Um sinal do céu – Unespciência
Edição 58 novembro 1, 2014agosto 14, 2017
Nova técnica aproveita ondas de rádio emitidas pelos satélites do sistema GPS para calcular variações do nível do mar, e transforma ruído em informação
Criado em 1963 pelos Estados Unidos para guiar com mais precisão os seus aviões e navios de guerra, o Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global), mais conhecido como GPS, tem hoje uma infinidade de aplicações, além da simples localização de um ponto na superfície da Terra. Ele pode ser usado, por exemplo, para verificar o movimento do chão causado por terremotos e vulcões, acompanhar tsunamis, detectar quedas e desmoronamento de barragens, prédios e construções, e até no plantio e na colheita na agricultura e na análise da posição e estratégia de jogadores dentro de um campo de futebol. Agora, uma pesquisa da Unesp tornou possível um novo uso para o sistema: monitorar o nível médio do mar.
O engenheiro cartógrafo Felipe Geremia Nievinski, pós-doutorando da Faculdade de Ciência e Tecnologia (FCT), do câmpus de Presidente Prudente, teve a ideia quando estava fazendo doutorado na Universidade do Colorado em Boulder, nos Estados Unidos. Ele participou do desenvolvimento de uma técnica que usa o sinal emitido pelo GPS para medir a variação do acúmulo de neve no solo, que, aliás, é uma das principais fontes de água potável por lá.
"Para nós no Brasil, dada a sua pequena ocorrência, o trabalho não seria de grande utilidade", diz João Francisco Galera Monico, supervisor de Nievinski. "No entanto, a grande inovação é sua aplicação para o monitoramento do nível de água, algo que até então não tinha sido realizado com GPS no Brasil", conta Monico. Além de Nievinski e de Monico, a pesquisa envolveu também o bolsista de iniciação científica Matheus Ferreira e Silva. "Matheus processou os dados, apresentou o trabalho e preparou o pôster, além de outras atividades. A colaboração dele foi fundamental", diz Nievinski, que no ano passado recebeu o prêmio Bradford W. Parkinson, concedido pelo Institute of Navigation (ION), a principal associação internacional de profissionais na área de GPS.
Os satélites do sistema GPS emitem continuamente para a Terra ondas de rádio na frequência de 1,5 GHz. Elas podem ser captadas por vários tipos de receptores espalhados pelo planeta, que vão desde aqueles aparelhinhos usados em automóveis e celulares até sistemas de navegação de navios e aviões. O sinal também pode ser capturado por estações fixas, como as 101 que integram a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC). Junto com a Rede Maregráfica Permanente para Geodésia (RMPG), composta por cinco estações, ela é mantida pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) e tem como objetivo apoiar levantamentos geodésicos e topográficos, como a determinação de latitude, longitude e altitude de áreas e terrenos urbanos e rurais.
Para entender a técnica que o grupo vem desenvolvendo é preciso ter em mente que as ondas do sinal de rádio não são como um fio, que sai do satélite e atinge apenas a ponta da antena receptora em terra. Cada uma delas tem uma largura – chamada frente de onda – que tende ao infinito. Ao sair do emissor ela é esférica, mas quando chega à superfície da Terra pode ser considerada plana. Essa frente chega à antena, mas também a seus arredores, no solo. Outro dado importante é que as ondas chegam em ciclos, uma atrás da outra, como os vagões de um trem. Como as antenas estão acima do nível do solo, os "vagões" chegam primeiro a elas, e depois ao chão. Ao chegar à superfície, as ondas são refletidas pelo solo, a vegetação e a água do entorno do receptor.
É aí que entra a técnica usada pela equipe, a reflectometria por multicaminho. Multicaminho é a recepção simultânea de uma transmissão de forma direta (pela linha reta) e de forma indireta (rebatida ou refletida). Reflectometria é a medição de propriedades de superfícies usando reflexões, que podem ser de raios X, de nêutrons, de ondas de rádio e outras. Por fim, a reflectometria por multicaminho com GPS é a combinação dessas técnicas. Ela tem aplicações no monitoramento ambiental no entorno de uma estação dotada desse aparelho, como, por exemplo, da umidade do solo, do nível da água (dos mares e reservatórios), além da espessura da camada de neve acumulada no solo.
Estudos já apontam variações do nível do mar ao redor do globo. A nova tecnologia possibilitará monitorar estas mudanças de uma perspectiva regional, assim como acompanhar em tempo real os riscos de enchentes em rios e represas
Trocando em miúdos: as antenas captam as ondas emitidas diretamente pelos satélites, mas também aquelas refletidas pelo solo. Na verdade, esse sinal rebatido é um problema nas aplicações do GPS, pois gera "ruído" e interferências, que podem prejudicar as informações sobre localização e posicionamento. Esse fenômeno, no entanto, torna possível a nova metodologia. "O que seria visto como erro em algumas aplicações, pode fornecer informações aproveitáveis", diz Galera. "Por isso, o trabalho pode ser útil em aplicações ambientais."
