Pesquisadores que trabalham na NASA encontraram uma maneira potencialmente revolucionária de medir o calor escondido nos oceanos da Terra: rastrear as mudanças sutis no campo magnético do planeta causadas por marés, ondas, turbilhões e até tsunamis.

Simplificando, o sal na água do oceano torna-o condutor, e à medida que ele flui e flui, arrasta o campo magnético da Terra de um lado para o outro. Sensores de campo magnético altamente sensíveis, como os da missão Swarm de três satélites da Agência Espacial Européia, podem detectar essas mudanças magnéticas e o cientista Robert Tyler da Universidade de Maryland e seu colega Terence Sabaka da NASA Goddard Space Flight Center demonstraram – pelo menos No nível de prova de conceito – que tais dados podem ser usados ​​para determinar o conteúdo de calor escondido do oceano.

“Quanto maior a condutividade do oceano, melhor será o arrastar”, disse Tyler, falando no Encontro de Cúpula da União Geofísica Americana, no mês passado, em San Francisco, Califórnia, e quanto maior a temperatura da água, melhor a condutividade.

Para entender completamente esse efeito, precisamos levar um pouco de mergulho na terminologia para entender a diferença entre condutância e condutividade . Se você preferir ignorar este geekery, role para baixo para “Então o quê?”

Condutância, medida em siemens , é o grau em que um objeto real – ou área do oceano – conduz a eletricidade. A condutividade, medida em siemens por metro, é o grau em que a substância que compreende um objeto conduz a eletricidade, independentemente da quantidade específica, forma ou configuração.

Como Tyler disse The Reg : “Condutância (unidades de S) é a condutividade elétrica (unidades de S / m) integrado através da profundidade do oceano.”

Ainda não está claro o suficiente? Isso pode ajudar .

O que é importante é que Tyler, trabalhando com colegas da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica ( NOAA ), examinou o conjunto de dados globais da temperatura e salinidade do oceano (a concentração de sal e outros compostos inorgânicos).

“A partir disso”, ele disse ao The Reg , “calculamos a condutividade e então descobrimos que enquanto a condutividade varia com a salinidade e a temperatura de uma forma regional, a condutância realmente varia principalmente com apenas a profundidade-integral da temperatura (calor). É que se inferir condutância a partir de dados magnéticos isso pode ser convertido em calor conteúdo “.

Bingo. Uma nova maneira de medir o conteúdo de calor oceânico totalmente integrado.

E daí?

Como tem sido provado repetidamente em vários estudos revisados ​​por pares, e aceito como realidade pela grande maioria dos cientistas climáticos do mundo, a Terra está cada vez mais experimentando um desequilíbrio de sua entrada e saída de energia solar.

Este desequilíbrio é devido a um aumento nas concentrações atmosféricas de certos gases, tais como dióxido de carbono (CO ₂ ), metano (CH ₄ ), óxido nitroso (N ₂ O), e outros, cujas estruturas moleculares absorvem e re-irradiam infravermelho Energia em comprimentos de onda específicos, devolvendo parte dessa energia para aquecer a Terra, oceanos, lençóis de gelo e atmosfera inferior (troposfera).

Embora a quantidade desse desequilíbrio de calor seja atualmente pequena – cerca de 0,6 ± 0,4 watts por metro quadrado (W / m ² ) de toda a entrada de 340 W / m ² – isso é suficiente para lançar o equilíbrio térmico do nosso planeta, No clima.

Além disso, de acordo com Tim Boyer dos Centros Nacionais de Informação Ambiental da NOAA, também falando na Reunião de Outono da AGU: “Mais de 90% desse desequilíbrio no balanço térmico da Terra está indo para os oceanos”.

Mas ainda há incertezas sobre como esse conteúdo de calor é distribuído no oceano, e isso é um problema quando se trata de desenvolver modelos para prever com precisão as correntes oceânicas, variabilidade do conteúdo de calor a curto e longo prazo, robustez da folha de gelo, distribuição futura do fitoplâncton , migrações de pescarias, e semelhantes.

Além do mais, mesmo que o oceano como um todo está se aquecendo, certas partes estão esfriando ou se aquecendo em uma taxa mais lenta. Uma vez que os efeitos da distribuição de calor alteram a dinâmica dos oceanos, são necessários melhores dados para poder compreender melhor e prever o comportamento dos oceanos.

