Wave and tides are important drivers of circulation, sediment transport and water exchanges between ocean and lagoon in atolls, which in turn, affect the formation and stability of reef islands. Through a combination of field measurements and numerical modelling, this thesis examines the wave- and tidally-induced processes at Rocas Atoll and their implications on sediment dynamics. This comprehends the morphological responses of reef islands, including the effects of sea level rise. Wave, current, tide and topo-bathymetric data were collected during three expeditions to Rocas Atoll, totaling 75 days of in situ measurements. A spectral wave model has been implemented and validated for the Rocas Atoll. Our results demonstrated that the mechanism of circulation and the wave propagation that affects the reef islands morphology are controlled by the interaction of wave climate with the atoll topography. Being under mesotidal setting, there is a strongly tide modulated process in Rocas. The offshore wave climate is dominated by southeast trade wind wave and swell from south and north mid-latitude hemispheres. The swell occurrence has a marked seasonality whereas the southeast wind waves persist during the whole year. Offshore waves are filtered by the reef rim resulting in a more homogenous lagoon wave climate, which is controlled by tide and reef topography. Offshore extreme events are promoted by energetic swells, either from north or south hemispheres. However, extreme events in the lagoon only occur when such offshore events are combined with spring high tide. Wind waves that persistently break on the windward side of the atoll plays an important role on the overall circulation. They pump water into lagoon creating wave- generated currents that flow from the windward to the leeward side of the atoll. A water level threshold exists due to the large tidal oscillation, blocking inflow by wave pumping at lower water levels. This results in periodic variations in the relative importance of tidal controls in lagoon circulation along a tidal cycle interval. Such mechanism described for Rocas Atoll can be extended to other similar mesotidal atolls. The reef islands are located on the leeward of the atoll and present higher morphological changes in response to northern swell. However, no significant net erosion was observed on daily and seasonal time scale, with eroded parts being compensated by accretion on adjacent parts. Conversely, Farol Island had a substantial accretion on a decadal time scale changing from an elongated ridge morphology to horse-shoe shape with three ridges and an intertidal central depression. The changes in the planform configuration were characterized by ocean shoreline erosion and lagoon shoreline progradation, representing net lagoonward migration. Cemitério Island remains stable for the same period, anchored by exposed consolidated sediments on both shores. Results indicate the resilient nature of reef islands and their potential adjustment to changes in boundary conditions. In terms of wave refraction, Rocas Atoll works as a platform reef due to its morphology. Wave vectors converge mainly on the leeward side and an interference zone can be observed from the windward side trough the lagoon. Such refraction pattern controls the location of reef islands and shingle bank on Rocas. Sea level rise displaces the wave convergence zone according to the incident wave incidence climate (swell or wind wave). This indicates that under sea level rise scenarios areas prone to sediment accumulation may become less stable, although not implying in the erosion of reef islands. The results provided an unprecedented dataset for Rocas Atoll, which improves the understanding about the mechanisms that control its reef islands morphodynamics and their ability adapt to changes in boundary conditions. / Os processos induzidos por ondas e marés em atóis são importantes forçantes da circulação, transporte de sedimentos e troca de água entre a laguna e oceano, que por sua vez, afetam a formação e estabilidade das suas ilhas recifais. Através da combinação de modelos numéricos e experimentos de campo, este trabalho teve por objetivo o estudo dos processos induzidos por ondas e marés no Atol das Rocas e suas implicações na dinâmica de sedimentos das ilhas recifais, considerando os efeitos do aumento do nível do mar. Experimentos de campo forneceram séries temporais de ondas, correntes, mares e informações topo-batimétricas ao longo de três expedições ao Atol das Rocas, totalizando 75 dias de levantamentos. Um modelo numérico de propagação de onda foi implementado e validado para a região. Os resultados demonstram que o mecanismo de circulação e de propagação de ondas, que afetam as ilhas recifais, é controlado pela interação do clima de onda com a topografia do atol, sendo fortemente modulados pelas flutuações de meso-maré. O clima de ondas ao largo do atol é dominado por vagas formadas pelos ventos alísios de sudeste e por ondulações geradas em latitude médias de ambos os hemisférios. A incidência das ondulações no atol apresenta uma forte sazonalidade enquanto que a vagas de sudeste persistem ao longo do ano. As ondas ao largo são filtradas pela borda do atol, resultando em um clima de ondas na laguna mais homogêneo e controlado pela maré e topografia do atol. Eventos extremos ao largo são ocasionados por ondulações energéticas tanto do hemisfério sul quanto do hemisfério norte. No entanto, os eventos extremos na laguna só ocorrem quando os eventos energéticos ao largo ocorrem em conjunto com maré alta de sizígia. As vagas que quebram constantemente no lado do atol exposto ao vento são importante forçantes na circulação geral do atol. A partir do processo de quebra, elas são responsáveis por bombear água para a laguna, criando intensas correntes geradas por ondas que fluem do lado exposto para o lado protegido. Este processo, modulado pela maré, resulta em variações periódicas da importância relativa da maré no controle da circulação. Foi também observada a presença de ondas longas dentro da laguna (infragravitacionais) provocada pela quebra do espectro de ondas incidente no recife. Através desses dados, o volume de fluxo de troca de água e o coeficiente de atrito no Barretão foram estimados. O mecanismo descrito para Rocas pode ser aplicado em outros atóis semelhantes sob regime de mesomaré, os quais ainda hoje têm sido pouco estudados. As ilhas recifais estão localizadas no lado protegido do atol e apresentam maiores modificações morfológicas em resposta a incidência de ondulações de norte. No entanto, não foi observado um balanço sedimentar negativo em escala diária e sazonal, com partes erodidas da ilha sendo compensadas por acresção nas partes adjacentes. Em escala decadal, a Ilha do Farol apresentou substancial acréscimo em área (59.6% em 75 anos), modificando sua forma alongada para uma forma de ferradura com formação de uma depressão central. Durante esse processo, o lado da ilha voltado para o oceano foi erodido, enquanto que o lado da laguna foi acrescido, caracterizando uma migração da ilha para a laguna. Não foram observadas modificações significativas na ilha do Cemitério, a qual está estabilizada atualmente pela presença de sedimentos consolidados expostos nos dois lados da ilha. Os resultados indicam que as ilhas são feições resilientes, capazes de se ajustar as mudanças nas condições de contornos. No processo de refração das ondas, devido a sua morfologia, o Atol das Rocas funciona com uma plataforma recifal. Os vetores de ondas convergem no lado protegido e zonas de interferência podem ser observadas no lado exposto e na parte central da laguna. A localização das ilhas e do banco Zulu está relacionada com o padrão de refração, que promovem locais favoráveis à deposição de sedimentos no atol. O aumento do nível do mar promove um deslocamento na posição de convergência das ondas de acordo com o tipo de onda incidente. Isto indica que neste cenário futuro, as áreas deposicionais podem se tornar mais instáveis no atol promovendo o deslocamento das ilhas, mas não necessariamente em uma erosão generalizada. Os resultados obtidos no desenvolvimento deste trabalho forneceram uma série de informações inéditas para o Atol das Rocas permitindo elucidar questões importantes acerca da capacidade de modificações das ilhas recifais em resposta aos processos oceanográficos dominantes no atol.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-22032016-100722 |
| Date | 07 December 2015 |
| Creators | Costa, Mirella Borba Santos Ferreira |
| Contributors | Siegle, Eduardo |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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