Medindo o oceano hostil sob os furacões

Fig.1: Planador Slocum da Teledyne Webb Research, a caminho da implantação. Crédito: Universidade Rutgers.

Fig.3: Planador Teledyne Slocum para monitoramento de tempestades. Crédito: Teledyne Marine

Fig. 5: Três linhas de piquetes de planadores do furacão Sentinel estavam trabalhando no mesmo dia em 2018. Crédito: Teledyne Marine

Fig.6: Teledyne Webb Research flutua EM-APEX. Crédito: Teledyne Marine

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Veículos não tripulados coletam dados para melhorar as previsões de tempestades

As influências das condições e correntes oceânicas nos ambientes vivos são agora mais amplamente apreciadas - desde o clima da Terra e condições climáticas severas até a pesca e a biodiversidade. São necessárias medições sustentadas e generalizadas para fornecer pistas essenciais para a compreensão dos oceanos, para o monitoramento eficaz das mudanças ambientais e para ajudar a esclarecer os efeitos a longo prazo do aquecimento global.

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores do oceano inventaram vários tipos de plataformas de observação não tripuladas. Duas variantes desenvolvidas e fornecidas pela Teledyne Webb Research são planadores para medir as águas do alto oceano e criar perfis de flutuação para observar a circulação global. Essas plataformas, que suportam uma gama crescente de aplicações, têm sido especialmente valiosas para medir as águas desafiadoras sob fortes tempestades.

Medindo as condições do oceano em trilhas de tempestade
A preocupação global com as mudanças climáticas da Terra colocou as tendências do aquecimento na atmosfera e no oceano em atenção pública. Tempestades têm sido alvo de atenção, especialmente furacões e tufões. Prever com precisão a força e a força de uma tempestade salva vidas e reduz despesas defensivas desnecessárias.

A energia que alimenta tempestades tropicais vem do calor nos 50 m superiores do oceano, especificamente em águas mais quentes que 79 ° F. Pesquisadores identificaram que a previsão significativamente melhorada da intensidade de uma tempestade tropical, o indicador de seu impacto devastador, vem do conhecimento preciso sobre a temperatura da água abaixo da superfície ao longo do caminho da tempestade. A temperatura da água subjacente não é estática. Em vez disso, a ação da tempestade no oceano retira água mais profunda nas camadas superficiais, alterando assim o suprimento de energia disponível. Essa mistura pode atuar para intensificar ou diminuir a tempestade, dependendo da temperatura da água em alto mar. Assim, conhecer as temperaturas submarinas é uma informação crucial para a previsão de tempestades. Além disso, conhecer as correntes e seu cisalhamento em diferentes fases de uma tempestade oferece uma melhor compreensão da dinâmica das interações ar / mar.

A Teledyne Webb Research foi pioneira na tecnologia de planadores submarinos não tripulados. Os planadores de Slocum avançaram rapidamente de protótipos experimentais para plataformas móveis confiáveis que operaram em todo o mundo em diversas atividades no alto oceano.

Fig.2: Planador Teledyne Slocum em águas tropicais.Crédito: Teledyne Marine

Os planadores de Slocum alteram seu volume para afundar ou subir; as asas anexadas produzem elevação quando o fluido passa sobre suas superfícies. O efeito líquido é converter parte do movimento vertical do planador em deslocamento horizontal. Os planadores de slocum movem-se a 35 cm / se podem operar de 4 a 1000 m de profundidade; um propulsor híbrido opcional fornece velocidades de 100 cm / s.

Os planadores de Slocum voam em um padrão de dente de serra ondulado, seguindo um transecto programado, às vezes por longos períodos. Por exemplo, os planadores Slocum fizeram travessias contínuas das principais bacias oceânicas que exigiram mais de quatrocentos dias no mar.
Com o tempo, os planadores Slocum foram equipados com uma variedade crescente de sensores oceanográficos, incluindo um perfilador de corrente integrado. Propriedades físicas como temperatura da água e salinidade são medidas rotineiramente. Os planadores também observaram a acidez do oceano, a clorofila, os sedimentos em suspensão e a proliferação de algas prejudiciais, bem como as ondas internas.

Mais de 45 conjuntos de sensores foram integrados nos planadores Slocum, permitindo atender a uma ampla gama de aplicações. Durante o derramamento de óleo de Macondo, em 2010, no Golfo do México, os planadores Slocum coletaram dados subterrâneos para apoiar o trabalho de resposta. Cargas úteis recentes incluem sensores de turbulência para medir a mistura oceânica, sensores bioacústicos para avaliar estoques de zooplâncton na Antártica e hidrofones para monitoramento quase em tempo real das baleias francas do Atlântico Norte nas costas leste dos EUA e Canadá. Os planadores de Slocum também estão desempenhando novos papéis nos locais de pesquisa da Antártica, especialmente nas margens dos mantos de gelo.

