnica consiste em utilizar resultados de uma simulação como forçantes iniciais ou condições de contorno para outra simulação em que a resolução espacial e temporal é maior. A vantagem do uso do aninhamento se dá no fato de que podemos usar uma simulação com maior resolução na região de estudo. Sendo amplamente aceito pela comunidade científica, essa técnica permite o detalhamento de simulações em áreas específicas de interesse e nos permite uma integração de processos de maior escala, como no trabalho de Springer et al. (2009) em que foi usada essa técnica na costa do Oregon para se observar o fenômeno da ressurgência e sua interação com a Corrente da California, sendo que o resultado foi comparado com dados in situ e dados de satélite. Outros trabalhos como o de Barth et al. (2008) e Wang et al. (2006) aplicaram essa técnica tanto para modelos de larga escala, quanto para a simulação da atuação da maré, respectivamente. Para todos os trabalhos apresentados, a comparação entre dados in situ e dados de modelo revela o bom funcionamento dessa técnica e a necessidade de sua implementação quando se estuda diferentes escalas e processos. A representação das grades pode ser vista na figura 3.2. Foi realizada uma simulação de um ano com uma grade de 1km de resolução, compreendida entre os limites 22◦ S e 24◦ S de latitude com 44◦ W e 41◦ W. Nesse experimento a única forçante foi a tensão de cisalhamento do vento extraídos do NCEP (seção 3.1.1) para o mês de janeiro de 2001, com dados de resolução temporal de 6 horas. No total, essa grade possui 170 pontos na direção zonal, 96 pontos da direção meridional e 25 níveis-S verticais. Após a simulação feita para o experimento de menor resolução, foram feitos 3 experimentos com uma grade de maior resolução, os quais serão descritos nas próximas seções.

3.2 A configuração do modelo numérico

51

Figura 3.2: Representação das duas grades aninhadas, com representação da TSM para o dia 21/01/2001.

3.2.1

A grade numérica A grade usada para a simulação em maior resolução apresenta como limites de

latitude 22,8657◦ S e 23,1084◦ S, com limites de longitude entre 42,1943◦ W e 41,8994◦ W, como pode ser visto na figura 3.3. A resolução da grade chega a 300 m nas laterais a 50 m na região do Canal do Boqueirão (citado na seção 1.4). Para que o modelo resolvesse melhor a região do canal, os pontos da grade foram adensados nessa região, possibilitando uma melhor resolução do modelo. No total, a grade possui 170 pontos na direção zonal, 170 pontos da direção meridional e 25 níveis-S verticais.

3.2 A configuração do modelo numérico

52

Figura 3.3: Representação do domínio da grade usada e da batimetria usada.

3.2.2

Condições de contorno e condições iniciais Como já dito anteriormente (seção 3.1.1), as condições iniciais do campo ter-

mohalinos foram utilizadas segundo Boyer et al. (2005). Já em relação às condições escolhidas de contorno de bordas abertas, o trabalho de Marchesiello et al. (2001) apresenta quais as condições oferecidas pelo ROMS. No presente trabalho, a borda oeste da grade numérica fica situada sobre o continente. As condições de contorno escolhidas para as outras três bordas (norte, sul e leste) foram: Flather (FLATHER, 1976) para as velocidades barotrópicas e Chapman (CHAPMAN, 1985) para a elevação da superfície.

3.2.3

Os experimentos realizados Como já citado na seção 2, um dos objetivos do presente trabalho é quantificar

a atuação do vento e da maré, tanto separados quanto em conjunto, na distribuição da pluma de ressurgência ao redor do município de Arraial do Cabo e na enseada da Ilha de Cabo Frio. Para chegar a esse objetivo, três simulações foram feitas: • Uma simulação feita somente utilizando a maré como forçante para o modelo, sem a forçante do vento;

3.3 Séries Temporais

53

• Uma simulação feita somente utilizando o vento como forçante para o modelo, sem a atuação da maré; • Uma simulação que utiliza tanto a maré quanto o vento como forçantes para o modelo. Nota-se, neste caso, que com a terceira simulação citada, busca-se uma maior aproximação da realidade. Todos os experimentos foram conduzidos para o período de janeiro de 2001 sendo que, para os três experimentos, a grade de maior resolução teve como forçante somente a tensão de cisalhamento do vento.

3.3

Séries Temporais Alguns pontos da grade foram escolhidos para a utilização das séries temporais

de temperatura, já que esse parâmetro é o melhor indicador para se estudar o evento de ressurgência. Os pontos escolhidos podem ser vistos na figura 3.4. Cada ponto foi escolhido de acordo com suas características e importância para o maior entendimento da dinâmica da região.

