Figura 1: Temperatura da superfície da Terra. IPCC, 2021.
As Mudanças Climáticas representam uma ameaça existencial para a humanidade. Recentemente, março de 2023, o Sexto Relatório de Avaliação (AR6 – ”Sixth Assessment Report”) do Painel Intergovernamental para Mudanças Climáticas (IPCC – ”Intergovernamental Panel for Climatic Changes”), organismo das Nações Unidas (UN - ”United Nations”), encerrou um ciclo de compilação e análise do conhecimento científico sobre o estado do clima – atual e pretérito – e previsão para o futuro. Os relatórios do IPCC contém a melhor ciência climática produzida globalmente.
O Aquecimento Global a partir do século XIX, em relaçao ao período pré-industrial, é incontestável; também incontestável é a causa principal desse do aumento: a queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) e o uso da terra pela humanidade (Figura 1).
O Nível do Mar é uma variável fundamental no estudo do clima da Terra. O aumento do nível do mar em todo o planeta, medido por diversos instrumentos (satélites altimétricos, marégrafos eletrônicos e mecânicos e réguas de maré) e suas causas, corroboram o Aquecimento Global (Figuras 2).
O Aquecimento Global já está afetando as condições meterologicas e extremos climáticos em todas as regiões da Terra. O evento de chuva extrema em São Sebastião em 19 de fevereiro de 2019 é, muito provavelmente, um efeito desse aquecimento na atmosfera; os danos à natureza e perda de vidas são exemplos de impactos adversos das Mudanças Climáticas causadas pela humanidade.
É urgente a mitigação e adaptação às Mudanças Climáticas (IPCC, 2021). Para isso é necessário que a população se aproprie do problema, entenda, discuta e proponha soluções.
O objetivo deste projeto de ciência-cidadã Régua de Maré é o de estimular o interesse de estudantes e da população do litoral (Norte de São Paulo, São Sebastião) em Mudanças Climáticas através do estudo do nível do mar: medição, entendimento dos principais fenômenos observados e previsão.
A ciência-cidadã consiste na parceria entre amadores e cientistas na coleta de dados para a pesquisa científica utilizando metodologias participativas desenvolvidas por cidadãos ou em colaboração com pesquisadores profissionais para ampliar a participação do publico na gestão ambiental. (https://sibbr.gov.br/)
O projeto Régua de Maré propicia o engajamento da sociedade com a pesquisa científica, na medida em que os participantes (alunos, pescadores, visitantes) atuarão como colaboradores na coleta dos dados, assumindo um papel significativo no projeto. Para isso a régua será instalada próximo dos participantes, que receberão treinamento inicial e acompanhamento mensal/semanal, de dois oceanógrafos (um físico e uma bióloga) e duas biólogas da equipe. Os participantes, poderão, também, participar da análise dos dados e comunicação dos resultados, que serão disponibilizados de forma ampla e com livre acesso.
O projeto Régua de Maré está alinhado com os Objetivos do Desenvolvimento Sustentável (ODS) 13 (ODS 13 - Ação contra Mudança Global do Clima) e com a Década da Ciência do Oceano para o Desenvolvimento Sustentável, 2020 a 2030, decretada pela Assembléia Geral da ONU em 2017.
A Régua de Maré é uma régua graduada, passível de ser visualizada à distância de vários metros, instalada verticalmente, semi-submersa no oceano e referenciada ao terreno (Figura 3). (IOC, 1985)
A Régua de Maré é, normalmente, instalada em piers, molhes, cais ou outra estrutura rígida ligada ao terreno que avance sobre o mar; também pode-se construir um pilar semi-submerso especialmente para a instalação da régua (Figura 4). Locais expostos a ondas de gravidade superficiais devem ser evitados e escolhidos estuários ou baías protegidas do mar aberto.
O comprimento da régua deve ser maior do que a amplitude de variação do nível do mar local e instalada de forma a que a base (o nível zero da régua) esteja sempre submerso e o topo sempre acima da superfície do mar. Referência de Nível (RN) deve ser instalada nas imediações, em terreno seco e firme – matacões ou lages de rochas – e associada à Régua de Maré por nivelamento geométrico (Figura 5). O nivelamento geométrico deve ser repetido anualmente ou no caso de mudanças da Régua de Maré.