Hoje, nossos melhores dados para o conteúdo de calor do oceano vem de Argo , uma coleção global de flutuadores equipados com sensores que afundam para 2.000 metros a cada 10 dias, depois subirem à superfície e relatam temperatura e salinidade de profundidades diferentes, Direção e velocidade das correntes. Existem mais de 3.700 flutuadores Argo operacionais nos oceanos do mundo.

Má notícia: a maior parte do oceano é mais profunda do que 2.000 metros.

Sorta boa notícia: há uma nova geração [PDF] de sistemas de mergulho profundo que está sendo desenvolvido, testado e implantado. Estes incluem dois que podem mergulhar a 4.000 metros: Deep-Arvor , projetado pelo instituto oceanográfico francês Ifremer e construído por Instrumentação de NKE , e NINJA profundo , projetado pelo grupo de pesquisa japonês JAMSTEC e construído por Tsurumi-Seiki . Mergulho a 6.000 metros são dois sistemas Deep Argo : Deep SOLO [PDF], projetado e construído pela Instituição Scripps de Oceanografia e Deep APEX , projetado pela Universidade de Washington [PDF] e construído pela Teledyne Webb Research.

A razão para o qualificador “sorta” é que esses novos sistemas ainda estão em seus estágios iniciais, e ainda não está claro se eles nunca serão implantados – e financiados – em qualquer lugar tão eficaz e robusto como o actual quase global 2.000m Argo sistema.

Digite Tyler e suas avaliações do teor de calor do campo magnético, que teoricamente poderia determinar o conteúdo de calor em toda a profundidade dos oceanos. Seu trabalho ainda está em seus estágios iniciais, no entanto; Seu atual modelo computacional de prova de conceito baseia-se em campos magnéticos de maré oceânico gerados teoricamente e não em dados magnéticos do mundo real, um tanto barulhentos – embora os resultados de seu modelo estejam altamente correlacionados com dados de campos magnéticos do mundo real de observatórios terrestres tais como Como os que participam no INTERMAGNET , e do minisatellite alemão CHAMP .

Um rápido aparte para você Reg leitores que gostam de matemática. Descrevendo o desenvolvimento de seu modelo, Tyler nos disse: “Eu desenvolvi uma aproximação híbrida de diferenças finitas / esféricas-harmônicas para resolver a equação de indução eletromagnética próxima à superfície global.Ela passa a ser escrita na linguagem MATLAB , embora usando algo genérico Krylov-subespaço Métodos de solução e transformações esférico-harmônicas acessíveis na maioria das outras linguagens (ou seja, não há nada realmente “MATLAB” sobre o método de solução).

 

O método de campo magnético de Tyler para determinar o conteúdo de calor oceânico tem um poderoso aliado no trio satélite Swarm. Esta missão , com base no trabalho anterior das missões Dinamarca Ørsted e CHAMP da Alemanha, consiste em três satélites, Swarm Alpha, Bravo e Charlie; Alpha e Charlie voam essencialmente lado a lado em uma órbita polar a uma altitude de 462km, e Bravo circunda o planeta acima deles em 510km em uma órbita polar deslocada daqueles de seus irmãos. Lançados em 2013, eles já fizeram descobertas sobre as sutis interações dos oceanos e do manto da Terra e, portanto, seu campo magnético.

O Swarm fornece uma ampla gama de dados de alta resolução, com garantia de qualidade, disponibilizados publicamente tanto por download direto de FTP como por uma interface de visualização, manipulação e recuperação de dados chamada VirES (vídeo explicativo aqui ).

Se Tyler e sua equipe conseguirem discernir com precisão o sinal do ruído na cavalgada de dados de Swarm e efetivamente transformar esses dados em informações de conteúdo de calor oceânico, a meta de monitoramento de calor oceânico baseado em satélites pode ser realizada .

Então, o que mais?

Vamos dizer que Tyler e sua equipe de sucesso parceiro com Swarm e seus dados volumosos. Quem se beneficiaria então?

Bem, Catherine Walker do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, por exemplo.