Figura 3.4: Representação dos pontos usados para as séries temporais de temperatura. Fonte: Google Earth. A escolha do ponto “Ilha” se deve ao fato de que, seguindo o batimetria gerada por Simões (2007), esse ponto ao sul da Ilha de Cabo Frio pode ser um dos primeiros a receber o afloramento da ACAS pelo fundo. A escolha do ponto “Cabeça” deve ao fato de já existir uma série de dados para aquela região, gerada pela Companhia Nacional Álcalis. O ponto “Boqueirão” foi escolhido para traçarmos a temperatura da água que entra na enseada durante a ressurgência. O ponto “Norte” representa a entrada de

3.4 Diagramas Hovmoller

54

água pelo norte da enseada. O ponto “Porcos” representa o ponto na Ilha dos Porcos e foi escolhido para se analisar a presença da pluma naquela região. Os pontos “Fundo” e “Raso” foram escolhidos devido à grande diferença de profundidade existente entre eles (40 m no ponto “Fundo” e 10 m no ponto “Raso” ) e o ponto “Enseada” foi escolhido por ser a primeira região a receber a água que entra pelo Canal do Boqueirão. Os pontos “Leste e ”Norte da Ilha“ foram escolhidos para se analisar a dinâmica da pluma de ressurgência ao redor da Ilha da Cabo Frio. As séries temporais serão analisadas tanto para a superfície (camada sigma 25), quanto para o fundo (camada sigma 1).

3.3.1

Análises estatísticas usadas nas séries temporais Como já citado anteriormente, a terceira simulação (vento com maré) será usada

como experimento controle. Por isso, serão calculados os coeficientes de correlação entre as séries de maré e de vento, para cada ponto, quando comparadas às séries geradas na simulação com vento e com maré. O objetivo dessa análise é encontrar qual dos dois fatores (vento ou maré) influenciam mais no experimento real e em cada ponto escolhido.

3.4

Diagramas Hovmoller Foram traçados perfis de temperatura para a superfície e para o fundo ao longo

de 6 seções que pudessem fornecer informações sobre a dinâmica da pluma de ressurgência. Cada seção apresenta 50 pontos da grade, e cada diagrama varia com a temperatura em função do tempo. Esses diagramas possibilitam ver a evolução de águas de ressurgência (abaixo de 18◦ ) ao longo de um perfil entre dois pontos. Os perfis são mostrados na figura 3.5. Foram gerados também perfis horizontais de tempertura com a velocidade da corrente para a superfície e para o fundo do domínio da grade. A finalidade desses perfis é analisar a dinâmica da pluma de ressurgência tanto na superfície quanto no fundo.

3.4 Diagramas Hovmoller

55

Figura 3.5: Representação das seções em que foram feitos diagramas Hovmoller. Fonte: Google Earth.

56

Cap´ıtulo

4

Resultados e Discussão 4.1

Análise das séries temporais Como já citado anteriormente na seção 3.3.1, foram calculados os valores da cor-

relação entre as séries de vento e de maré, quando comparadas às séries de temperatura geradas a partir da simulação com essas duas forçantes. Os valores do coeficiente de correlação podem ser vistos na tabela 4.1. Pode-se notar, a partir dos resultados que, para todos os pontos escolhidos, as séries temporais da simulação que tinha como forçante somente o vento apresentou maior correlação com as séries de simulação de vento e maré, quando comparada às séries que teve como forçante somente a maré. Essa correlação acontece tanto na análise do fundo quando para a superfície. Isso representa que a simulação que teve como experimento somente o vento se aproximou mais do experimento de vento e maré, usado como experimento controle. Pode-se assim inferir que a maré não empenha um papel importante na distribuição da pluma de ressurgência, sendo seu papel secundário, com o vento atuando como principal agente na dinâmica e na distribuição da ACAS na região.

4.1 Análise das séries temporais

57

Tabela 4.1: Coeficiente de Correlação entre as séries da simulação de vento e da simulação de maré em comparação com a simulação de vento com maré. Legenda: f = fundo e s = superfície.

Pontos

Vento

Maré

Anjos f

0,987

0,49

Anjos s

0,985

0,832

Boqueirão f

0,864

0,538

Boqueirão s

0,986

0,859

Cabeça f

0,987

0,95

Cabeça s

0,984

0,87

Enseada f

0,982

0,697

Enseada s

0,988

0,809

Fundo f

0,902

-0,077

Fundo s

0,982

0,909

Ilha f

0,977

0,837

Ilha s

0,976

0,967

Leste f

0,929

0,631

Leste s

0,99

0,988

Norte f

0,924

0,748

Norte s

0,982

0,956

Norteilha f

0,933

0,773

Norteilha s

0,99

0,976

Porcos f

0,974

0,874

Porcos s

0,983

0,884

Raso f

0,982

0,684

Raso s

0,977

0,79

4.1 Análise das séries temporais

58

As figuras 4.1 a 4.7 representam as séries temporais juntas para os três experimentos para os pontos “Boqueirão”, “Cabeça”, “Fundo”, “Ilha”, “Leste”, “Norte”, “Norte da Ilha”, respectivamente, para a camada de fundo. Pode-se observar que as séries de temperatura que tiveram como forçante somente o vento e as séries que tiveram como forçante tanto o vento quanto a maré, apresentaram uma maior correlação entre si, quando comparados às séries geradas pelo experimento de maré. Como já citado antes, os valores da correlação estão presentes na tabela 4.1.

