Introdução aos Processos da Zona de Arrebentação (Surf Zone)

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1 Introdução aos Processos da Zona de Arrebentação (Surf Zone)
Disciplina: Dinâmica dos Ecossistemas Costeiros-Praias e Zona de arrebentação Profº Lauro Calliari

2 A ZONA COSTEIRA DE TRANSIÇÃO

3 Definição: A zona costeira de transição - ZCT (camada limite costeira) é a região na qual os processos oceanográficos são mensuravelmente modificados pela presença da costa. Por outro lado é também a região na qual estes processos modificados afetam significativamente a ressuspensão e o transporte de sedimentos e conseqüentemente a topografia submarina.

4 Caracteristicamente a ZCT engloba cerca de 10 km da costa
Caracteristicamente a ZCT engloba cerca de 10 km da costa. Devido à troca bidirecional de sedimentos através da zona de arrebentação conectando a praia e a plataforma interna, a ZCT inclui a zona de arrebentação e tem a praia como limite mais interno. Onde estuários ou inlets interceptam a costa, processos de plataforma interna são local ou regionalmente afetados ao passo que processos dentro de estuários (porção mais externa) são sujeitos às forças de mar aberto.

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8 Processo de Arrebentação
A medida que as ondas se propagam para águas rasas, tornam-se não dispersivas (ondas longas cuja velocidade depende apenas da profundidade). Adicionalmente, a redução da profundidade resulta eventualmente que a altura da onda e profundidade sejam aproximadamente iguais. Quando H (altura da onda)  h (profundidade da lâmina d’água) Onda fica instável e arrebenta transformando-se num vagalhão, o qual continua a viajar em direção à praia, diminuindo sua altura progressivamente O processo resulta numa intensa dissipação de energia, exceto nos casos onde a energia é bastante refletida Tipo de arrebentação e a taxa de dissipação da energia depende: Tipo de onda incidente Declividade (gradiente) do fundo ou Perfil da Zona de Arrebentação

9 Dois tipos extremos de condições de dinâmica de zonas de surf:
( Wright el al., 1979 ; Wright and Short, 1984) REFLETIVAS – Praias onde as ondas atingem o estirâncio (face da praia) sem romper, simplesmente oscilam (sobem e descem) num movimento de onda estacionária. DISSIPATIVAS – Zonas de surf onde as ondas arrebentam longe da face da praia e decaem progressivamente a medida que se aproximam da praia. Reflexão – depende da relação entre o gradiente do limite e a esbeltez da onda. A amplitude da onda refletida (ar) em relação a da onda incidente (a) é indexada pelo coeficiente de reflexão ‘r’. r ≅ ar/ a ≤ 1

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11 Estágio dissipativo

12 Estágio refletivo

13 Estágio banco transversal e rip (corrente)

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16 Parâmetro Dimensionador do Surf
GUZA e INMAN (1975) e GUZA e BOWEN (1977) No caso mais simples - praia linear com declive em direção ao mar aberto a um ângulo constante  - a refletividade depende do ‘surf scaling parameter’ (parâmetro dimensionador do surf) : = ai w2 / g tan2  Onde : ai =amplitude da arrebentação w = 2/T g = gravidade  = gradiente da zona de surf

17 de 2.0 a  Reflectiva > 2.5 as ondas começam a ter uma arrebentação mergulhante dissipando sua energia. > 20  Dissipativa Para completa reflexão (r = 1),  < 1. Tem sido observado em modelos que, se  permanece entre 2.0 e 2.5 uma fração significativa das ondas incidentes é refletida. A reflexão é favorecida por ondas de longo período, pequena amplitude e por gradientes acentuados.

