Tecnologia usada no GPS ajuda cientistas a mapear a atmosfera brasileira e pode contribuir na previsão de eventos climáticos extremos

Por Malena Stariolo – Jornal da Unesp | Quando alguém utiliza um aplicativo de navegação no celular, dificilmente imagina que a mesma tecnologia responsável por indicar rotas também pode ajudar cientistas a monitorar a atmosfera e compreender eventos climáticos extremos. Isso é possível graças a um fenômeno que, no campo do posicionamento por satélite, costuma ser tratado como uma fonte de erro: o Atraso Zenital Total (ZTD, na sigla em inglês).

Esse parâmetro está relacionado à influência das condições atmosféricas sobre os sinais do GPS e de outros sistemas de navegação por satélite. Ao atravessar a atmosfera, esses sinais sofrem atrasos e podem comprometer a precisão das coordenadas calculadas com os sinais obtidos pelos receptores. No entanto, aquilo que representa um problema para a localização pode se transformar em uma fonte de informação para a meteorologia: como o ZTD é diretamente influenciado por variáveis como temperatura, pressão atmosférica e umidade, sua análise permite investigar e monitorar o comportamento da atmosfera em diferentes regiões.

É esse potencial que vem sendo explorado por um grupo de pesquisadores da Unesp, liderados pela docente Daniele Barroca Marra Alves, da Faculdade de Ciências e Tecnologia, no câmpus de Presidente Prudente. Em um estudo recente, o grupo demonstrou como os sinais de sistemas globais de navegação por satélite (GNSS), como o GPS, podem também ser utilizados para investigar o comportamento da atmosfera. A pesquisa, intitulada Brazilian neutrospheric delay (ZTD) temporal series and development of a climatology over nine-years data from soundering and GNSS, e publicada na revista Applied Geomatics, analisou nove anos de dados coletados entre 2014 e 2022 por 31 estações GNSS e 31 estações de radiossondagem distribuídas pelo território nacional. 

O trabalho resultou em uma série de mapas climatológicos do Brasil, demonstrando como o ZTD varia dentro do território nacional. Apesar da existência de modelos meteorológicos gerais, aplicáveis no mundo inteiro, Alves destaca a importância de conhecer a meteorologia em nível regional, especialmente em um país como o Brasil, que conta com um comportamento atmosférico complexo. “O Brasil é um país com vasta extensão territorial e sua atmosfera é muito peculiar. Temos a floresta amazônica, que é bastante úmida; regiões mais secas no centro do país; um litoral extenso e a região Sul mais fria. Isso faz com que o estudo da atmosfera seja bastante interessante porque conseguimos ter várias realidades em um mesmo território”, explica a docente.

A influência atmosférica nos sinais de GPS

O ZTD é tradicionalmente conhecido pelos especialistas em posicionamento por satélite como uma importante fonte de erro. Quando os sinais emitidos pelos satélites atravessam a atmosfera terrestre, eles sofrem um atraso provocado pela interação com os gases atmosféricos e, principalmente, com o vapor d’água presente na atmosfera. Esse fenômeno altera o tempo de propagação do sinal e pode comprometer a precisão das coordenadas obtidas com o GNSS. Dependendo das condições atmosféricas e da qualidade dos modelos utilizados para corrigi-lo, o impacto do ZTD pode gerar erros superiores a 2,5 metros na direção zenital caso esse efeito não seja adequadamente considerado. 

Esse erro já é considerável em atividades que demandam precisão centimétrica, como o monitoramento de barragens, obras de engenharia e agricultura de precisão. Porém, Alves explica que, por se tratar de uma medida calculada na direção zenital — ou seja, diretamente acima do observador —, o impacto pode ser muito maior quando o sinal chega de forma inclinada, próximo ao horizonte. Nesses casos, o atraso atmosférico pode alcançar até dez vezes o valor registrado no zênite, chegando a aproximadamente 25 metros. Isso porque, quanto mais próximo do horizonte está o satélite, maior é o caminho percorrido pelo sinal dentro da atmosfera. Ao atravessar uma camada atmosférica mais extensa, o sinal sofre uma influência mais intensa, ampliando o atraso. 

O GPS como sensor meteorológico

Os pesquisadores comentam que esse atraso, por sua vez, pode indicar regiões mais ou menos úmidas ou com maior chance de precipitação, já que parte dele é influenciado diretamente pelo vapor d’água presente na atmosfera. Assim, essa seria a premissa inicial para conseguir transformar o que antes era erro em informação meteorológica.

Para validar os resultados, a equipe comparou os dados obtidos pelos satélites com medições realizadas por radiossondas, instrumentos transportados por balões meteorológicos lançados em terra, que sobem pela atmosfera coletando informações diretamente no local. As radiossondas são consideradas uma referência de alta qualidade porque realizam medições in situ. Entretanto, seu uso exige infraestrutura específica, lançamentos periódicos e custos operacionais elevados, o que reduz o número de estações e de lançamentos. Já as estações GNSS, apesar de apresentarem alto custo na instalação, funcionam de modo automático e continuamente, além de uma maior distribuição no território nacional. Ambas as informações, radiossonda e GNSS, são disponibilizadas de modo gratuito ao usuário. 

Ao combinar dados das duas tecnologias, os pesquisadores construíram mapas mostrando como o atraso atmosférico varia ao longo do território brasileiro. Os resultados confirmam que a Amazônia apresenta os maiores valores de ZTD do país, reflexo da intensa umidade e da forte variabilidade atmosférica da região. Em Manaus, os valores frequentemente atingem cerca de 2,7 metros. Já no Planalto Central, os atrasos costumam variar entre 2,3 e 2,4 metros.