Figura 4.1: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Boqueirão” para o fundo.

4.1 Análise das séries temporais

59

Figura 4.2: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Cabeça” para o fundo.

Figura 4.3: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Fundo” para o fundo.

4.1 Análise das séries temporais

60

Figura 4.4: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Ilha” para o fundo.

Figura 4.5: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Leste” para o fundo.

4.1 Análise das séries temporais

61

Figura 4.6: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Norte” para o fundo.

Figura 4.7: Representação das séries temporais de temperatura dos três experimentos para o ponto “Norte da Ilha” para o fundo.

4.1 Análise das séries temporais

62

A tabela 4.2 mostra os valores mínimos de temperatura de toda simulação para todos os pontos, para os três experimentos, tanto na superfície quanto para o fundo. Tendo como base o índice superior de temperatura da ACAS (18◦ C) como indicador da ressurgência, a análise da tabela 4.2 possibilitou identificar pontos onde a água ressurgida esteve presente. Foram encontrados, para os três experimentos, no caso do fundo, a presença da ACAS nos seguintes pontos: “Boqueirão”, “Cabeça”, “Fundo”, “Ilha”, “Leste”, “Norte” e “Norte da Ilha”, como pode ser visto nos gráficos acima. A presença de águas ressurgidas nesses pontos nos dá evidências de que a pluma de ressurgência se distribui no entorno da Ilha de Cabo Frio, e na região sul da ilha, que abrange os pontos “Ponta da Cabeça” e “Ilha”, além de se encontrar também no canal norte de entrada da enseada. A presença de água ressurgida no ponto “Fundo”, que apresenta uma profundidade de aproximadamente 30 metros, sugere que há uma evidência de entrada de uma água mais fria pelo norte da enseada e que essa água fica confinada ao fundo, formando uma “piscina” de água fria na região do entorno desse ponto. No caso do canal sul de entrada na enseada, ou seja, no ponto ”Boqueirão”, observouse a presença de águas de até 16◦ C no fundo do canal. Já na superfície do canal, as temperaturas chegaram a no mínimo 20◦ C, o que mostra a ausência de água ressurgida na superfície do canal. A entrada de água somente pelo fundo do canal pode ser explicada pela batimetria local, em que o canal apresenta cerca de 25m de profundidade e, logo após o canal, a profundidade já diminui para 5m, formando um “paredão“ contra a água que entra pelo fundo. Assim, as águas mais frias ficam confinadas ao fundo e à proximidade do canal. Como já dito, as águas mais frias, consideradas ressurgidas, se encontram em profundidades maiores. Já para a superfície, as temperaturas se mantiveram na faixa dos 20◦ C. No entanto, foi observado, para os experimentos de vento e de vento e maré, a presença de águas com temperaturas menores de 18◦ C para o ponto ”Ponta da Cabeça“, o que representa que a ressurgência chegou até a superfície, apresentando grande maturidade.

4.1 Análise das séries temporais

63

Tabela 4.2: Tabela com os valores mínimos de temperatura para cada ponto escolhido dos três experimentos. Legenda: f = fundo e s = superfície. Pontos