O Nível do Mar tem escalas temporais de variação que vão desde segundos – ondas capilares – até a idade da Terra, 4.5 bilhões de anos, com amplitudes de milímetros até dezenas de metros (Figura 6). A Régua de Maré, no entanto, só permite medições com escalas temporais de vários minutos até anos e amplitudes de centímetros até poucos metros. Assim, o observador deverá registrar as medições numa tabela da forma: Ano – Mês – Dia – Hora – Minuto – Nível do Mar (em centímetros).
Idealmente, os registros devem ser a intervalos de tempo regulares – da ordem de minutos – e contínuos por vários anos. Para este projeto, educacional e cidadão, bastam medidas esparças, diárias, complementadas por períodos especiais de medições a intervalos horários – por exemplo, uma vez por mês, seis horas de observação.
A Maré Astronômica, causada pela força de atração gravitacional da Lua e do Sol e inércia sobre o oceano da Terra, pode ser representada no Nível do Mar em uma determinada localidade como a soma de várias ondas de períodos (ou frequências) conhecidos:
| (1) |
onde ηt é o nível do mar (devido à maré astronômica) no instante de tempo t, Ai amplitude, ωi frequência angular e ϕi fase da i-ésima onda.
A frequências angulares ωi = 2π∕Ti estão associada aos períodos Ti dos movimentos dos três astros (Terra, Lua e Sol). A Tabela 1 apresenta os períodos das seis ondas principais da maré astronômica.
| Espécie | Símbolo | Período (horas) |
| Lunar Principal Semi-diurna | M 2 | 12.4206012 |
| Solar Principal Semi-diurna | S2 | 12.00 |
| Lunar Elíptica Semi-dirna | N2 | 12.65834751 |
| Lunar diurna | K1 | 23.93447213 |
| Pequeno-fundo Lunar Principal | M4 | 6.210300601 |
| Lunar diurna | O1 | 25.81933871 |
A Figura 7 apresenta, graficamente, o significado dos elementos de uma onda de maré em uma localidade.
Utilizando-se as medições do nível do mar (secção anterior), é possível, depois de ao menos um mês de observações, ajustar – amplitudes e fases – as duas ondas de maré principais (M2 e S2) à série temporal. Com as estimativas dos elementos dessas duas ondas de maré é possível fazer a previsão da altura do nível do mar, ou seja, uma ”Tábua de Marés”rudimentar.
A Maré Meteorológica (”Storm Surge”em inglês) é o fenômeno causado no oceano por eventos atmosféricos – frentes frias, ciclones, furacões – e pode ser observado no nível do mar.
O Aumento do Nível do Mar (”Sea Level Rise”) devido ao Aquecimento Global é, em média, de poucos milímetros por ano – 3.2 a 4.2 mm/ano (IPCC, 2021). Observações consistentes por vários anos na Régua de Maré podem detectar esse sinal no nível do mar.
Marégrafo Costeiro é um instrumento que automatiza as tediosas e difíceis observações diretas do nível do mar na Régua de Maré. Pode-se, dependendo do público observador deste projeto, construir aparelhos para medir e registrar o nível do mar utilizando eletrônica simples e acessível baseados em eletrônica Arduíno ( ver https://www.arduino.cc/).
A instalação e manutenção de uma Régua de Maré, nas proximidades da interface ar-mar-solo, é uma tarefa que requer pouca habilidade mas muito compromisso; dessa forma, espera-se que parte do público participante do projeto seja constituído de membros de organizações permanentes situadas nas imediações da instalação tais como instituições de ensino, marinas, clubes náuticos, ranchos de pescadores, etc.
No local de instalação deverá ser mantido um ”diário de bordo”da régua de maré e a tabela das observações em meio físico e digital. Tais registros poderão ser transmitidos para registro central através de rede de computadores.
Espera-se que diariamente sejam realizadas – e registradas – várias observações do nível do mar na régua de maré. Anualmente, ou no evento de reinstalação da régua, o nivelamento geométrico em relação à referência de nível (RN) e à rede altimétrica da localidade.
O registro do instante de tempo da observação do nível do mar é necessário para a construção da série temporal; atualmente, através da rede de computadores e telefonia é possível conhecer o tempo com grande precisão e acurácia em, praticamente, qualquer lugar habitado; para as observações na régua de maré é suficiente incerteza da ordem de 1 minuto. As medições do nível do mar em uma régua de maré, graduada em centímetros, deverão ser registradas com essa precisão; a incerteza da medida, no entanto, deve ser da ordem de 5cm, devido a efeitos locais (por exempo ondas e vento) e à habilidade dos observadores.
