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Como são formadas as ondas e marés?


- Atualizado no dia 27 de julho de 2021 -
                           
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        Se você gosta de surfar, sabe que quanto maiores as ondas, melhor. Mas como as ondas são formadas e por que algumas regiões possuem ondas tão altas e outras tão baixas? O que significa quando alguém diz que a maré está alta ou está baixa? Qual a relação da lua com as marés? E você sabe a diferença entre esses dois fenômenos marítimos? 

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    CIÊNCIA DA MARÉ

Figura a
          A Lua atrai a Terra na mesma intensidade que a Terra atrai a Lua (3° lei, ação e reação). Porém, por causa do formato arredondado e abaulado do nosso planeta, existem regiões que estão mais próximas da Lua (equador) do que o resto, e, portanto, elas sentem mais a atração gravitacional do nosso satélite natural. Quando a Terra e a Lua vão girando, as regiões nos oceanos que sentem mais fortemente a gravidade lunar também vão mudando, e com diferentes pontos sofrendo 'puxões' diferentes - somando-se ao fato de que a água líquida é, obviamente, maleável e fluída - surgem relevos na superfície dos mares, os quais vêm e voltam (movimento de onda), caracterizando as marés.

          Existem as terminologias 'marés altas' e 'marés baixas' para indicar quando o mar sobe e onde ele desce, devido às diferenças de gravidade lunar sentidas pelo globo. A maré alta ocorre no ponto mais próximo da Lua e na região oposta do planeta, por causa das forças gravitacionais convergindo nas duas partes do globo. As marés baixas acontecem nas duas faces do planeta que não estão na mesma direção da Lua, devido às forças de 'convergência gravitacional' virem dos dois lados (como mostrado na figura a) (1). Neste ponto, é bom mencionarmos o Sol, o qual também faz parte da dança gravitacional. Dependendo da sua posição em relação à Lua, ele pode aumentar ou diminuir o efeito das marés, pois sua força de gravidade pode somar-se com a do satélite ou subtrair dela. Quando o Sol está na mesma direção (oposta/antipodal ou atrás/sublunar) da Lua, as forças somam-se, e as marés ficam ainda mais altas e mais baixas (marés de sizígia), como mostrado na figura b (1). Isso ocorre nas Luas cheias e novas.

         No outro extremo, quando o sol está a 90° da Lua, existem forças de todos lados, deixando os desníveis entre maré alta e maré baixa com a menor diferença, e, consequentemente, produzindo as menores marés (figura c). Isso ocorre nas Luas minguantes e crescentes e recebe o nome de marés de quadratura. E sobre esses fenômenos, eles ficam ainda mais realçados nos equinócios do ano (em março e setembro) onde o Sol está o mais próximo do nosso planeta, aumentando sua influência gravitacional. O efeito de 'maré' ocorre em todos os materiais constituintes da Terra, da superfície rochosa à camada atmosférica, mas estes quase passam imperceptíveis ou por causa da falta de fluidez ou por não gerarem efeitos visíveis. Qualquer outra porção de água, como rios e lagos, também sente o efeito, mas possuem muito pouca massa aquífera para gerar algo substancialmente visível.

(1) As ilustrações abaixo foram feitas de forma exagerada apenas para fins didáticos.


Figura b

Figura c


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    CIÊNCIA DAS ONDAS

          As ondas (2), por sua vez - como aquelas do surfe, localizadas na superfície do oceano -, são produzidas pelos ventos na maior parte das vezes, os quais passam parte da sua energia cinética para a superfície marinha através do contato direto e diferenças de pressão (quando chegam à superfície, as massas de ar resfriam ou esquentam, produzindo movimentos circulares de subida e descida, os quais causam os típicos formatos e movimentação das ondas). Por isso, em uma tempestade, as ondas são mais violentas, porque carregam bastante energia cinética dos fortes ventos. O comportamento das ondas no mar também dependerá da relação entre o tamanho da onda e a profundidade da água através da qual ela está se movendo. Mas é importante realçar: as ondas não transportam água, e, sim, energia. Por isso quando você está em um barco e uma onda passa por você, o barco praticamente não se desloca, apenas sobe e desce. O que se move é o sentido de propagação da onda. Aliás, 'onda' é exatamente fazendo referência mais do que direta ao significado físico da palavra.

          Alguns dos locais famosos por grandes ondas superficiais incluem a Baía de Waimea no Hawaii, Jaws em Maui, Mavericks na Califórnia, Mullaghmore Head na Irlanda e Teahupoo no Taiti. Algumas das maiores ondas superficiais são geradas por tempestades como furacões. Em 2004, o Furacão Ivan criou ondas com média de 18 metros de altura e a maior ultrapassou os 30 metros. Em 2019, o Furacão Dorian também criou uma onda com mais de 30 metros de altura.