Maré

Vento

Vento e Maré

Anjos f

20,208

20,354

20,363

Anjos s

21,231

20,871

20,913

Boqueirão f

16,352

16,545

16,396

Boqueirão s

20,728

20,771

20,729

Cabeça f

17,21

16,773

16,789

Cabeça s

19,515

17,732

17,843

Enseada f

18,658

19,626

19,576

Enseada s

20,929

20,558

20,494

Fundo f

16,939

17,088

17,025

Fundo s

19,207

20,852

20,903

Ilha f

16,296

16,562

16,574

Ilha s

19,59

18,991

19,09

Leste f

16,003

16,209

16,209

Leste s

20,55

20,013

20,217

Norte f

16,132

16,443

16,353

Norte s

20,94

20,825

20,864

Norteilha f

15,286

15,894

15,636

Norteilha s

20,801

20,801

20,801

Porcos f

20,049

20,00

19,872

Porcos s

21,2

20,936

20,926

Raso f

19,09

20,111

20,102

Raso s

20,67

20,268

20,393

4.1 Análise das séries temporais

64

Analisando-se os valores da tabela 4.2, nota-se que as temperaturas mais baixas para o fundo, em quase todos os pontos, com exceção dos pontos “Cabeça” e “Porcos”, foram observadas na simulação que teve como forçante somente a maré. No entanto, a análise das figuras 4.8, 4.9 e 4.10 mostram que a ressurgência atingiu a superfície com temperaturas de 18◦ C para os três experimentos, apresentando grande maturidade. Uma das possíveis explicações para que a ressurgência tenha ocorido no experimento que tinha como forçante somente a maré é que, mesmo sem a forçante do vento para retirar a água da superfície e causar o afloramento da ACAS, o aninhamento conseguiu fazer com que a água ressurgida atingisse a superfície, já que grade de menor resolução tinha como forçante somente o vento e conseguiu retirar a porção de água superficial, permitindo o afloramento. O artifício de ter gerado a ressurgência mesmo na ausência do vento, permitiu uma melhor comparação entre os experimentos. Os mapas de TSM revelam, também, que a ressurgência apresentou menores temperaturas superficiais nos experimentos em que o vento esteve presente como forçante, o que já era de se esperar. As três figuras representam o décimo quinto dia de jan/2001 em que o vento nordeste estava alinhado à costa, criando condições perfeitas para a ocorrência da ressurgência.

Figura 4.8: Representação dos valores de temperatura e de direção da corrente para o décimo quinto dia do mês de jan/2001. Representação para o experimento que usou como forçante somente a maré.

4.1 Análise das séries temporais

65

Figura 4.9: O mesmo que a figura anterior mas para o experimento que teve como foçante somente o vento.

Figura 4.10: O mesmo que a figura anterior mas para o experimento que teve como forçantes o vento e a maré.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

4.2

66

Análise dos diagramas Hovmoller Como já descrito na seção 3.4, foram feitos diagramas Hovmoller de tempe-

ratura ao longo de uma seção entre dois pontos. A análise dos diagramas permitiu estudar a distribuição da água ressurgida no entorno da Ilha de Cabo Frio e do município de Arraial do Cabo. Inicialmente, será discutida a distribuição da pluma de ressurgência para as seções representadas na figura 4.11.

Figura 4.11: As seções em amarelo representam as que primeira serão discutidas. Esses perfis representam os caminhos entre os pontos “Ilha” e “Norte da Ilha”, entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte” e entre os pontos “Norte” e "Anjos“. A figura 4.12 representa, para os três experimentos e no fundo, os diagramas para os trajetos entre o ponto “Ilha” e o ponto “Norte da Ilha” (à esquerda das figuras), entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte” (ao centro das figuras) e entre os pontos “Norte e ”Anjos“. Pode-se observar, para os dois primeiros trajetos, que uma porção de água com temperaturas inferiores a 18◦ C chegam até o ponto chamado de “Norte”. A mudança brusca de temperatura no terceiro trajeto se deve ao fato de que, nos primeiros pontos, a água está a uma profundidade de 40m e, conforme os últimos pontos, a profundidade vai diminuindo, fazendo com que chegue a 4m na praia dos Anjos. Observa-se uma porção de água ressurgida que entra pelo canal norte e fica então confinada ao fundo do canal com temperaturas entre 16◦ C e 18◦ C.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

67

(a) Maré

(b) Vento

(c) Vento e Maré

Figura 4.12: Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Norte da Ilha”. Ao centro tem-se o diagrama entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte”. A direita tem-se o diagrama entre os pontos “Norte” e “Anjos”.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

68

Com a evidência de presença de água ressurgida tanto ao longo do lado leste da Ilha de Cabo Frio quanto na entrada norte da enseada da ilha, perfis horizontais de temperatura e de direção de corrente foram analisados com o objetivo de se investigar a dinâmica dessa água no domínio da grade utilizada. A figura 4.13 representa perfis de temperatura, para o fundo, para o 22/jan/2001 durante o período de quatro horas, sendo este entre o meio-dia e as quatro horas da tarde. A análise desses perfis e da direção da corrente permite observar que a porção de água fria que entra pelo canal norte vem da borda norte do domínio da grade, provavelmente em decorrência de uma ressurgência ocorrida um pouco mais acima da região de Cabo Frio. Essa “língua” de água fria se desloca partindo da grade norte, entra pelo canal norte e uma porção chega a bordear o lado leste da Ilha de Cabo Frio, o que explica a distribuição de água fria observada nos diagramas Hovmoller.

(a) Dia 22/jan/2011 12:00

(b) Dia 22/jan/2011 13:00

(c) Dia 22/jan/2011 14:00

(d) Dia 22/jan/2011 15:00

Figura 4.13: Representação de 4 horas do perfil de fundo de temperatura com corrente para o dia 22/jan2001.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

