O INÍCIO DA MODELAGEM ATMOSFÉRICA
Nilo José do Nascimento Franco
Centro de Estudos de Mudanças Ambientais (CEMA) Instituto de Geociências
nilo_jose@hotmail.com
Resumo: Com o desenvolvimento dos diferentes equipamentos meteorológicos
como termômetro, barômetro entre outros ao longo dos séculos. Permitiram que os movimentos atmosféricos pudessem ser representados graficamente. Com a evolução dos métodos numéricos as equações diferenciais não lineares foram resolvidas. Nos últimos 50 anos, Charney, Fjørtoft e von Neumann (1950) desenvolveram uma previsão de 24 horas. Este trabalho tem por objetivo mostrar o início do desenvolvimento da modelagem numérica da atmosfera que contribuiu não só para compreender melhor a atmosfera como simular o clima num período em que as mudanças climáticas são discutidas pelos diferentes organismos governamentais ao redor do mundo.
Palavras-chaves: história da ciência, história da modelagem atmosférica, previsão
do tempo.
1. Introdução
A meteorologia e atualmente mais conhecida como ciências atmosféricas, sempre estiveram associado historicamente aos enormes desastres e catástrofes ambientais. A maneira para realizar uma previsão do tempo, são utilizadas os critérios técnicos e científicos, e infelizmente o desenvolvimento e o entendimento da atmosfera sempre estiveram associados às inúmeras tragédias. Só para destacar como exemplo, no dia 14 de novembro de 1854, na Crimeia a atual Ucrânia ocorreu uma violenta tempestade resultando assim, no afundamento de 41 navios da frota francesa nessa região. A tragédia foi provocada pelos intensos ventos, e esse fluxo deslocou-se através da Europa em três dias, período suficiente para transmitir a informação por telégrafo através do continente. Porém, naquela época ainda não havia uma rede de informações que permitisse isso, e em alguns casos para contornar esses problemas eram utilizados pombos correios que levavam as informações de pressão e ventos das regiões mais distantes (DURSCHMIED, 2004).
Depois do afundamento dos navios franceses, um serviço nacional de meteorologia foi criado na França. Ficando a cargo de Urbain Le Verrier (1811-1877) astrônomo para a sua implantação, é importante ressaltar, que esse pesquisador foi o que descobriu o planeta Netuno por meio de cálculos em 1846 e desde 1854 dirigia o Observatório de Paris. Para poder realizar um monitoramento preliminar, organizou uma rede de observadores que passaram a monitorar os fenômenos atmosféricos a partir de 24 estações de observação de superfície espalhadas por quase todo o território francês, sendo que 13 delas os dados eram enviados por telégrafo. Além disso, o observatório recebia medições vindas de vários países da Europa. Em 1865, essa rede já contava com 59 observatórios em todo o continente. Permitindo assim, um melhor monitoramento das condições atmosféricas. Verrier implementou um sistema de mapas diários. As medições eram realizadas com tinta preta o sentido dos ventos com um traço e flechas, sua força usava o número de barbelas onde o traço indicava um vento mais ou menos forte e a pressão atmosférica (Figura 1.1).
Figura 1.1: Análises isobáricas realizadas pelo observatório em Paris em 1864
Por volta de 1890, o meteorologista americano Cleveland Abbe (1901) tinha reconhecido que a meteorologia era a aplicação da hidrodinâmica e termodinâmica para os movimentos da atmosfera. Tal fato se deve ao desenvolvimento da termodinâmica, no século 19 onde através seus resultados pode se ter uma melhor interpretação do início dos princípios físicos que regulam o fluxo da atmosfera. Em seu artigo, a base física do tempo de longo da previsão, Abbe propôs uma abordagem matemática para a previsão. Ele expressou a esperança de que os cientistas atmosféricos pudessem compreender os problemas da atmosfera e
desenvolver através dos métodos gráficos, analíticos ou numéricos uma ferramenta para resolver as equações. Uma análise mais explícita do problema da previsão do tempo a partir de uma teoria científica ponto de vista foi feito pouco depois pelo cientista norueguês Vilhelm Bjerknes onde estabeleceu um plano de duas etapas para uma previsão racional: a etapa de diagnóstico, em que o inicial estado da atmosfera é determinado usando as observações, e um passo de prognóstico, em que as leis do movimento são usadas para calcular a esta mudança de estado ao longo do tempo.
Abbe e Bjerknes tiveram que simplificar utilizando a hipótese hidrostática e transformada para uma solução aproximada. A ideia fundamental é que as pressões atmosféricas, onde as velocidades do fluxo dos ventos e de outros parâmetros estão nas diferentes latitudes, longitudes e alturas de modo a dar um perfil geral da atmosfera.
Havia uma grave escassez das observações, principalmente sobre os oceanos como também para o ar superior, mas Bjerknes estava otimista, pois ja estavam em andamento os programas internacionais de observação para serem implementados na International Comissão para Scientific Aeronáutica, o que permitiria fornecer um diagnóstico razoável do estado da atmosfera.
Para realizar uma previsão, ou seja, um prognóstico da atmosfera seria necessário realizar uma montagem de um conjunto de equações, uma para cada variável dependente descrevendo a atmosfera. Bjerknes listou sete variáveis básicas: pressão, temperatura, densidade, umidade e três componentes de velocidade. Ele, então, identificou as equações independentes: três equações hidrodinâmicas do movimento, a equação de continuidade, a equação de estado e as equações da primeira e segunda lei da termodinâmica.