         Ondas superficiais gigantes não ocorrem apenas próximo da costa. Ondas anormais ou transientes, conhecidas na literatura internacional como freak ou rogue waves, são as que excedem a altura máxima prevista estatisticamente para um determinado conjunto de medições. São, em geral, ondas com grande esbeltez, com surgimento inesperado, sendo, por esse motivo referidas como "ondas que vêm do nada", uma tradução livre para waves from nowhere, em locais de profundidade arbitrária (águas profundas, intermediárias ou rasas), na presença ou não de correntes fortes.

          A ocorrência desse fenômeno foi, por bastante tempo, considerada como parte do folclore marítimo, até que pudesse ser confirmada por medições, de campo ou por satélites, e fotografias. O registro mais citado foi obtido em 1º de janeiro de 1995, no Mar do Norte, por um sensor instalado na plataforma de petróleo Draupner, sendo referida como a "Onda Draupner" ou "Onda de Ano Novo", a qual alcançou 25,6 metros de altura (Ref.7). Diversos e trágicos acidentes com embarcações estão associadas às ondas anormais, e existem reportes de alturas alcançando 34 metros.

          Embora existam várias teorias sobre a formação das ondas anormais, como amplificação por correntes, focalização temporal e espacial (diferentes ondas em mar aberto reforçando umas às outras), instabilidade de Benjamin-Feir, instabilidade não linear, nenhum desses mecanismos está totalmente identificado e compreendido.

         Os tsunamis são tipos de ondas formadas por um processo diferente. Nesse caso, o fornecedor de energia cinética são fortes choques ou explosões, causados por meteoros, explosões de armas humanas e, mais comumente, terremotos. No caso dos terremotos, as ondas são até passadas despercebidas em mar aberto porque estão sendo movimentadas bem mais no interior do oceano do que na superfície, como uma parede de água em movimento. Quando essas enormes massas de água de longos comprimentos de onda chegam próximo da costa, elas encontram uma barreira terrestre, acumulando energia violentamente e fazendo a massa elevar-se monstruosamente, engolindo tudo pelo seu caminho. Os tsunamis podem alcançar uma velocidade de propagação de até 750 km/h!                                                                                                                                                                       


          A maior onda já registrada ocorreu no dia 9 de julho de 1958, na Baía de Lituya, no sudeste do Alasca, quando um massivo terremoto e deslizamento de terra deflagrou um megatsunami com uma onda de quebra que alcançou a altura de ~524 metros, destruindo tudo ao redor (Ref.9).

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(2Em um sentido físico da palavra, marés também são ondas, formadas pela transferência de energia potencial gravitacional para as massas de água nos oceanos. Aliás, as marés são as maiores ondas do planeta. Sejam fomentadas pelos ventos, terremotos ou atração gravitacional Lua-Sol, as ondas marítimas obedecem ao mesmo comportamento de quaisquer outras ondas mecânicas, experienciando, por exemplo, difração, refração e reflexão. E reforçando: ondas não transportam matéria, apenas energia.
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    CIÊNCIA DO SURFE

          Uma outra dúvida frequente é o porquê de alguns lugares terem melhores ondas para surfar do que outros. Boas condições de surfe não dependem apenas dos ventos em uma região, e são o resultado de diferentes variáveis climatológicas, geomorfológicas e oceanográficas.

          Todas as ondas obedecem a duas simples leis da física. Primeiro, à medida que uma onda se move de uma região para outra, a frequência dessa onda (f) deve permanecer a mesma. Segundo, o produto da frequência e o comprimento de onda (λ) sempre iguala-se à velocidade da onda (v=). As ondas se movem mais lentamente em águas mais rasas, ou seja, à medida que as ondas chegam à praia, aquelas na frente vão sendo freadas pelo solo oceânico cada vez mais alto (menor profundidade). Para a frequência da onda permanecer a mesma à medida que se move para águas mais rasas, a segunda lei requer que o comprimento de onda precisa ficar menor, ou seja, as cristas precisam ficar mais próximas umas das outras. Porém, a quantidade de água em cada ciclo de onda não pode mudar, fazendo que a onda fique com uma altura cada vez maior. 

          Os surfistas aproveitam esse progressivo aumento da altura da onda para surfar na coluna ascendente de água, focando sempre em continuar "caindo" com a gravidade para se manter por um longo período deslizando sobre a onda. Quando a onda fica alta o suficiente, a velocidade de órbita da onda fica maior do que a sua velocidade de propagação, fazendo com que a onda "atropele" a si mesma (aquela curva típica da onda na ponta da crista). Nesse ponto, e sob a ação da gravidade, a massa de água na crista acaba colapsando (breaking), liberando a energia acumulada (a onda "quebra").