69

No entanto, analisando-se perfis verticais de temperatura ao longo do tempo, e para o mesmo ponto, foi possível observar a profundidade em que a água atinge os pontos a leste e a norte da ilha e no canal norte de entrada da enseada. A figura 4.14 representa esses perfis para os pontos “Ilha”, “Leste”, “Norte da Ilha”, “Norte” e “Fundo”, sendo os mesmos pontos utilizados para a análise de séries temporais. Os perfis desses pontos mostram que somente no ponto “Ilha”, que apresenta cerca de 50m de profundidade, a ACAS atinge toda a coluna d’água, chegando com temperaturas de até 17◦ C à superfície. Nos pontos seguintes, a ACAS passa a atingir profundidades menores, se concentrando mais ao fundo. No ponto “Leste”, com 55m, a ACAS só aparece a partir dos 5m de profundidade. No ponto mais a norte da Ilha de Cabo Frio, ponto “Norte da Ilha”, a ACAS começa a aparecer a partir dos 15m, apesar da profundidade do ponto ser de 55m. No meio do canal norte de entrada na enseada, com uma profundidade de aproximadamente 45m, temos o ponto “Norte”, que apresenta a ACAS somente a partir dos 25m aproximadamente e, no ponto “Fundo”, já dentro do canal, a intrusão da ACAS ficou limitada aos 20m para baixo, sendo que o ponto apresenta 35m. Essa configuração observada na distribuição da ACAS ao longo de diferentes profundidades mostra que a água fria que entra pelo domínio norte da grade se distribui somente pelo fundo, ocupando a região a norte da Ilha de Cabo Frio e na entrada norte da enseada. Esses perfis confirmam a presença de uma “piscina” de água fria no norte da enseada e que essas águas ficam confinadas a profundidades de aproximadamente 30m. Observou-se também que, conforme seguimos em direção ao sul pelo leste da ilha, a ACAS chegou mais perto da superfície, como nos pontos “Leste” e “Ilha”. Uma possível explicação para isso é que, conforme já discutido anteriormente, a batimetria da região apresenta canais que fazem com que um dos primeiros locais que recebem a afloração da ACAS é a região a sul da Ilha de Cabo Frio, fazendo com que a água chegue até a superfície nesse ponto. O ponto “Leste”, pela proximidade com o sul da ilha, apresenta a água ainda perto da superfície.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

70

(a) Ponto Ilha.

(b) Ponto Leste.

(c) Ponto Norte da Ilha.

(d) Ponto Norte.

(e) Ponto Fundo.

Figura 4.14: Representação de perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para 5 pontos. Figuras para o experimento que teve como forçante o vento e a maré. A figura 4.15 representa, para os três experimentos, e para a superfície, perfis entre os pontos “Ilha”e “Norte da Ilha”, à esquerda na figura, entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte” no centro na figura e entre os pontos “Norte” e “Anjos”. Observa-se que a temperatura se mantém entre 21◦ C e 23◦ C na superfície que abrange a área do entorno da Ilha de Cabo Frio e do canal norte da enseada, com uma ligeira diminuição para os dias em que a ressurgência se mostrou mais madura, como no dia 25. As figuras 4.8, 4.9 e 4.10 mostram claramente que a ressurgência, após sua formação, segue na direção sul, ao longo da costa do estado do Rio de Janeiro. Águas com

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

71

baixas temperaturas, como 18◦ C, foram encontradas, no caso da superfície, somente na região a sul da Ilha de Cabo Frio e seguindo na direção sul. Assim, os pontos localizados dentro da enseada, como os pontos “Anjos”, “Raso”, “Porcos” e “Enseada”, não apresentaram temperaturas tão baixas ao longo do tempo, o que reforça a ideia de que a água fria que entra pelo canal norte fica confinada ao fundo e que a água superficial na enseada apresenta somente uma ligeira diminuição na temperaura quando ocorre a ressurgência, mas nada que confirme a presença da ACAS.

(a) Maré

(b) Vento

(c) Vento e Maré

Figura 4.15: Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Norte da Ilha”. Ao centro tem-se o diagrama entre os pontos “Norte da Ilha” e “Norte”. A direita tem-se o diagrama entre os pontos “Norte” e “Anjos”.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

72

A figura 4.16 mostra os perfis de temperatura vertical ao longo do tempo para os pontos “Porcos”, “Raso”, “Anjos” e “Enseada”, todos localizados no interior da enseada. Os quatro pontos apresentam profundidades entre 5m e 10m e nota-se que as temperaturas variaram entre 21◦ C e 23◦ C, mostrando a ausência de águas com temperatura abaixo de 18◦ C. Com exceção do ponto “Porcos”, os outros pontos estão localizados na porção mais rasa da enseada e, mesmo que a água fria entre tanto pelo norte quanto pelo sul pelo fundo, o grande gradiente de profundidade dentro da enseada atua como uma barreira física para a ACAS.

(a) Ponto Porcos.

(b) Ponto Raso.

(c) Ponto Anjos.

(d) Ponto Enseada.

Figura 4.16: Representação de perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para 4 pontos. Figuras para o experimento que teve como forçante o vento e a maré.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

73

Partindo agora para a discussão dos perfis restantes (figura 4.17), a figura 4.18 representa os diagramas para o caminho entre os pontos “Ilha” e “Ponta da Cabeça”, à esquerda nas figuras, um caminho de entrada no canal do Boqueirão, ao centro na figura e um caminho entre os pontos “Enseada” e “Porcos”, para o fundo, sendo que cada figura representa um experimento diferente.

