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Altimetria Oceanografia por satélites. Sumário 1.O nível da superfície do mar 2.O altímetro 3.Motivação 4.Breve histórico 5.Princípios de funcionamento.

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1 Altimetria Oceanografia por satélites

2 Sumário 1.O nível da superfície do mar 2.O altímetro 3.Motivação 4.Breve histórico 5.Princípios de funcionamento 6.Algumas definições 7.Aplicações 8.Trabalho sobre corrente geostrófica

3 A altimetria baseia-se no princípio que as correntes superficiais (magnitude e direção) podem ser estimadas conhecendo-se as elevações e depressões relativas da superfície do mar (topografia oceânica). Para tal o sensor, que na realidade é um radar, emite um pulso na faixa das microondas diretamente a nadir, e mede o tempo decorrido entre a emissão e recepção do pulso de retorno. A partir desta medida, de entendimento físico relativamente simples, é possível estimar a circulação oceânica superficial, com baixo curso relativo, e com caráter quase-sinóptico

4 1. O nível da superfície do mar Lua e sol atraindo o oceano, gerando marés Montes submarinos e fossas Correntes oceânicas Ventos, ondas Aquecimento solar, expansão Derretimento das geleiras

5 1. O nível da superfície do mar

6 órbita quasi-polar 2. O altímetro

7 Objetivo é medir as diferenças no nível da superfície do mar Radar que emite sua própria energia na banda das microondas opera em f =13.5 GHz ou λ=2.2 cm

8 A energia das microondas

9 • A absorção atmosférica nesta banda é pequena e se deve majoritariamente ao vapor dágua • Atravessam as nuvens • Oceano – opaco • Atmosfera – quase totalmente transparente, produz erros • Concentração de água na atmosf. altera velocidade de propagação do pulso;

10 3. Motivação • Entender a circulação oceânica de grande escala • Principal objetivo é o estudo das correntes, mas depois percebeu-se outras aplicações • Os dados da altimetria auxiliam em modelos para fornecer a circulação geostrófica de grande escala

11 4. Histórico

12 •Nos anos 70, as primeiras missões espaciais para a observação da Terra foram lançadas. •Estes satélites eram divididos, basicamente, pelos tipo de sensores que carregavam (ativos e passivos) e pelo tipo de órbita (geoestacionária e polar/semi-polar).

13 Skylab • 1973 • Testar o conceito do altímetro orbital • Precisão a altura da ordem de 1m • Medições grosseiras do geóide marinho – fossas oceânicas • Altitude: 435 km

14 Geodynamics Experimental Ocean Satellite (GEOS-3) • • melhor desempenho • maior cobertura global • ainda não era suficiente para bons resultados para a ciência • altitude: 845 km

15 Seasat • 1978 • possuía 4 instrumentos • funcionou por 110 dias • marco na observação dos oceanos • permitiu a 1a visão global da circulação oceânica • altitude: 800 km

16 Geosat • 1985 • missão com 2 fases: geodética e de repetição exata • marinha norte-americana • 1a série temporal com vários anos de dados • altitude: 800 km

17 ERS-1 • 1991 – 1999 • em conjunto com o ERS-2 de 1995 a 1996 • órbitas idênticas • altitude: 785 km

18 TOPEX/Poseidon • 1992 • objetivo de estudar e entender a circulação oceânica • projetado para durar 3 anos, mas atingiu 10 • NASA e CNES • dados a cada 10 dias • substituído pelo Jason-1 • altitude: 1336 km

19 GFO • 1998 • fornecer dados de topografia oceânica em tempo real para a marinha norte-americana • sucessor do Geosat • altitude: 880 km

20 1 SatéliteAnoFreq. (GHz)Separação (km)Repetição (dias)Precisão (m) Skylab05/ / Seasat06/ / Geosat03/ / ERS1/206/91 - ativo T/P09/ / GFO02/98 - ativo ∗ Jason12/01 - ativo

21 Evolução

22 Os 4 satélites atuais • Jason-1 e Jason-2: ciclo de repetição de 10 dias. • Envisat: ciclo mais longo, 35 dias. • ERS-2: mesma trajetória com intervalo de tempo menor que o Envisat.

23 • órbita alta (1336 km) • período orbital tem ~10 dias (127 revoluções) • órbita tem 66 o de inclinação (amostrando 90% dos oceanos) • carregava um radiômetro para medir vapor d’água e fazer as devidas correções

24 • O sistema de posicionamento do T/P apresentava 3 diferentes métodos, por isso a alta precisão das medidas – Triangulação – ondas de rádio – Laser enviando sinal (sistema Doris, efeito Doppler) – GPS * video locate Precisões de 2 cm

25 Escalas • Variações na circulação dos grandes giros ~ 0,5 m • Variações nas correntes geostróficas, mesoescala, variabilidade oceânica em geral 10 a 20 cm *video process

26 Aumentar o conhecimento e capacidade de previsão do papel dos oceanos nas mudanças climáticas futuras. Este projeto pretende produzir uma síntese cada vez mais precisa de todos os dados de gelo e do oceano em escala global com resoluções que resolvam vórtices e sistemas de corrente que transportam calor, carbono e outras propriedades.