18 Arrebentação de Ondas (WAVE BREAKING)
Em condições extremas ( < 1) as ondas atingem a praia sem romper. A arrebentação ocorre em zonas de surf totalmente ou parcialmente saturadas, quando a razão  = Hb/h (altura da arrebentação e profundidade da coluna d’água) atinge um valor crítico. Numa zona de arrebentação de gradiente constante ,  permanece constante desde o ponto de arrebentação até a praia, e os vagalhões decrescem progressivamente a medida que h decresce (zona de surf saturada). Dados de laboratório: 0.88 <  > 1.28 Dados de campo :  ≅ 0.42 (no caso de zonas de surf altamente dissipativas)

19 Tipos de Arrebentação Os tipos de arrebentação variam em função do coeficiente de reflexão, e então de . É possível reconhecer quatro tipos de arrebentação: de derrame (spilling) mergulhante (plunging) de tombo (collapsing) ascendente (surging)

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28 Dissipação e Setup max = 3/8  Hb
‘Depois de romper, o decaimento progressivo da altura da arrebentação (zona de surf saturada) ocasiona ma diminuição da densidade de energia E, e também em tensão de radiação (Sxx = ½ E). Gradientes perpendiculares à praia em Sxx são balanceados por gradientes de pressão produzidos pela elevação do nível d’água . O aumento da altura das ondas devido ao efeito do shoaling antes da arrebentação em direção ao mar ocasiona ‘set down’, diminuição de . Depois da arrebentação (em direção à praia) onde Hb decresce, o contrário acontece: o nível do mar  é elevado e produz ‘set up’. O ‘set up’ máximo ocorre na face da praia e pode ser estima do através da fórmula: max = 3/8  Hb ( = 1, aproximadamente 37% da altura da arrebentação)’ Onde há reflexão o ‘set up’ é significantemente reduzido.

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31 Swash e Runup SWASH é a oscilação d’água para cima e para baixo na praia subaérea na forma de espraiamento ‘uprush’ e no recuo ‘backwash’ RUNUP refere-se à excursão vertical máxima do swash na face da praia Existem 2 modelos para swash e runup: Subida da arrebentação: ondas menores da arrebentação anterior avançam avançam sobre a praia e proporcionam o espraiamento (empurrão da água), a gravidade seria responsável pela volta (descida) O modelo da onda estacionária: runup e o swash são função das oscilações da zona de surf com o primeiro antinó na face da praia.

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33 Cameras de video gravando 60 minutos de segmentos de runup
Wave runup .  Cameras de video gravando 60 minutos de segmentos de runup em condições calmas com linhas de estacas a intervalos conhecidos. A declividade da praia se tira com inclinômetro.Os videos de runup são digitalizados manualmente para registrar o pico de runup de cada onda. .O runup da onda é calculado conhecendo-se a hipotenusa (comprimento do runup =WRL) e a declividade da praia (b) (b): Ri = (WRL)i sin b onde i são as ondas individuais

34 Fórmula do da altura vertical do runup:
Zup = (HL)1/2 tan  Alto runup é favorecido por condições refletivas . Alto runup associado a ondas incidentes é restrito a praias íngremes onde está associado a arrebentação do tipo ascendente (surging) Em praias de baixo gradiente somente as freqüências de infragravidade (10 a 30 s) podem ficar estacionárias e contribuir para o runup Em praias naturais com sedimento inconsolidado o runup é reduzido pela permeabilidade do sedimento e também pode ser retardado por fricção. Ambos permeabilidade e fricção aumentam com o tamanho do grão Swash também é afetado pelo comportamento do lençol freático.

35 Ondas estacionárias e ondas marginais na zona de arrebentação
Quando as ondas são parcialmente refletidas da praia, ondas estacionárias são produzidas pela combinação de ondas incidentes e refletidas. Dependendo do grau pelo qual a onda refletida é refratada a medida que viaja em águas profundas, ondas estacionárias podem ser ‘leaky mode’ (modo vazante) ou ‘traped edge waves’ (ondas marginais aprisionadas) Modo vazante: A energia refletida é rerradiada de volta ao mar sem ser aprisionada próximo a praia Para oscilações incidentes normais não existe amplitude ou movimento paralelo à praia. Variações em amplitude são somente relacionadas a incidência oblíqua.