Figura 4.17: As seções em amarelo representam os perfis entre os pontos “Ilha” e “Ponta da Cabeça”, na entrada do Canal do Boqueirão e entre os pontos “Enseada” e "Porcos“. Pode-se observar, para o primeiro trajeto, que ao decorrer de todo o mês tem-se uma parcela de água ressurgida que sai do ponto “Ilha” e vai até o ponto “Ponta da Cabeça” com temperaturas entre 16◦ C e 18◦ C, sendo que as temperaturas foram menores por volta do dia 25, que foi quando a ressurgência apresentou grande maturidade. No caso do trajeto do meio, observa-se a entrada águas de 17◦ C no canal pelo fundo e uma brusca queda na temperatura nos últimos pontos do perfil. Essa queda pode ser explicada em decorrência dos primeiros pontos apresentarem uma profundidade de mais de 20m e os últimos pontos uma profundidade de 3m. Isso representa que a água entra pelo fundo do canal mas fica confinada nele pela mudança brusca na batimetria. Já o perfil da direita mostra que, a partir do meio do perfil, há uma queda brusca na temperatura de 21◦ C para 18◦ C em alguns dias dos experimentos. Essa queda representa, novamente, uma diferença brusca na profundidade, já que os primeiros pontos do perfil estão localizados entre 5m e 10m e o final do perfil está localizado a 40m, o que suporta a ideia de uma água que fica confinada no fundo do canal de entrada a norte da enseada. Essas observações foram vistas nos três experimentos. A análise

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

74

do primeiro caminho permitiu observar menores temperaturas no ponto “Ilha“, o que pode evidenciar que esse ponto é o que primeiro recebe a água da ressurgência, como citado anteriormente.

(a) Maré

(b) Vento

(c) Vento e Maré

Figura 4.18: Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Ponta da Cabeça”. Ao centro tem-se o diagrama da entrada pelo ponto “Boqueirão”. À direita tem-se o diagrama entre os pontos “Enseada” e “Porcos”.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

75

A figura 4.19 representa os perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para os pontos “Ilha”, “Ponta da Cabeça”, “Boqueirão”, “Enseada” e “Porcos”. Alguns desses perfis já foram discutidos anteriormente porém, analisando-se esses perfis, nota-se que no perfil “Ponta da Cabeça” a água fria da ressurgência chega até a superfície apesar da profundidade do ponto, que é de 5m. Esse é o segundo ponto, além do ponto “Ilha” em que a água chega na superfície, o que era de se esperar, já que foi observado nos perfis horizontais que a ressurgência apresenta maior robustez a sul da Ilha de Cabo Frio e segue para essa direção. Outra observação importante é que no ponto “Boqueirão”, com profundidade de 25m, a presença de água fria se dá à partir do 10m de profundidade, mostrando que a ressurgência preferencialmente entra no canal sul de entrada na enseada pelo fundo. Nota-se que, apesar da proximidade com o ponto “Boqueirão”, não encontramos água ressurgida no ponto “Enseada”, o que confirma a influência da batimetria local em confinar águas mais frias na entrada do canal.

(a) Ponto Ilha.

(b) Ponto Ponta da Cabeça.

(d) Ponto Enseada.

(c) Ponto Boqueirão.

(e) Ponto Porcos.

Figura 4.19: Representação de perfis verticais de temperatura ao longo do tempo para 5 pontos. Figuras para o experimento que teve como forçante o vento e a maré.

4.2 Análise dos diagramas Hovmoller

76

A figura 4.20 representa os diagramas para o caminho entre os pontos “Ilha” e “Ponta da Cabeça”, à esquerda nas figuras, um caminho de entrada no canal do Boqueirão, ao centro na figura e um caminho entre os pontos “Enseada” e “Porcos”, para a superfície, sendo que cada figura representa um experimento diferente. No primeiro perfil, pode-se observar que, nos dias em que a ressurgência foi mais intensa (a partir do dia 10), uma porção de água fria, com valores por volta de 19◦ C, chegou até o ponto “Ponta da Cabeça” e entrou pelo canal do Boqueirão. No entanto, podese notar maiores temperaturas nos últimos pontos do perfil do canal do Boqueirão, provavelmente em decorrência do fluxo de saída na superfície do canal. Esse perfil de entrada no canal do Boqueirão evidencia que a água mais fria fica concentrada na superfície na região fora do canal e a sul da Ilha de Cabo Frio, o que é de se esperar, já que o vento de quadrante nordeste atua fazendo com que haja saída de água da enseada, evitando a entrada de água ressurgida pela superfície no canal sul de entrada na enseada. O terceiro perfil mostra que a superfície da enseada é dominada por águas mais quentes, com temperaturas por volta de 22◦ C, como já citado anteriormente.