        Seguindo esse raciocínio, uma boa onda para surfar precisa crescer bastante e não colapsar muito rápido. Ou seja, precisamos de uma margem de praia que não seja pouco íngreme (figura a) - onde as ondas serão desaceleradas muito lentamente, com pouca energia sendo acumulada - mas que não seja muito íngreme (figura c) - onde as ondas se acumularam muito rapidamente e se quebrarão bem em cima da praia. Nesse caso, um meio termo - figura b - é a resposta, e é esse tipo de margem de praia que é encontrada na região do Havaí, por exemplo. Obviamente, também precisamos de uma região com ventos suficientemente fortes e contínuos que forneçam boa energia cinética para a formação de grandes ondas.


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   FUNÇÕES ECOLÓGICAS

          As marés e as ondas (2) são peças chaves na área da navegação marítima, e conhecer as ondas e períodos das marés é essencial para qualquer tipo de transporte marítimo. E a enorme energia envolvida na movimentação das massas de água por essas ondas são estudadas e já utilizadas como fonte de energia renovável para usinas elétricas. Além disso, as ondas também cumprem importante papel no turismo de uma região. Comercialmente esses fenômenos marítimos são essenciais para os humanos, mas e no campo biológico?

         Analisando primeiro as ondas, a movimentação resultante das águas permite que nutrientes, ovos, seres com movimentação mais limitada, entre outros, sejam dispersos com mais eficiência nos mares (e alguns até aproveitam as fortes tempestades para iniciarem a reprodução ou uma viagem mais longa, aproveitando-se da força das ondas). Além disso, como muitos sabem, o fitoplâncton marinho (pequenos seres microscópicos fotossintetizantes) produzem a maior parte do oxigênio presente na atmosfera terrestre. As ondas ajudam a fazer a troca gasosa com a atmosfera, recolhendo o excesso de gás carbônico e liberando oxigênio para o bioma terrestre. Indo para a parte de transporte, as ondas são excelentes transmissoras de calor ao redor do planeta, influenciando em todo o clima global. Elas transportam energia calorífica das áreas mais quentes para as mais frias e vice-versa, ajudando a manter uma temperatura global média mais amena. As ondas também transportam sedimentos e outros materiais de um ponto ao outro, formando, por exemplo, as praias. É importante, por último, mencionar seu papel erosivo, o qual é responsável por moldar, principalmente, as regiões costeiras a partir da sua força de choque.

         Já as marés, desempenham um papel mais tímido, mas significativo para a vida marinha. Primeiro, elas constroem ricos ecossistemas devido aos seus desníveis. Isto é bastante visível nos rochedos das praias e costas, onde, em cada nível atingido pela altura da maré, é desenvolvido um sistema ecológico distinto. Estas áreas são chamadas de 'ecossistemas intertidais' e abrigam diversas espécies muito bem adaptadas, já que precisam conviver com as cheias e baixas do mar, fato este que deixa o ambiente ali presente bastante volúvel e desafiador. Em segundo, e interessante, lugar, as marés são a base de referência para os ciclos reprodutivos dos organismos marinhos e até mesmo de seres terrestres. Com isso, seus ritmos biológicos tendem a ocorrer em, aproximadamente, múltiplos dos períodos de movimentação das marés.

Na imagem acima, podemos ver claramente o que é uma zona intertidal. Dependendo da altura do rochedo, e onde a maré alcança, formam-se diferentes colônias de organismos. Cada uma delas é adaptada aos períodos específicos em que a água marinha alcança sua posição.

         E, finalizando, se for surfar, já fica aí a dica: escolha locais com muito vento. Só não vá se aventurar em uma tempestade, por favor...


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://ocean.si.edu/planet-ocean/tides-currents/currents-waves-and-tides-ocean-motion 
  2. https://oceanservice.noaa.gov/facts/wavesinocean.html 
  3. https://ci.coastal.edu/~sgilman/770Oceansinmotion.htm
  4. http://www.utdallas.edu/~mitterer/Oceanography/pdfs/OCEChapt09.pdf
  5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4307598/
  6. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017GL074173
  7. https://www.scielo.br/j/rbg/a/b7RjJxp3qgK95xK3M8GNkdQ/ 
  8. https://oceanexplorer.noaa.gov/facts/waves.html
  9. https://ocean.si.edu/planet-ocean/tides-currents/currents-waves-and-tides
  10. https://www.scu.edu/illuminate/thought-leaders/phil-kesten/the-physics-of-surfing.html