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ANÁLISE

Texto baseado no relato de acontecimentos, mas contextualizado a partir do conhecimento do jornalista sobre o tema; pode incluir interpretações do jornalista sobre os fatos.

O que gêmeo da Terra criado no computador pode nos revelar sobre o planeta

moritz320/ Pixabay
Imagem: moritz320/ Pixabay
Daniel Schultz, Monica Matsumoto, Shridhar Jayanthi, Guilherme Pimentel , Luiz Gustavo Martins e Cristina Schultz

sobre os colunistas

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É formada em engenharia pelo ITA, doutora em ciências pela USP e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi

Shridhar Jayanthi é agente de patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO). Tem doutorado em engenharia elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de engenheiro de computação pelo ITA. Atualmente, trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Guilherme Pimentel

Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda, onde trabalha com novas teorias para explicar a expansão acelerada do Universo. Possui graduação em engenharia eletrônica, mestrado em física pelo ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) e doutorado em física na Universidade de Princeton. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas.

Luiz Gustavo Martins

Luiz Gustavo Martins é engenheiro químico, mestrado em física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no MIT (Massachusetts Institute of Technology), na área de física do estado sólido experimental, onde trabalha espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura) e física de altas pressões.

Cristina Schultz

Cristina Schultz é oceanógrafa formada pela USP (Universidade de São Paulo), com mestrado em meteorologia pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e doutorado em oceanografia química pelo WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) e o MIT (Massachusetts Institute of Technology). Atualmente é cientista visitante na Universidade de Princeton, no NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos). Sua pesquisa combina o uso de dados coletados em cruzeiros oceanográficos, dados de satélite e modelos climáticos para entender as consequências das mudanças climáticas na química do oceano e no ecossistema marinho.

Cristina Schultz

21/03/2021 04h00

Nenhum fenômeno da natureza pode ser estudado de maneira isolada. Plantas influenciam a atmosfera ao emitir compostos que promovem a formação de nuvens, ventos podem transportar areia de desertos por milhares que quilômetros até o oceano, onde a areia se torna uma importante fonte de ferro necessária para fotossíntese, e a formação e derretimento de gelo no Ártico geram correntes oceânicas que por sua vez influenciam o clima na América do Norte e Europa.

Uma forma de estudar a natureza de uma maneira mais completa é utilizar modelos do sistema terrestre, que são simulações que levam em conta como o planeta todo funciona.

A ideia é criar um programa de computador que simule todos os componentes do nosso planeta, criando um "gêmeo" da Terra. Assim, é possível testar o que aconteceria caso alguma mudança ocorra.

Para isso, é necessário o máximo de informação possível sobre a física, química e biologia dos oceanos, da atmosfera, da camada de gelo (criosfera), dos rios e da vegetação, bem como informação sobre variações na quantidade de energia que a Terra recebe do Sol e sobre o impacto de cidades no ambiente.

Para criar uma simulação do planeta todo, portanto, são necessárias décadas de estudo por diversos grupos de pesquisa especializados em cada um desses componentes. Diferentes grupos são responsáveis por coletar e interpretar os dados disponíveis e por criar equações matemáticas que descrevam o comportamento de algum componente do sistema terrestre.

Um exemplo de problema que tem que ser descrito é a influência da biologia do oceano na quantidade de gás carbônico presente na atmosfera. Fitoplânctons, que são pequenas algas responsáveis por produzir metade do oxigênio do planeta, utilizam gás carbônico dissolvido na água para fazer fotossíntese.

Com isso há uma série de efeitos possíveis: com menos gás carbônico na água (já que uma parte foi utilizada pelo fitoplâncton) o oceano pode absorver mais carbono da atmosfera, o carbono do fitoplâncton pode afundar para o fundo do oceano (o que garante que esse carbono não vai retornar para a atmosfera durante um bom tempo), ou, se a respiração do ecossistema marinho for maior do que a quantidade de fotossíntese, o oceano pode emitir mais carbono para a atmosfera.

As equações que descrevem esses processos, portanto, dependem de saber quais tipos de fitoplâncton existem, como eles crescem em diferentes ambientes, quais são os predadores, como ocorre a troca de gases entre a atmosfera e o oceano, quanto carbono é transportado para o fundo do oceano e por aí vai.

Só descrevendo brevemente um dos componentes de um modelo do sistema terrestre já dá para ter uma ideia de que se trata de um trabalho hercúleo que envolve conhecimento sobre diversas áreas e muitos anos para testar as equações e saber se elas realmente refletem o que ocorre no planeta.

Uma limitação dos modelos é que ao incluir toda a informação necessária, a quantidade de equações gera programas extremamente grandes, que requerem supercomputadores criados para esse fim e times dedicados a melhorar a eficiência computacional dos modelos.

A capacidade de processamento dos computadores acaba determinando outra parte importante do processo, que é a resolução.

Parte de fazer uma simulação da Terra é criar uma grade que simule o mapa do planeta, com diversos pontos que contenham informação sobre uma determinada parte do globo, como se a área é no oceano ou continente, qual a profundidade (no caso do oceano) ou altitude (no caso do continente), se é coberta por florestas e etc.

Essa informação vai determinar quais equações têm que ser resolvidas em cada ponto, e a distância entre dois pontos dessa grade vai determinar a resolução do modelo.

No caso de um modelo bem preciso (alta resolução), a distância entre dois pontos pode ser de algumas centenas de metros ou um quilômetro, o equivalente a alguns quarteirões. Num modelo menos preciso, a distância entre os pontos pode ser de um grau de latitude/longitude, o que corresponde aproximadamente à distância entre João Pessoa e Recife.

Algumas aplicações desses modelos requerem uma resolução bem alta, como, por exemplo, estudar o efeito da variação de ventos sobre o clima de uma região que envolve uma montanha ou uma baía.

Uma grade global de alta resolução, no entanto, pode ser inviável já que torna o modelo "pesado" demais até para supercomputadores. Uma maneira de contornar esse problema é construir uma grade diferente com alta resolução para uma parte do planeta, enquanto a maior parte do planeta tem uma resolução menor. Essa técnica é chamada aninhamento de grades.

Com a flexibilidade de escolher a resolução do modelo e os processos que vão ser incluídos, e com computadores cada vez melhores, esses programas criam simulações realistas da Terra que nos permitem estudar problemas bem específicos, saber quais as causas de variações no clima e testar hipóteses sobre o futuro do planeta.

É possível estudar não só como vai evoluir a temperatura do planeta e a incidência de eventos climáticos extremos, mas também como o ecossistema e a composição da atmosfera e do oceano vão variar, gerando informação sobre impactos na saúde e em recursos naturais.

Conforme projetos de geoengenharia vão ganhando tração, esses modelos também se tornam ferramentas essenciais para testar os impactos diretos e indiretos da implementação desses projetos no planeta.

** Este texto não reflete, necessariamente, a opinião do UOL