O que a técnica faz é aproveitar a diferença de tempo entre a chegada do sinal direto e do indireto à antena. Sabendo a altura da antena – no caso dos testes, ela tinha 2,5 metros – é possível calcular o nível do mar. "Uma forma fácil de fazer isso seria instalar um GPS numa boia e deixá-la acompanhar o sobe e desce das marés", explica Nievinski. "Mas queremos medir o nível do mar de longe, sem tocar na água." Para isso, os pesquisadores utilizam a distância que a onda percorre desde o satélite até o receptor, pelos dois caminhos. O refletido é mais longo do que a linha reta. Comparando as duas distâncias, e lembrando que o mar não é inclinado, é possível converter a diferença entre elas em uma altura (veja abaixo).
Para que esse cálculo seja possível, a localização da antena deve atender a alguns pré-requisitos. Ela precisa estar próxima da costa e ter uma linha de visada direta para o mar. Das 101 estações da RBMC, não mais do que cinco atendem a essas exigências. Nos testes foi utilizada a estação SSA1, da Capitania dos Portos, em Salvador, na Bahia. A estação tem um marégrafo convencional a 150 metros, o que permitiu comparar os dados desse instrumento com aqueles medidos via GPS.
Todas as estações da RBMC são dotadas de aparelhos de GPS. Destinam-se a outras finalidades, como, por exemplo, servir de apoio para os levantamentos topográficos. A RMPG possui aparelhos denominados marégrafos, que permitem o monitoramento do nível médio do mar no país. Mas são somente cinco ao longo dos 7.367 quilômetros da costa brasileira. A ideia agora é usar os da RBMC como marégrafos alternativos, desempenhando a mesma função que os que existem na outra rede, a RMPG. Ou seja, os GPSs da RBMC poderiam complementar e ampliar a RMPG. E com vantagens em relação aos marégrafos comuns.
Segundo Nievinski, as redes maregráficas tradicionais enfrentam uma série de dificuldades, como por exemplo a movimentação dos instrumentos e a necessidade de correção das derivas. "É necessário ainda evitar e isolar a possibilidade de que deformações, causadas pelo soerguimento ou rebaixamento da crosta terrestre ou afundamento do píer ou quebra-mar, por exemplo, sejam interpretadas erroneamente como alterações no nível médio do mar", explica o pós-doutorando da Unesp. A observação é trabalhosa, e não acontece com a periodicidade desejável. Por fim, há lacunas observacionais, tanto ao longo do tempo, por causa de panes, quanto espacialmente, devido à esparsa cobertura ao longo da costa.
Para Monico, os resultados obtidos até agora demonstram que, embora o sistema GPS não tenha sido desenvolvido especificamente para medir o nível do mar, pode, sim, ser usado para esta finalidade. "Estações costeiras equipadas com esse aparelho podem fazer esta verificação. Outro possível uso para a reflectometria por multicaminho pode vir a ser o de monitorar os níveis de represas e rios. No futuro, quem sabe, estas aplicações possam auxiliar na previsão de problemas ambientais como alagamentos e enchentes."
Outro benefício está na ampliação do entendimento das consequências das mudanças climáticas nas regiões costeiras. Já existem diversos estudos apontando para um inequívoco aumento global do nível médio do mar. "Regionalmente, no entanto, essa variação pode ser maior ou menor do que o valor integrado global. E em algumas localidades o nível do mar está diminuindo", explica Nievinski.
O risco climático ao qual cada cidade costeira brasileira está exposta será melhor estimado se houver mais medições junto ao oceano. Além disso, muitas regiões urbanas estão localizadas em vales de rios sujeitos a severas inundações. Para o departamento de defesa civil dessas localidades, a possibilidade de monitorar, em tempo real, as variações de nível das águas seria um benefício estratégico.
Pensando-se numa escala mais ampla, é possível imaginar a nova tecnologia desempenhando o mesmo papel por toda a América Latina, valendo-se de um sistema de monitoramento mais amplo. "Com as redes existentes, como a RBMC, o Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas (Sirgas) e a Rede de Observação GPS Operando Continuamente no Caribe (COCONet, na sigla em inglês) cobre-se boa parte das Américas, o que possibilita a prática da reflectometria em diferentes regiões e climas", diz Nievinski. "Isso viabiliza o compartilhamento da infraestrutura de rastreio, que pode ser empregada para levantamentos de meteorologia, aeronomia (estudo da física e da química da alta atmosfera), geofísica, e agora também maregrafia. Isso atesta a versatilidade do GPS e agrega valor à RBMC."