Planadores de Monitoramento de Tempestades
Na última década, os planadores Slocum da Teledyne Webb Research monitoraram as águas desafiadoras associadas a tempestades severas, enviando relatórios mesmo quando encontravam ondas com mais de 10 m de altura. Esses veículos não tripulados fornecem uma maneira econômica de realizar medições sustentadas do oceano com alta resolução espacial. Igualmente importante para o monitoramento de tempestades, os planadores têm autoridade de controle e resistência para interceptar a pista de tempestades. Para o monitoramento de tempestades, os planadores Slocum patrulham continuamente um transecto designado. Os planadores medem a temperatura, salinidade e outras propriedades enquanto descem e sobem através do oceano superior. Os planadores surgem periodicamente para enviar suas medições aos centros de previsão de tempestades. Esses dados submarinos são inseridos em modelos de computador que produzem previsões sobre a intensidade e a trajetória de uma tempestade. A precisão dessas previsões do computador melhorou devido aos dados dos planadores.

De fato, a Marinha dos EUA costuma ter 50 planadores implantados em todo o mundo que enviam dados para a previsão do tempo no oceano. Há dez anos, a Teledyne recebeu o contrato do Programa de Registro da Marinha para o uso operacional de planadores.

Um exemplo impressionante do benefício do uso de planadores para monitoramento de tempestades vem dos dados coletados durante o Typhoon Soulik no Pacífico Norte Norte em 2018. Um planador Slocum da Rutgers University havia sido implantado antes da tempestade. Os dados in situ mostraram uma mudança extremamente rápida na temperatura da água do oceano superior após a chegada da tempestade. Em comparação, um modelo de previsão baseado em computador mostrou uma transição muito mais lenta em resposta à tempestade, levando a uma discrepância de 6 ° C para a mudança na temperatura da água, entre o modelo e os dados coletados. A atualização do modelo com dados quase em tempo real permite uma melhor previsão de tempestades.

Durante uma recente temporada de furacões nos EUA, uma dúzia de organizações implantou planadores de tempestade. Os planadores de Slocum da Teledyne Webb Research foram predominantes devido ao seu desempenho comprovado. Levando em conta as previsões meteorológicas, os pesquisadores direcionaram os planadores para o caminho antecipado de uma tempestade com vários dias de antecedência. Os transectos de planadores foram coordenados e orientados para atravessar o caminho da tempestade, cobrindo a plataforma continental média a externa, ao longo de grande parte da costa leste dos EUA.

Fig. 4: Comparação dos dados de temperatura da água do alto oceano no Pacífico Norte ocidental durante o Typhoon Soulik em 2018. Dados in situ do painel superior observados com um planador Slocum. Painel inferior: Saída de um modelo de computador. A caixa destaca a região discutida no texto. Crédito: Rutgers University

No meio do Atlântico Bight, que se estende de Cape Cod, MA a Cape Hatteras, NC, a plataforma continental é rasa. Suas águas profundas estão bem documentadas para serem muito mais frias do que as águas superficiais durante o verão. Considerando a afluência oceânica sob o olho de uma tempestade, pode-se esperar que a superfície dessas águas frias enfraqueça um furacão passageiro.

Dois planadores Slocum, implantados à frente do furacão Sandy, ajudaram a contar uma história diferente nesse caso. Usando modelos de computador e dados dos planadores, pesquisadores da Universidade Rutgers determinaram que os ventos fortes na extremidade do furacão criavam uma circulação oceânica que fazia com que a água fria do fundo fosse transportada para o mar. Assim, não havia água fria disponível para se misturar à superfície e, assim, diminuir a intensidade da tempestade quando seus olhos passavam pela mesma região; a intensidade da tempestade era, de fato, significativamente mais forte do que seria convencionalmente previsto.

O sucesso do uso de planadores Slocum para monitoramento de tempestades é evidente pelo tamanho crescente da frota. Em 2018, mais de trinta planadores estavam de plantão para observar os furacões Florence, Isaac e Helene. As organizações de planadores participantes se reuniram do governo, da academia e da indústria em um esforço de equipe para usar a tecnologia para proteger melhor as comunidades costeiras.

Medindo o Oceano em Mudança Sob o Furacão Michael
A tecnologia de perfil flutuante transformou a maneira como o oceano é observado. Esse método foi pioneiro por cientistas e engenheiros da Teledyne Webb Research e Scripps Institution of Oceanography. O programa internacional Argo implantou frotas desses dispositivos para exploração sustentada e generalizada do oceano global. Os conjuntos de dados resultantes formam um recurso rico para o estudo de processos climáticos e oceânicos.

Muitos desses dispositivos são os carros alegóricos Autonomous Profiling Explorer (APEX) fornecidos pela Teledyne Webb Research, que entregou mais de 10.000 carros alegóricos para o programa Argo - a maior quantidade de um fornecedor. Os carros alegóricos APEX fazem ciclos verticais periódicos, geralmente a cada 10 dias, alterando seu volume (e, portanto, flutuabilidade) para aumentar e afundar. À medida que ascendem pela coluna d'água, medem a temperatura e a salinidade.