A análise sazonal também revelou diferenças marcantes. Durante o verão e o outono, quando as temperaturas e a umidade são maiores, os valores de ZTD atingem seus máximos. Já no inverno e na primavera, quando as condições atmosféricas tendem a ser mais frias e secas, os valores são significativamente menores. Um dos resultados que mais surpreenderam os pesquisadores foi a magnitude dessa variabilidade.

“Quando fizemos os mapas sazonais, vimos uma variação maior do que esperávamos. Dependendo da região e da época do ano, o atraso pode variar 40 centímetros ou até mais. No contexto do GNSS isso é algo muito alto”, afirma Afonso Marques Albuquerque, primeiro autor do artigo que é resultado do seu trabalho de mestrado, orientado por Alves.

A docente lembra que esse valor ganha proporções ainda mais expressivas quando considerado o caminho real percorrido pelos sinais. “Quando a gente fala de 40 centímetros, temos que lembrar que isso é no zênite. Quando levamos para uma direção inclinada, isso pode chegar a quatro metros. É muito significativo apenas mudar de região e já ter uma variabilidade tão grande”, afirma.

O ZTD para previsão de eventos climáticos extremos

Embora o estudo tenha foco na caracterização atmosférica, seus resultados dialogam diretamente com a preocupação envolvendo a previsão de eventos climáticos extremos. Nos últimos anos, o Brasil registrou uma sucessão de episódios de chuva intensa, incluindo as enchentes históricas que atingiram Porto Alegre e diversas cidades do Rio Grande do Sul em 2024. Na ocasião, volumes excepcionais de precipitação provocaram transbordamentos, deslizamentos e uma crise humanitária sem precedentes no estado.

Com o objetivo de testar a técnica de monitoramento utilizando o ZTD, o grupo analisou retroativamente os dados meteorológicos das chuvas do Rio Grande do Sul para entender se ela poderia ser utilizada na sua previsão. Os resultados foram publicados no artigo Analysis of atmospheric variations using GNSS signal as atmospheric sensor (PWV-GNSS) in the extreme rainfall events in Rio Grande do Sul (Brazil) in 2024, na revista científica Natural Hazards, artigo liderado por Tayná Aparecida Ferreira Gouveia, pesquisadora de pós-doutorado do grupo. 

Nele, o grupo demonstrou que ao isolar a variável referente ao vapor d’água do ZTD, é possível obter uma outra fonte de informação chamada Vapor d’água precipitável (PWV, na sigla em inglês), que está diretamente relacionada à possibilidade de chuva. “O que vimos é que quando vai chover existe um salto no PWV. O valor aumenta muito e depois cai, acompanhando a precipitação. Ele tem se mostrado um bom indicativo e estamos estudando sua utilização, combinada com outras variáveis, para prever eventos climáticos extremos, principalmente chuvas”, afirma Albuquerque.

Segundo os pesquisadores, alguns estudos indicam que os maiores valores de PWV podem surgir entre 30 e 60 minutos antes da precipitação intensa, embora em determinados contextos o sinal possa aparecer várias horas antes. “Existem trabalhos que mostram que esse salto pode ocorrer até seis horas antes do evento de precipitação. Esse comportamento depende muito da região observada”, explica o discente. O grupo reconhece que a técnica ainda precisa ser refinada antes que ela possa, de fato, ser aplicada nesse tipo de contexto. Porém, Alves aponta que a descoberta de novas fontes de informação auxilia, justamente, no desenvolvimento de modelos mais precisos, especialmente se tratando de precipitação. 

“A dinâmica de gases da atmosfera é muito modelada, porém a parte de vapor d’água, da chuva, ainda carece de bons modelos. Por isso nós temos tantos alarmes falsos: às vezes a previsão é de chuva e não chove; outras vezes ocorre o oposto”, diz a docente. O objetivo, agora, é combinar essa nova fonte de informação, utilizando o PWV, com outras variáveis e aliar todos esses dados com técnicas de inteligência artificial. “Nos trabalhos futuros queremos usar o PWV aliado a técnicas de IA para diminuir a quantidade de alarmes falsos e melhorar nossa capacidade de previsão”, afirma Alves.

Ao demonstrar que uma rede originalmente criada para determinar posições pode também servir como ferramenta de observação atmosférica, o estudo amplia as possibilidades de uso dos sistemas GNSS, fornecendo possibilidades para criar modelos novos e, até mesmo, aperfeiçoar os que já existem. Nesse sentido, o grupo mantém em desenvolvimento a NEPTool (Ferramenta para Avaliação e Processamento da Atmosfera Neutra), uma plataforma criada para automatizar a modelagem da atmosfera e a obtenção de variáveis atmosféricas, do ZTD e do PWV, a partir das diferentes fontes de dados. “Essa é uma área de pesquisa que nós gostamos muito porque algo que foi criado para posição pode ser usado para estudar a atmosfera. Esperamos que, no futuro, esses estudos possam ajudar na previsão de eventos extremos e trazer benefícios concretos para a sociedade”, conclui Alves.

Este texto foi originalmente publicado pelo Jornal da Unesp, de acordo com a licença CC BY-SA 4.0. Este artigo não necessariamente representa a opinião do Portal eCycle.