(a) Maré

(b) Vento

(c) Vento e Maré

Figura 4.20: Diagramas Hovmoller que representam um possível caminho para a ACAS. Na esquerda tem-se o diagrama entre os pontos ”Ilha“ e ”Ponta da Cabeça”. Ao centro tem-se o diagrama da entrada pelo ponto “Boqueirão”. À direita tem-se o diagrama entre os pontos “Enseada” e “Porcos”.

4.3 O ponto focal da ressurgência de Cabo Frio

4.3

77

O ponto focal da ressurgência de Cabo Frio Nas seções 4.1 e 4.2 foram analisadas, respectivamente, a influência das forçan-

tes de maré e vento na formação e distribuição da ressurgência e a distribuição da ressurgência na região da Ilha de Cabo Frio e nos entornos do município de Arraial do Cabo. Nesta seção o objetivo é discutir o ponto focal da ressurgência, ou seja, o ponto em que ela aflora primeiro na superfície e então passa a se distribuir. Mapas de TSM e corrente foram utilizadas para esse propósito, como pode-se ver na figura 4.21. Os perfis abaixo mostram a temperatura superficial entre os dias dias 6/jan/2011 às 16:00h e 9/jan/2001 às 01:00h. A análise desses perfis mostra que o primeiro ponto em que águas de 18◦ C afloram na superfície é o ponto chamado de “Ponta da Cabeça”, e então essa água ressurge na região a sul da Ilha de Cabo Frio, para então seguir para sul no sentido do vento.

4.3 O ponto focal da ressurgência de Cabo Frio

78

(a) 16:00h

(b) 19:00h

(c) 22:00h

(d) 01:00h

(e) 04:00h

(f) 07:00h

(g) 10:00h

(h) 13:00h

(i) 16:00h

(j) 19:00h

(k) 22:00h

(l) 01:00h

(m) 04:00h

(n) 07:00h

(o) 10:00h

(p) 13:00h

(q) 16:00h

(r) 19:00h

(s) 22:00h

(t) 01:00h

Figura 4.21: Perfis horizontais de temperaura e corrente entre os dias 6/jan/2011 às 16:00h e 9/jan/2001 às 01:00h. As figuras são representadas com intervalo de 3 horas entre cada uma.

Os pontos levantados e discutidos durante a discussão deste trabalho permitiu a formulação da representação de um modelo conceitual de circulação para a região da Ilha de Cabo Frio e ao redor do município de Arraial do Cabo. Esse modelo conceitual foi baseado nos resultados gerados pelo modelo numérico e serão agora representados para um melhor entendimento da circulação de fundo e de superfície no entorno da região de Arraial do Cabo. As duas figuras foram feitas baseando-se num dia em que a ressurgência apresenta grande robustez, alcançando a superfície, e com presença constante de ventos do quadrante nordeste.

4.3 O ponto focal da ressurgência de Cabo Frio

79

A figura 4.22 apresenta, respectivamente, a seção horizontal de fundo e a seção horizontal de superfície da ressurgência. As setas pretas indicam a direção da corrente, as regiões azuladas representam a presença da ACAS e as regiões de tons vermelhos e amarelos representam águas com temperaturas superiores a 18◦ C. Os números presentes na figura 4.22a representam a que profundidade a água ressurgida é encontrada, o que já foi discutido anteriormente na seção 4.2. A marcação em vermelho, nas duas figuras, representa o ponto focal da ressurgência. Analisando-se a figura 4.22a nota-se que, no caso do fundo, a ACAS ocupa quase que toda a região no entorno da Ilha de Cabo Frio e no entorno do município de Arraial do Cabo, sendo que as regiões que não são ocupadas pela ACAS, como algumas regiões no interior da enseada e a região a norte da ilha, apresentam profundidades baixas, sendo menores que 10 metros. Existe um fluxo de água mais fria, que entra pelo canal norte, e esse fluxo leva água também para a região no entorno da ilha. Em decorrência desse transporte pelo norte, uma porção de água fria fica confinada ao fundo do canal norte da enseada. Guiados pela batimetria, o fluxo que atinge o ponto mais a sul da ilha consegue ocupar toda parte “offshore” da ilha, na medida que segue para o lado leste da ilha. A representação mostra também que a ACAS atinge a ilha oriunda do contorno leste, ou seja, da região oceânica, e segue em direção ao ponto chamado “Ponta da Cabeça”, tido como ponto focal da ressurgência. Atinge também toda parte leste da ilha, seguindo para sul junto à costa. Já a análise da figura 4.22b mostra que a região da enseada da Ilha de Cabo Frio não apresenta água ressurgida, já que no canal norte de entrada na enseada a água fria fica confinada ao fundo e na região sul o fluxo de saída impede a entrada da ACAS pela superfície. Nesse caso, temos a ressurgência aflorando primeiramente no ponto “Ponta da Cabeça” e depois no ponto mais a sul da ilha. Após aflorar nesses pontos, a ressurgência segue para sul, ao longo do litoral do estado do Rio de Janeiro, com águas frias ao longo da coluna d’água. A persistência do vento de quadrante nordeste contribui para a saída de água da enseada, fazendo com que águas com temperaturas entre 21◦ C e 23◦ C fiquem confinadas ao interior da enseada. Nota-se, claramente, uma delimitação da pluma de água fria a partir do ponto chamado de “Ilha”, a sul da Ilha de Cabo Frio. Em superfície, parece que a dinâmica da pluma de ressurgência tem um padrão de distribuição predominantemente para o sul.