36 Ondas Progressivas: Propagam em uma direção continuamente ao longo do caminho (ao longo de x) Irradiam energia na direção de propagação Crista ou uma cava progridem ao longo do caminho (ao longo de x, por exemplo)

37 Ondas Estacionárias: Interação de duas ondas de mesma freqüência viajando em sentidos opostos. Onda incidente e refletida (por um obstáculo vertical ou bastante íngreme) se combinam para formar uma onda estacionária. Elevações máximas e mínimas (crista e cava) simultâneas entre quaisquer nó e anti nó. Amplitude absoluta da oscilação decresce em direção ao nó

38 03/08/06

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40 Ondas Marginais (Edge Waves):
Podem crescer através de fraca ressonância, extraindo energia das ondas incidentes. A medida que a onda refletida é propagada para águas profundas, o processo de refração ocorre ao contrário e a direção de propagação da onda refletida fica mais oblíqua aos contornos batimétricos. Se os raios refletidos da onda se tornam paralelos à batimetria antes de atingir águas profundas, estes serão refratados de volta para a praia, tornado-se aprisionados e produzindo ondas marginais. As edge waves oscilam paralelamente e perpendicularmente à praia. Embora sejam por definição estacionárias na direção perpendicular à praia, podem ser progressivas ou estacionárias na direção paralela à linha de costa.

41 Onda marginal aprisionada

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45 Circulação Gerada por ondas na zona de arrebentação
Três tipos de circulação de zona de surf existem. Todos eles podem coexistir: Undertow: Segregação vertical de fluxo em duas dimensões. Transporte de massa em direção à praia próximo a superfície d’água dentro da zona de surf é acompanhada por fluxo em direção ao mar aberto próximo ao fundo. È um tipo de circulação bem desenvolvido em praias altamente dissipativas com contornos retos paralelos à costa.

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48 Correntes ao Longo da Costa (Longshore Currents)
A teoria mais aceita é a que considera ‘LC’ sendo produzida pela combinação dos componentes de ‘tensão de radiação’ ao longo da praia Sxy e variações de altura da arrebentação produzindo gradientes em ‘set up’. Variações na altura da arrebentação podem resultar em variações no grau de exposição como também variações nos coeficientes de refração, devidos aos bancos alternados (barras transversais). Variações de gradiente da praia ao longo da costa e daí em refletividade podem também gerar gradientes de set up ao longo da costa. Gradientes de pressão paralelos devido ao set up não ser uniforme podem originar LC

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52 Ondas oblíquas + variação de altura de onda ao longo da costa
VL = 2.7Umax sin  cos  - √2 ( 1+32 - 2 cos2) Umax Hb Cf  y Termo relativo a geração de corrente por oblíquidade das ondas Termo do atrito Fator de direção de incidência das ondas Variação lateral da altura de arrebentação Três situações: 1. Hb < 0  Correntes são complementares y 2. Hb > 0  Correntes em oposição 3. Hb = 0  Somente a incidência oblíqua é responsável pela y corrente

53 Tôrre com instrumentos

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56 Corrente para NE Corrente para SW Altura signficativa
Período significativo Velocidade de corrente transversal e longitudinalmente a praia: Velocidade transversal com valores inferores a 50 cm/s e sempre em direção ao mar Velocidade longitudinal (correntes litorâneas) com valores superiores a 50 cm/s indo para norte (NW) a maior parte do tempo. Duas inversões no sentido da corrente : para sul tendo permanecido 12 horas e atigindo velocidades de 50 cm/s. Outra reversão para norte com velocidades mais baixas aumentando depois para 50 cm/s A direção da corrente longitudinal para NE esteve associada a maior altura significativa das ondas (vindas de SE) Valores de turbidez não calibrados Corrente para NE Série temporal (21 a 26/5/2005) para os dados da Torre fundeada a 2 m Corrente para SW