Esforços para melhorar a compreensão e a previsão de grandes furacões requerem a coleta de dados oceânicos e atmosféricos em locais hostis e desafiadores. Propriedades oceânicas, como velocidade da corrente da água, temperatura e salinidade, devem ser medidas não apenas em toda a coluna de água, mas antes, durante e após a passagem da tempestade.

Uma variante do flutuador APEX - o flutuador de perfil eletromagnético, EM-APEX, desenvolvido com o Laboratório de Física Aplicada da Universidade de Washington - é adequado para coletar essas informações essenciais. Além de medir as propriedades da água, este dispositivo registra perfis de velocidade da corrente da água. As medições EM-APEX exploram campos elétricos induzidos por movimento que surgem quando a água do mar se move através do campo magnético da Terra.

Para explorar as condições do oceano sob furacões, os carros alegóricos EM-APEX devem ser implantados a curto prazo, antes das tempestades; assim, eles são lançados de pára-quedas das aeronaves. Quando o furacão Michael entrou no Golfo do México em outubro de 2018, três carros alegóricos EM-APEX foram lançados em seu caminho por uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Nick Shay (Universidade de Miami). A implantação aérea foi de uma aeronave USAF WC-130J Hercules operando a partir da base da Força Aérea de Keesler; esses aviões são modificados para coletar informações meteorológicas em furacões. Várias agências do governo dos EUA que monitoram e prevêem furacões ajudaram no desdobramento aéreo. A Teledyne Marine forneceu serviços de hospedagem para todos os dados transmitidos dos carros alegóricos implantados, além de outro suporte técnico.

Os padrões de criação de perfil dos flutuadores EM-APEX variaram durante a implantação. Por 12 horas antes da chegada do furacão, os carros alegóricos circulam continuamente entre a superfície e a 800 m de profundidade. Quando o furacão chegou, os carros alegóricos passaram a percorrer de 30 a 300 m de profundidade, evitando assim a perigosa região de superfície altamente energizada e ainda adquirindo dados do oceano superior.

Depois que o furacão passou, os carros alegóricos circularam entre a superfície e 500 m de profundidade. Esse padrão resolveu ondas quase inerciais, que são a característica mais energética após uma tempestade. Movimentos quase inerciais aumentaram a velocidade de cisalhamento, tornando-os um fator essencial para os processos de mistura vertical.

Os carros alegóricos EM-APEX foram implantados cerca de 12 horas antes do furacão chegar ao local. Durante a campanha, os ciclos de criação de perfil desejados nas três fases foram executados corretamente, garantindo que nenhum dos carros alegóricos do EM-APEX fosse danificado pela fúria da tempestade. Enquanto um flutuador estava na superfície, suas transmissões de dados foram recebidas pelo servidor de dados Teledyne. Os carros alegóricos EM-APEX registraram mais de 600 perfis em seis dias. Esse fluxo de dados ajudou os pesquisadores a entender e prever as características de um grande furacão, bem como a ver, em tempo quase real, como o oceano reagiu ao forçamento atmosférico energético.

Protegendo as comunidades costeiras
Os relatos anteriores exemplificam os notáveis avanços nas capacidades de observação oceânica provenientes de plataformas de observação não tripuladas. Esses dispositivos portáteis e móveis foram usados para realizar medições prolongadas em águas que são muito desafiadoras para navios e muito perigosas para os seres humanos. Planadores e carros alegóricos de perfil permitem avaliar e relatar em tempo quase real as condições hostis do oceano sob furacões e tufões. Além do valor desses dados para a pesquisa oceânica, seu conteúdo informativo oferece importantes benefícios sociais. Eles contribuíram para previsões mais precisas sobre a força e a força das tempestades, protegendo as comunidades costeiras, reduzindo despesas defensivas desnecessárias e até salvando vidas.

Sobre os autores:

Vindo das terras abaixo, o Dr. Peter Spain estudou Física dos Oceanos no Laboratório de Física Aplicada da Universidade de Washington. Ele trabalhou com novos instrumentos para medir as correntes oceânicas. Após um pós-doutorado na Scripps Institution of Oceanography, Peter ingressou na RD Instruments em 1990. Trabalhou em Vendas e Marketing, onde passou da equipe de vendas para o gerenciamento de departamentos e unidades de negócios. Hoje, o tema comum de suas diversas atividades é Marketing Técnico.

Clayton Jones, diretor sênior de tecnologia da Teledyne Marine, esteve envolvido na criação, design e desenvolvimento de plataformas de sensores oceanográficos, incluindo flutuadores e planadores.

Fig. 7: Implantação no ar de um flutuador EM-APEX. Crédito: Sargento da Força Aérea dos EUA Julianne M. Showalter, DVIDS. O aparecimento dos EUA
As informações visuais do Departamento de Defesa (DoD) não implicam ou constituem endosso do DoD