4.3 O ponto focal da ressurgência de Cabo Frio

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(a) Fundo

(b) Superfície

Figura 4.22: Representação esquemática da circulação na região da Ilha de Cabo Frio e no município de Arraial do Cabo, para o fundo e para a superfície, no caso de um dia em que a ressurgência apresenta grande robustez, tendo alcançado a superfície. As setas pretas indicam a direção da corrente, o símbolo vermelho o ponto focal da ressurgência e os números a profundidade a partir da aqual a ACAS é encontrada naquele ponto.

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Cap´ıtulo

5

Conclusão O uso da modelagem numérica neste trabalho possibilitou uma maior investigação quanto aos aspectos dinâmicos da formação e distribuição da ressurgência costeira de Cabo Frio. Essa ferramenta possibilitou a representação de séries temporais, perfis horizontais e verticais de temperatura, dentre outras variáveis, que possibilitaram responder aos objetivos propostos inicialmente no trabalho. As bases de dados escolhidas se mostraram, após as simulações, condizentes com o conhecimento prévio sobre a região e de acordo com a literatura estudada. Partindo-se dos resultados e das discussões apresentadas no presente trabalho, pode-se concluir: • O vento apresenta um papel mais importante que a maré na formação e distribuição da ressurgência de Cabo Frio. Apesar da ressurgência ter ocorrido para os três experimentos, o experimento que teve com forçante somente o vento se aproximou mais do experimento controle (experimento com vento e maré), quando comparado ao experimento que teve somente a maré como forçante. Podemos então inferir que o papel da maré é secundário na dinâmica da ressurgência. • A distribuição da pluma de ressurgência na região de estudo mostrou que, para um mês de verão em que a ressurgência apresenta maior intensidade e que a presença do vento de quadrante nordeste é constante, a região da enseada da Ilha de Cabo Frio apresenta água ressurgida somente no seu canal norte de entrada e no fundo, sendo que na superfície as temperaturas foram acima dos 21◦ C, mostrando a ausência de água ressurgida na superfície. Fora da enseada pôde-se observar a distribuição da ressurgência nas camadas mais fundas no entorno da Ilha de Cabo Frio e na superfície na região sul da Ilha. A atuação do vento nordeste, constante no mês de janeiro, impediu a entrada de águas mais frias pela

5 Conclusão

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superfície no canal do Boqueirão, ao sul da entrada da enseada. A ACAS, após aflorar na superfície, seguiu caminho para o sul, bordeando a costa do Rio de Janeiro. • A análise do ponto focal da ressurgência permitiu concluir que o ponto chamado de “Ponta da Cabeça” é onde a ressurgência aflora inicialmente para depois se distribuir. • A técnica de aninhamento se mostrou eficiente para um melhor entendimento da região. Tanto no estudo da grade menor, de maior resolução, quanto grade maior, de menor resolução, os resultados obtidos servem para contribuir para o entendimento do caminho da pluma de ressurgência e de seu alcance após sua estabilização.

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Cap´ıtulo

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Recomendações para trabalhos futuros Baseando-se nas conclusões e discussões apresentadas neste trabalho, algumas sugestões para trabalhos futuros podem ser apresentadas, de forma a enriquecer o conhecimento sobre a região da Ilha de Cabo Frio e o entorno do município de Arraial do Cabo, além do processo da ressurgência costeira de Cabo Frio. Como já citado ateriormente, foram feitos diversos trabalhos usando modelagem numérica e as simulações foram comparadas a dados in situ, como forma de validar os modelos e melhorar o uso dessa ferramenta. Assim, sugere-se uma maior aquisição de dados de temperatura tanto do interior da enseada da Ilha e Cabo Frio quanto da região externa à ilha, com o objetivo de se observar a sazonalidade da ressurgência costeira, partindo-se de dados de temperatura de longas séries temporais. Apesar do fenômeno da ressurg˜encia ser mais constante nos meses de verão e primavera, alguns estudos sugerem a ocorrência da ressurgência em Cabo Frio nos meses de outono e inverno, dependendo do vento predominante. Assim, sugere-se a realização do mesmo experimento para um mês de inverno, em que a predominância de ventos é no quadrante sul, com vento favorável à subsidência. Nesse experimento pode-se observar tanto a influência da mudança na direção do vento quanto a ocorrência da ressurgência quando interage com meandros da Corrente do Brasil.

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