27 Projeto ECCO2

28 5. Como funciona a altimetria

29 • Mede o tempo de retorno do sinal velocidade do pulso (vel. propagação da luz c = km/s) e distância percorrida tempo percorrido hs = c. dt/2

30 • hs é a distância instantânea medida entre o centro de gravidade do altímetro e a superfície do mar • c é a velocidade da luz • dt o tempo decorrente entre a emissão e recepção do pulso

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32 6. Algumas definições • Nível da superfície do mar: em relação ao elipsóide de referência • Anomalia do nível do mar:variações em relação a média • Geóide marinho superfície do oceano quando o mesmo está em repouso; ou ainda ao nível médio do mar de longo período • Altura ou topografia dinâmica: altura da superfície do mar relativa a uma superfície de mesmo potencial gravitacional, o geóide marinho

33 Geóide marinho: • não variável no tempo, somente no espaço;

34 O geóide • Superfície de potencial gravitacional constante

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38 h = hs + hwet + hdry + hiono + hbaro + hotide + hetide + hEM Onde: • (hiono) Elétrons livres na Ionosfera; • (hdry/wet) Troposfera seca e úmida (vapor d’água); • (hEM) Estado do mar (ruído eletromagnético); •  (hbaro) Barômetro inverso (pressão atmosf. sobre a superfície do mar); •  (hetide) Maré Polar e Maré Terrestre; •  (hotide) Maré Oceânica (corrigida por modelo)

39 Sistema de posicionamento DORIS do T/P

40 Sistema de posicionamento DORIS • Importância da determinação precisa da posição do satélite. • O sistema Doris (efeito Doppler) é o responsável por esta tarefa delicada. • Envolve cálculo das coordenadas e possíveis velocidades em 3 dimensões em relação ao referencial (centro de massa da terra). • Tarefa complicada pois o satélite está em movimento numa trajetória influenciada por parâmetros da lançamento e forçantes (atrito com a atmosf. e pressão da radiação solar).

41 Sistema Doris

42 Alguns sites (conteúdo) • • • • •

43 7. Aplicações Correntes geostróficas Geodésia Marés Ondas de gravidade El Niño/La Niña Monitorar armazenamento de calor Estudo das Ondas de Rossby

44 1. Correntes Geostróficas • Geradas pelo desnível na superfície do oceano • Elevações e depressões: TOPOGRAFIA • Por mudar ao longo do tempo: DINÂMICA

45 Os principais termos da equação do movimento são, na forma vetorial, os seguintes: Cujas componentes ficam resumidas em: Revisão do balanço geostrófico

46 L 10 6 mf s -1 U m/sg 10 m/s 2 H 10 3 m  10 3 kg/m 3 P =  hz = = 10 7 Pa T = L/U = 10 7 s AS ESCALAS DE INTERESSE:

47 = Assim, o único balanço importante é entre os termos de P e g, o balanço hidrostático. O mesmo exemplo na equação horizontal do momento ficaria: =

48 Assim, o balanço entre o termo de Coriolis e o do Gradiente de Pressão é o mais importante; este balanço é denominado BALANÇO GEOSTRÓFICO. As equações denominadas de equações geostróficas são: Este BALANÇO domina os fluxos nos oceanos com escalas maiores que 50 Km e alguns dias !!!, e integrando p em z,

49 7. 1. Inclinações e Correntes Geostróficas • As correntes geostróficas são dominantes e estão associadas às inclinações da superfície através do balanço entre a força de Coriolis e o gradiente de pressão: fu = −g ∂η/∂y −fv = −g ∂η/∂x f = parâmetro de Coriolis; u e v = velocidades E-W e N-S; g = gravidade; η = elevação da superfície • Maiores inclinações - correntes mais intensas - mais instabilidades

50 7. 1. Inclinações e Correntes Geostróficas

51 7. 2. Geodésia • Trata das medidas e do monitoramento do tamanho e forma da Terra • Erros não afetam as medidas de anomalia da altura, mas sim a altura absoluta. • Projeto GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)

52 GRACE • Lançamento - março/2002 • Mapear com acurácia as variações no campo gravitacional terrestre nos seus 5 anos de vida. • Duas sondas espaciais idênticas sobrevoando a 220 km um do outro em uma órbita polar a 500 km da Terra. • Medidas da distância entre os dois satélites com o uso de GPS e microondas • Informação a respeito da distribuição e fluxo de massa no interior da Terra e arredores.

53 Animação grace F = (G.m 1.m 2 ) / R 2

54 7. 3. Marés • Dificuldades devido ao período amostral (10 a 35 dias), e as marés mais energéticas são as semidiurnas e diurnas.

55 7. 4. Ondas de gravidade • Rugosidade da superfície pode ser detectada pelo altímetro • Reflexão na crista ocorre antes da reflexão no cavado • Possível estimar a altura média das ondas • Utilizado para correções de dados altimétricos

56 7. 5. El Niño Junho 2009

57 El Niño Julho 2009

58 El Niño Agosto 2009

59 El Niño Setembro 2009

60 El Niño Outubro 2009

61 Out Out Out. 2009

62 7. 6. Armazenamento de calor

63 • Apesar da máxima compressão da água ser de 4% (praticamente incompressível), ainda afeta o nível do mar em vários cm, para a altimetria tem diferença Armazenamento de calor

64 7. 7. Ondas de Rossby • Transferem a energia para o interior dos oceanos proveniente dos contornos • Propagação para oeste • Restauração pela lei da conservação da vorticidade potencial

65 Diagramas de Hovmöller

66 8. Trabalho • Dados podem ser adquiridos na página da AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Data in Oceanography) • Objetivo do trabalho é determinar a velocidade geostrófica de correntes de contorno oeste a partir dos dados de topografia dinâmica, extraídos do produto altimétrico • 5 correntes de contorno = 5 grupos

67 Trabalho • Dado: 1/3 o x 1/3 o • Produto AVISO: médias de 7 dias • Calculada médias semestrais para remover ruídos • Merged: combinação de dados de mais satélites

68 1 o semestre 2008

69 2 o semestre 2008

70 Mais alguns sites (produtos e dados) • • •


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