Walker estuda a interação do aquecimento do Oceano Antártico com as geleiras que recuam e as folhas de gelo derretidas da Antártica. Infelizmente, os dados de Argo são de pouco utilidade para ela – não só os flutuadores de Argo são escassos no Oceano Antártico, mas ao redor da Antártida esse oceano é coberto de gelo marinho no meio do ano.

Com dados de Argo escassos, Walker e seus colegas oceanógrafos antárticos se voltaram para fontes de dados imaginativas, como o MEOP ( Mamíferos Marinhos Explorando os Oceanos, Pole to Pole), um programa no qual os mamíferos marinhos, como os focas, têm sensores de CTD comunicados por satélite afixados aos seus Cabeças. CTD significa “condutividade, temperatura e profundidade” e uma vez que a condutividade está diretamente relacionada à salinidade, quando combinada com a temperatura eles produzem dados de densidade que os oceanógrafos podem usar para determinar informações críticas sobre as correntes oceânicas.

O programa global MEOP, iniciado em 2004 e expandido para a Antártica em 2005, já recolheu 517.429 perfis verticais de CTD, dos quais atualmente estão 1.197 mamíferos marinhos marcados, muitos deles sendo elefantes marinhos do sul em roaming em torno da Antártida. Estes dados são úteis, mas não ideais – os selos obviamente não podem ser ditos onde ir, assim que seus dados são distribuídos aleatòria. Como diz Walker: “Eles vão para onde quiserem e recebemos dados onde quer que eles vão”.

Mas Walker precisa de dados específicos e replicáveis ​​de, por exemplo, a península Antártica Ocidental, onde os selos lhe disseram que o oceano acima da plataforma continental está se aquecendo e desestabilizando a plataforma de gelo flutuante e a placa de gelo aterrada atrás dela. “Obrigado, selos”, podemos imaginar Walker pensando, “mas eu preferiria a regularidade, oportunidade e abrangência de satélites, dados de conteúdo de profundidade total de calor”.

Stephanie Schollaert Uz do Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA também pode usar alguma ajuda. Desde 1997, a NASA vem monitorando o fitoplâncton no oceano monitorando as concentrações da clorofila do pigmento. Desde 2002, essas observações foram feitas usando o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) no satélite Aqua da NASA. Schollaert Uz disse na reunião do AGU do mês passado que essas observações “revolucionaram” nossa compreensão da distribuição do fitoplâncton.

Uma vez que está na base de muitas cadeias alimentares, conhecer a saúde ea distribuição das concentrações de fitoplâncton – e saber com rapidez e precisão – pode ajudar os planejadores a desenvolver estratégias para, entre outras coisas, a gestão das pescas. Como Schollaert Uz e sua equipe descobriram em seu estudo de como o fitoplâncton se saiu em 50 anos de El Niño quente e as condições mais frias de La Niña no Pacífico equatorial, os pequenos rapazes verdes preferem esfriar. O monitoramento de conteúdo de calor do oceano de Tyler poderia fornecer informações rápidas e precisas sobre tais condições e suas extensões.

Se Tyler e sua equipe tiverem seu sistema de monitoramento de oceano baseado em Swarm instalado e funcionando, isso significa o fim da linha para Argo caro, pesado e um tanto manchado? “Em princípio, nenhum outro método observacional seria necessário”, disse Tyler ao Reg .

Os princípios, entretanto, prosperam melhor em um mundo ideal, e não no mundo confuso, barulhento, real, no qual a ciência é feita. “Na prática”, continuou ele, “a precisão provavelmente se beneficiará e provavelmente dependerá da combinação com outros dados.” Este método não obtém neste momento nenhuma outra medida. “

Mas certamente seria útil para Boyer, Walker, Schollaert Uz e para o resto da comunidade oceanográfica – e, por extensão, para você e para mim.

Nota

Uma vez que as concentrações de fitoplâncton mergulham durante o ciclo quente de El Niño, pedimos a Schollaert Uz a pergunta óbvia: num mundo de aquecimento global haverá uma diminuição global nesse nutriente essencial? Sua resposta foi instrutiva da maneira cautelosa e centrada em dados de um cientista respeitável. “Essa é uma grande questão aberta, e muitas pessoas estão se perguntando isso”, disse ela. -benzóico.