A física quântica e a previsão do tempo

(continuação)

Prever o tempo consiste em determinar os estados futuros da atmosfera a partir do conhecimento do tempo num determinado momento, designado estado inicial, e das condições de fronteira, que consistem na ação (forçamento) que os outros componentes do sistema climático (litosfera, hidrosfera, criosfera e biosfera) exercem sobre a atmosfera.

A previsão do tempo é feita atualmente com recurso a modelos numéricos, os quais correm em computadores digitais. A primeira experiência bem-sucedida ocorreu em 1950, com recurso ao primeiro computador deste tipo construído nos Estados Unidos da América, designado por ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), em que o sistema operacional funcionava com base em cartões perfurados manualmente por operadores do exército.

Antes de 1950 a previsão do tempo fazia-se essencialmente recorrendo ao método preconizado por Bjerknes1. Segundo este método, a previsão assentava em duas etapas: diagnóstico e prognóstico. Na primeira traçavam-se manualmente, em cartas de superfície, linhas de igual pressão atmosférica (isóbaras) e, nas cartas isobáricas de altitude (em geral cartas dos níveis 700, 850, 500, 300 e 200 hectopascais – hPa), linhas de igual altitude (isoípsas). Tanto as isóbaras como as isoípsas permitem detetar os vários sistemas meteorológicos (depressões, anticiclones, vales, cristas, sistemas frontais, correntes de jato, etc.).

Com o advento dos satélites meteorológicos, na década de 1960, o diagnóstico passou a ser enriquecido, o que beneficiou grandemente as previsões. Na segunda etapa (prognóstico) projetava-se o estado inicial para algumas horas depois, com base na sequência de cartas das horas sinóticas principais anteriores (00:00, 06:00, 12:00, 18:00, 24:00, etc.). Atendendo a que a estes sistemas meteorológicos correspondem a determinados tipos de tempo, e entrando também em consideração com as características das massas de ar, os meteorologistas previam as condições meteorológicas predominantes nas 24 e, quando muito, 48 horas seguintes.

Com o aumento progressivo do poder de cálculo dos computadores, o trabalho manual de análise e previsão foi sendo progressivamente substituído pelo traçado automático de cartas de análise e de prognóstico. O trabalho dos meteorologistas operacionais deixou de ser caracterizado por uma certa subjetividade, para ser dedicado mais à interpretação das cartas obtidas com recurso a modelos numéricos.

Atualmente, a previsão do tempo é efetuada com recurso a modelos numéricos que simulam o comportamento da atmosfera. Para esse efeito, recorre-se a modelos meteorológicos em que se considera a superfície da Terra coberta por uma grelha formada por uma rede de pontos equidistantes, tanto horizontal como verticalmente. Esta grelha permite dividir a atmosfera em células, às quais correspondem blocos tridimensionais que se estendem por várias camadas da atmosfera (em geral 10 camadas). A cada quadrado da malha passa a corresponder, verticalmente, 10 blocos que se sobrepõem até à estratosfera, ou mesmo até à mesosfera, conforme o modelo. Na década de 1990 essas células tinham cerca de 500 km de lado, mas com o aumento do poder de cálculo dos computadores as dimensões foram diminuindo progressivamente.

O tempo em cada um dos pontos da grelha, num determinado momento, designa-se por estado inicial. Com base neste estado, que é conhecido, e nas chamadas condições de fronteira, o modelo matemático calcula os estados futuros da atmosfera.

As variáveis que definem o estado do tempo (pressão, temperatura, humidade, vento, etc.), num determinado momento, estão relacionadas entre si pelas designadas equações primitivas, que são expressões matemáticas que traduzem as leis fundamentais da física aplicadas à meteorologia. Parte-se do princípio de que a evolução do estado do tempo é determinística, ou seja, conhecido um estado inicial e as condições de fronteira, e resolvendo as equações primitivas, consegue-se prever os estados futuros. Em princípio, quanto menores forem as células, maior é a precisão dos modelos e maior terá de ser o poder de cálculo dos computadores para produzirem previsões em tempo útil. É neste aspeto que reside a importância dos computadores quânticos.

Note-se que os primeiros cálculos com o computador ENIAC, devido ao seu fraco poder de cálculo, não tinham na realidade utilidade prática, atendendo a que o tempo que levavam a resolver as equações era superior ao período de validade da própria previsão. No entanto, foi um passo importante para o progresso da previsão matemática do tempo.

A qualidade da previsão depende não só dos modelos numéricos que servem de base às previsões, mas também da interpretação dos meteorologistas. Modelos diferentes podem dar origem a previsões diferentes para o mesmo local ou região. Para confirmar esta disparidade das previsões basta procurarmos na Internet qual o tempo previsto para o mesmo período e local, elaboradas por instituições diferentes. Constata-se que as previsões, apesar de serem baseadas nos mesmos dados resultantes da observação, não jogam, por vezes, umas com as outras.

De acordo com especialistas na área da computação quântica, os computadores quânticos, devido à sua elevada capacidade de cálculo e de processamento de grandes quantidades de dados, poderão contribuir para aumentar significativamente o grau de fiabilidade dos modelos meteorológicos e climáticos, contribuindo para respostas mais efetivas sobre as alterações climáticas.

Meteorologista

– Vilhelm Bjerknes (1862-1951) – físico e meteorologista norueguês. Um dos fundadores da Previsão do Tempo como ciência