57 Acumulo de sedimentos a montante da estrutura devido ao transporte litorâneo

58 1980 Terminal do Mucuripe- Fortaleza CE: erosão da praia de Iracema

59 Molhes de Rio Grande e a Praia do Cassino.

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61 Lagoa dos Patos (spits) – RS

62 Massachusetts - EUA

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64 Praia de Passo de Torres
Praia Grande

65 Praia de Tramandaí Praia de Imbé

66 LAGUNA DE TRAMANDAÍ

67 Tendência erosiva homogênea ao longo da costa
Acresção Erosão Erosão Acresção intensa acresção entre 1974/1989 estabilização entre 1989/2000 Tendência erosiva homogênea ao longo da costa Setor estável entre 650 e 1800 m Taxas de Erosão de m a 3 Km do molhe leste Acresção máxima de 462 m a m

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69 Correntes de retorno (Rip Currents)
Convergências e divergências alternadas de LC’s produzem circulação ‘rip’, com rips ocorrendo nas regiões de convergência. De acordo com o modelo de Bowen (1969) para que rips existam numa zona de surf saturada, deve existir variações em altura da arrebentação. Variações em altura da arrebentação (Hb) podem resultar em variações no coeficiente de refração produzida por bancos e pequenas baías alternadas. Circulação rip é mais acentuada onde está relacionada a irregularidades topográficas, particularmente onde barras transversais se alternam com baías mais profundas. A maioria das observações de campo de ‘rips’ mostram transporte em direção a praia (shoreward) nos bancos e fluxo em direção ao mar (seaward) nas baías.

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72 ARROIO CHUÍ CORRENTE DE RETORNO CAVA BANCO

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76 Circulação em batimetria Simples
Altura de ondas variável ao Longo da Costa – Pq? Batimetria da zona de Surf Hanalei Bay, Hawaii Unknown location

77 Circulação em batimetria Simples
Altura de ondas variável ao Longo da Costa – Pq? Batimetria da zona de Surf Haller et al. [1999]

78 Circulação em batimetria Simples
Altura de ondas variável ao Longo da Costa – Pq? Batimetria offshore Shepard and Inman [1950]

79 Offshore Controls on Nearshore Rip Currents
Tuba Özkan-Haller Joseph Long

80 Circulação em batimetria complexa Nearshore Canyon Experiment (NCEX)
Waves over complicated bathymetry

81 Circulação em batimetria complexa (NCEX)
Rips can be unstable transient difficult to measure or predict

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86 Rip current events 10/10/03 1900 GMT 10/31/03 1500 GMT
Argus images courtesy of the Coastal Imaging Laboratory

87 Rip current events 10/10/03 1900 GMT 10/31/03 1500 GMT shoreline
depth contours Hs = 1.6 m Tp = 10 s Өp = 282º Hs = 1.4 m Tp = 6.7 s Өp = 293º Argus images courtesy of the Coastal Imaging Laboratory

88 Circulation on simple bathymetry
Alongshore variable wave height – Why? Wave surface Crest Trough Black’s beach

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91 Signals from above Sediment-laden water Darker, green water (deeper)
Agitated water surface Foam advected offshore Gaps in wave breaking Seaward movement of floating objects Shepard, Emery, & LaFond [1941] La Jolla, California Photo courtesy of:

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94 Diferença entre undertow e rip current
A rip current apresenta um fluxo de retorno estreito causado pelo empilhamento de água na zona de arrebentação. O empilhamento é causado pelas ondas quebrando e transportando água para a zona de surf. O empilhamento da água ocorre na ordem da largura da praia e o fluxo de retorno dessa água ocorre em bandas estreitas devido a irregularidades batimétricas. Por exemplo, quando há uma cava transversal (canal) a água vai fluir para a parte mais baixa devido ao gradiente de pressão (hydraulic head) e daí em direção ao mar. O undertow é um fluxo mais largo em profundidade (no fundo). É uma outra maneira da água empilhada na costa retornar para o mar. Somente ocorre no fundo, enquanto a rip current ocorre em toda a coluna d´água.