Finalizando Bjerknes desenvolveu um método qualitativo e cujo produto final correspondia a um conjunto de tecnicas gráficas para resolver as equações, como não poderia resolvê-las numericamente a solução analítica estava fora de questão. Sua idéia era representar o estado inicial a atmosfera por uma série de gráficos que dão em diferentes níveis a distribuição das variáveis. Os métodos gráficos baseados nas equações fundamentais podem ser aplicados para a construção de um novo conjunto de gráficos que descrevem a atmosfera algumas horas mais tarde. Este processo pode ser usado até a distância desejada e tendo como objetivo o resultado final da previsão. O pesquisador Bjerknes observou que na astronomia, havia
previsões com uma enorme precisão, e com relação métodos de meteorologia este também poderiam ser possíveis. E afirmou que um dos seus objetivos consistia em fazer da meteorologia uma ciência exata, ou seja, uma verdadeira física da atmosfera.
2. As pesquisas preliminares
Como todo o pesquisador nesse período Bjerknes não viu nenhuma possibilidade de colocar suas ideias em prática e principalmente operacionalmente. Porém, o cientista inglês Lewis Fry Richardson foi mais ousado, ao tentar uma solução direta das equações do movimento. Richardson teve contato pela primeira vez com as ideias de Bjerknes para a realização de uma previsão racional quando foi nomeado para ser o Superintendente do Eskdalemuir Observatory, na Escócia, no setor de Meteorologia em 1913.
A ideia de Richardson consistia na ideia de poder representar os princípios físicos que regem o comportamento da atmosfera, como um sistema de equações matemáticas e aplicar o seu método das diferenças finitas para resolver este sistema. Ele já tinha usado o método tanto graficamente quanto numericamente para resolver as equações diferenciais.
3. Período de 1942 e 1955
No período entre a segunda guerra mundial foram fundamental, para desenvolvimento da meteorologia moderna, os acontecimentos oriundos da guerra acelerou esse processo que ocorreram entre 1942 e 1955, com a influência direta de von Neumann, foram marcantes para transformar a Meteorologia. Esse pesquisador quando em conjunto com Carl-Gustav Rossby (1945), em Meteorologia Dinâmica, ficou admirado em saber que a previsão numérica do tempo, era dependente da habilidade de cada previsor e estava longe de realmente ser um ramo da Física aplicada. Por exemplo, os meteorologistas alemães e americanos divergiram muito sobre a previsão para o Dia D da invasão da Normandia por forças aliadas. Os previsores alemães disseram a Rommel que o tempo, no dia 5 de junho de 1944, estaria tão ruim que ele não deveria se preocupar com uma invasão (DURSCHMIED, 2004).
4. O Período do computador
Com todo o conhecimento numérico que se iniciava a Meteorologia, ainda faltava uma ferramenta que pudesse transformar operacionalmente as previsões.
Em julho de 1955, foi criado a Joint Operational Numerical Weather Prediction Unit nos Estados Unidos, em conjunto com o Weather Bureau, o Air Weather Service e o Naval Weather Service tinham como objetivo a elaboração mapas com o objetivo operacional, usando um sistema totalmente computadorizados, com um computador IBM 701. Assim, com a criação de uma equipe meteorologistas coordenada por Jule Gregory Charney (1951), foi realizada a primeira previsão numérica de tempo bem sucedida no computador Electronic Numerical Integrator and Compute - ENIAC, localizado na U.S. Army Aberdeen Proving Ground, em Maryland (Figura 4.1). Para realizar a programação era necessário uma grande quantidade de pessoas que percorriam as longas filas de interruptores dando ao ENIAC as instruções necessárias para computar, ou seja, calcular. Com uma equipe de 80 mulheres na Universidade da Pensilvânia cuja função era calcular manualmente as equações diferenciais necessárias para os cálculos de balística. O exército chamava a função destas pessoas: computadores. A história da previsão de tempo teve ainda para compor a equipe Ragnar Fjørtoft, professor visitante norueguês, e von Neumann revolucionou, em 1950, dava-se início à fase mais científica desta área da Física aplicada.
Finalizando, o primeiro modelo com o objetivo de ser operacional, a sua estrutura numérica possuía uma representação bastante simplificada da atmosfera, em um só nível abrangendo 5 km e correspondia a 65% dos padrões característicos das condições atmosféricas em escala planetária.
Conclusão
Esse trabalho mostra que para realizar uma pesquisa leva anos, e em especial a Previsão Numérica do Tempo. Que tinha além de conjunto de equações, o processo para que se tornar operacionalmente deveria ter uma ferramenta para que pudesse aperfeiçoar melhor e mais rapidamente e nesse caso foi o computador. Contribuindo para hoje em dia sejam realizados milhões de cálculos. Como também previsões futuras da atmosfera como compreender o período da atmosfera de milhares de anos atrás.
Referências
ABBE, C. 1901. The physical basis of long-range weather forecasts. Monthly Weather Review, 29, 551–561.
CHARNEY, J. G. 1951. Dynamic forecasting by numerical process, Compendium of Meteorology, American Meteorological Society, Boston, pp. 470–482.
CHARNEY, J. G.; FJØRTOFT, R.; von NEUMANN, J. 1950. Numerical Integration of the Barotropic Vorticity Equation. Tellus 2: 237–254
DURSCHMIED, E. 2004. Como a natureza mudou a história. Ediouro Publicações S. A. 350p.
ROSSBY, C. -C. 1945. On the propagation of frequencies and energy in certain types of oceanic and atmospheric waves. J. Meteor., 2, 187-204.
