O mecanismo de autopropulsão de vórtices oceânicos: uma revisão

Abstract

Oceanic eddies are effective carriers of momentum, mass, heat, of chemical and biological characteristics associated generally with their place of origin. These features exercise influence on global circulation, in the distribution of large-scale water masses and in the biology of the oceans. This influence does not only involve the transfer of energy and properties associated with the place of origin of the eddy but also their strong performance in mixing processes. The motion of eddies across the oceans are primarily driven by three factors: the self-propulsion which is intrinsic to the feature and moves it towards the west; the advection by others currents and the influence of eddies nearby. This work focuses on the first point, where the self-propulsion of isolated eddies is widely reviewed and discussed. The expression that allows the approximate calculation of the translation speed of isolated vortices is deduced. The basic equations (shallow water, the Bernoulli function and integrated meridional momentum) required for this development are presented and discussed as well as the meridional forces that act on these features in motion, where the mathematical formalism associated with each of them is also reviewed. This review shows that all isolated vortices are self-propelled towards the west, regardless of the hemisphere considered. It also shows that three meridional forces act on the eddies in motion: (1) the β force, due to the difference of the Coriolis parameter between the northern and southern hemispheres of the eddy, (2) the Coriolis force and the (3) ambient force, due to the action of the external fluid on the isolated eddy. Several analyses can be made with respect to these forces and this review also presents, as an example, a comparison of the β forces acting in anticyclonic and cyclonic eddies, with the same characteristics, moving in the southern hemisphere. It is concluded that the β force in the former is greater than the force in the latter. This study also comments aspects related with the balance of forces on particles rotating inside the eddy, where the gradient, geostrophic, quasi-geostrophic and cyclostrophic balances are discussed.

Vortices oceanicos sao efetivos transportadores de momentum, massa, calor, de características químicas e biológicas associadas, em geral, com o seu

˜ ˆ ˜ ˜ ´ ˆ local de origem. Estas feições exercem influência na circulação global, na distribuição de larga escala de massas d’agua e na biologia dos oceanos. Esta influência

˜ ˆ ´ ´ ˜ não envolve somente transferencia de energia e de propriedades associadas com o local de origem do vórtice, mas tambem a sua acentuada atuação em processos de

´ ´ ˆ ˜ ´ ` ˜ mistura. O movimento dos vórtices pelos oceanos e influênciado básicamente por três fatores: a autopropulsão intrínseca a feição, que a impulsiona no sentido oeste; a

˜ ˆ ´ ´ ˆ ´ advecção por correntes externas e a influência de vórtices próximos. Para um melhor entendimento da importância dos vórtices nas largas escalas o seu comportamento

˜ ´ ´ ˜ isolado deve ser estudado. Este trabalho se concentra no primeiro aspecto, onde a autopropulsão de vórtices isolados e amplamente revisada e discutida. A expressão que permite o cálculo aproximado da velocidade de translação de vórtices isolados e deduzida. As equações básicas (águas rasas, função de Bernoulli e integrada do momentum meridional)necessárias para este desenvolvimento são apresentadas e discutidas, assim como as forçaas meridionais que atuam sobre estas feições em movimento, onde o formalismo matemático associado a cada uma delas e também revisado. Esta revisão mostra que todos os vortices isolados são autopropulsionados no sentido oeste, independentemente do hemisfério considerado. Mostra ainda que tres forças meridionais atuam sobre os vórtices em movimento: (1) a força β, devida a diferença do parâmetro de Coriolis entre os hemisférios norte e sul do vortice, (2) a força de Coriolis e a (3) força ambiente, devida a ação do ambiente externo sobre o vórtice. Diversas análises podem ser feitas com respeito a estas forças e esta revisão tambem apresenta, como exemplo, uma comparação da força β que atua na situação de vórtices anticiclonicos e ciclonicos, de mesmas características, em trânsito no hemisfério Sul. Conclui-se que a forc¸a β do primeiro e superior a do segundo. O presente estudo aborda ainda aspectos relacionados com o balanço de forças sobre as partículas em rotação dentro de um vórtice, onde os balanços gradiente, geostrofico, quase geostrófico e ciclostrófico são discutidos.