A partir de conuntos consistentes de observações do nível do mar deverão ser obtidas estatísticas básicas da série temporal – média e variância – diárias, mensais e anuais.
A maré astronômica, em geral o fenômeno responsável pela maior parte da variância do nível do mar, com escalas temporais típicas de 12 e 24 horas, deverá ser representada por duas ondas senoidais (M2 e S2) a partir do ajuste às observações. Para isso, ao menos dois ciclos sizígia-quadratura deverão ser observados com períodos especiais de medições horárias.
Com as ondas ajustadas a previsão da maré – a tábua das marés rudimentar – deverá ser obtida e comparada às futuras observações.
A diferença entre a previsão da maré e as observações deverá ser utilizada para estimar escalas temporais (da ordem de dias) e a amplitude (ou variância) da maré meteorológica – o efeito no nível do mar da passagens de sistemas meteorológicos.
Com as estimativas de amplitude da maré astronômica e meteorológica deverão ser estimados níveis extremos máximo e mínimo do nível do mar e referenciá-los ao terreno na região da régua de maré. Com esse conhecimento deverão ser estabelecidos nível de inundação para a região adjacente utilizando-se mapas topográficos georeferenciados.
O projeto Régua de Maré é baseado em uma medida simples – altura (H) – do nível do mar realizada sobre um pilar vertical graduado. Apesar de simples, o projeto contém todas as etapas do método científico – da observação à previsão de fenômenos – e com possível aplicação relevante para a sociedade: alarme de inundação. O objetivo principal, no entanto, deste projeto de ciência cidadã é o de levar a sociedade a olhar para o mar. Para além da beleza, o que o mar nos conta sobre o clima da Terra; o que nos conta sobre a forma de vida da humanidade.
A maré astronômica por sua regularidade e consequente previsibilidade é um dos fenômenos físicos que mais atraiu a atenção de filósofos e pensadores humanos. Conta-se que Aristóteles (séc IV AEC) afogou-se no Estreito de Euripus, Grécia, sem entender a razão de serem observados dois ciclos de maré por dia associados, obviamente, a um ciclo por dia da Lua e do Sol (Cartwright, 2000). O problema só foi resolvido por Newton (1687) e é uma das provas das Leis de Newton que consta do Principia, um dos mais importantes livros de ciência já escrito, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Newton, 1687). Dessa forma, através das observações na Régua de Maré, é possível apresentar a evolução do pensamento científico, princípios de amostragem, estatística básica, processamento computacional de dados, aplicação de trigonometria, ondas, astronomia e geodésia; mecânica newtoniana. A previsão da maré e comparação com as observações culmina o método científico.
A avaliação da maré meteorológica nos dados do nível do mar ressalta a interação entre oceano e a atmosfera. Também, a observação permite a interpretação correta de Tábuas de Maré (disponíveis na rede mundial de computadores) e a materialização do nível do mar no terreno. Em regiões costeiras onde mapas topográficos estão disponíveis, as observações na Régua de Maré podem ser utilizadas para a definição de áreas de risco de inundação e estabelecimentos de níveis de alarme para população e defesa civil tomarem as providências necessárias.
O projeto Régua de Maré é um projeto simples, de baixo custo, mas demanda o engajamento da população litorânea; esse engajamento, no entanto, é objetivo central de um projeto de ciência cidadã.
O projeto Régua de Maré está alinhado à Década do Oceano 2020 a 2030 e ao Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 13, Ação contra a mudança global do clima, Adotar medidas urgentes para combater as alterações climáticas e os seus impactos, particularmente, 13.3 Melhorar a educação, aumentar a conscientização e a capacidade humana e institucional sobre mitigação, adaptação, redução de impacto e alerta precoce da mudança do clima.
IOC, 1985. MANUAL ON SEA LEVEL MEASUREMENT AND INTERPRETATION. Volume I - Basic Procedures. Manuals and Guides 14. Intergovernmental Oceanographic Commission. 75pp.
IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2391 pp. doi:10.1017/9781009157896.
Pugh, D.T. 1987. Tides, Surges and Mean Sea-Level: a handbook for engineers and scientists. Chichester: Wiley. 472pp.
Cartwright, D.E., 2000. Tides: A Scientific History. Cambridge Univ. Press, 292 pp.
Newton, I., 1687. The Principia, Mathematica Principles of Natural Philosophy, the autoritative translation by B. Cohen and A. Whitman, 1999. University of California Press. 591 pp.
