Em apenas algumas décadas, a detecção remota por satélite revolucionou a nossa compreensão do ciclo da água nos continentes. Por que e como a hidrologia espacial, e os modelos numéricos que ela alimenta, permitem agora desenvolver aplicações valiosas para a gestão de recursos e a preservação dos ambientes aquáticos?
Visto do céu, a água não é mais azul. Mas do espaço, é possível distinguir uma grande quantidade de informação sobre o funcionamento dos rios que os especialistas não podiam ver até agora. “A chegada dos satélites de observação da Terra melhorou consideravelmente a nossa compreensão do ciclo da água nos continentes”, diz Fabrice Papa, um hidrólogo especializado em detecção remota do espaço no laboratório LEGOS. “Eles permitiram estender as nossas observações tanto no tempo como no espaço para obter uma visão muito mais completa dos fenômenos.”
Initialement, la collecte des données hydrologiques repose sur des réseaux d’observation déployés dans les bassins versant et le long des fleuves.
© IRD- Thibaud Vergoz
Observação in situ
Desde a sua criação, a disciplina científica que estuda rios, bacias hidrográficas e o ciclo da água, coleta variáveis hidrológicas no campo, utilizando redes de observação. Quando as condições permitem, os cientistas vão para o campo para medir os níveis de água nos rios e deduzir o seu fluxo. Eles registram outros parâmetros relacionados, tais como a batimetria*, a velocidade da água, a declividade do rio, a secção transversal do curso de água (sua largura pode variar), a qualidade da água, etc. Mais recentemente, instalaram instrumentos automatizados capazes de transmitir alguns desses dados coletados continuamente.
*Profundidade do curso de água
Les observations hydrologiques in situ se heurtent à des difficultés logistiques et techniques, particulièrement dans les zones tropicales où les infrastructures restent rares.
© IRD - Alain Laraque
Libertar-se das restrições do campo
Mas esta abordagem in situ tem os seus limites. Por um lado, é bastante complicado e dispendioso em termos de logística realizar estas medições, especialmente em regiões tropicais onde os grandes rios como o Amazonas, o Congo, o Grange-Brahmaputra ou o Mekong fluem. A manutenção de estações automatizadas é um desafio nestas áreas, que são frequentemente de difícil acesso durante grande parte do ano.
Les grands bassins tropicaux, comme celui du fleuve Congo - où évolue un pousseur de barges consacré ici au transport de passagers -, si vastes et inaccessibles une partie de l’année, ne peuvent être efficacement suivis par les seules observations au sol.
© IRD - Alain Laraque
Além disso, os dados registrados no campo são muito específicos, limitados aos pontos estabelecidos da rede de observação e ao momento em que as medições são efetuadas: são limitados na sua representatividade espacial. Finalmente, a sua disponibilidade para os cientistas depara-se por vezes com obstáculos administrativos ou políticos, quando estes dados representam - com ou sem fundamento - uma questão de soberania nacional. De fato, alguns fenômenos, tais como a extensão das imensas inundações que podem ocorrer nas bacias tropicais, são quase impossíveis de avaliar in situ com um ponto de medição.
Les images satellites permettent de recueillir des informations, sur les cours d’eau, les volumes, les débits, l’étendue des crues, qu’il est quasiment impossible de recueillir sur le terrain.
© Spot
Passageiro clandestino
No virar dos anos 90, o desenvolvimento de satélites dedicados ao estudo do oceano e da atmosfera deu ideias a especialistas das águas continentais. Como um verdadeiro clandestino, a hidrologia espacial utilizou as missões e instrumentos desenvolvidos para explorar a vastidão do oceano, a fim de estudar os rios e as suas bacias. Se interpretados corretamente, os dados dos satélites de altimetria que monitoram as alterações do nível do mar podem ser utilizados para medir, por exemplo, os níveis dos rios. "A informação que não pode ser determinar em grande escala a partir do solo torna-se acessível, como as reservas totais de água, ou variáveis muito importantes como a precipitação, a evapotranspiração [nota: emissão de vapor de água do solo para a atmosfera, resultante da evaporação e transpiração pelas plantas] ou a qualidade da água", diz Rodrigo Cauduro Dias de Paiva, um hidrólogo especializado em modelos hidrológicos.
Les satellites de la famille GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) détectent les anomalies de la gravité terrestre et permettent ce faisant d’évaluer les masses d’eau accumulées sur une région du globe.
© Nasa
Dados abundantes e frequentes
Acima de tudo, a cobertura das áreas de interesse torna-se mais ampla e regular: os satélites varrem toda a superfície continental e passam frequentemente sobre as bacias em estudo. Assim, muito mais dados são adquiridos e muito mais frequentemente. Graças a metodologias de análise específicas, os hidrólogos podem agora explorar os dados adquiridos por muitos satélites. Estão envolvidos todos os tipos de técnicas e sensores: satélites orbitais que navegam a uma altitude de algumas centenas ou milhares de quilômetros, satélites geoestacionários que acompanham a rotação da Terra a 36 500 quilômetros da sua superfície, técnicas de observação que cobrem o espectro eletromagnético, do óptico ao microondas, mas também sensores passivos que registram os sinais emitidos pela Terra e instrumentos ativos que emitem um sinal em direção ao nosso planeta e registram seu reflexo. No entanto, a utilização de satélites não desqualifica de forma alguma a observação in situ e deve, portanto, ser considerada como complementar: as variáveis registradas no campo continuam a ser indispensáveis para validar e calibrar os dados espaciais.
S’étendant dans le spectre électromagnétique de l’optique aux micro-ondes, les données acquises par les satellites, ici sur le fleuve Niger, offrent une vision bien plus complète, dans le temps et l’espace, que les observations in situ.
© IRD
Jason, Palsar, Aqua e os outros
Em termos concretos, através do cruzamento de dados que vão do microondas ao infravermelho, de numerosos satélites ativos ou passivos, os cientistas são capazes de estimar a precipitação em tempo quase real. Com as informações fornecidas pelos instrumentos de bordo capazes de detectar alterações locais da gravidade da Terra – os satélites Grace e Grace-FO1, atravessando a uma altitude de 480 km – eles são capazes de avaliar as variações temporais e espaciais da quantidade total de água presente num determinado momento2 numa bacia tão vasta como a do rio Amazonas. Em termos de altimetria, o processamento de dados de Topex-Poseidon3 , ERS1/24, Envisat5 , Jason 1/2/3/CS6 e Sentinel 3-A/B7 permite agora determinar o aumento do nível da água em rios, reservatórios, lagos e zonas úmidas de dimensões cada vez menores.
Après l’avènement de l'hydrologie spatiale, les variables relevées sur le terrain restent indispensables pour valider et calibrer les données acquises par les satellites.
© IRD - Alain Laraque
A extensão da água é frequentemente estimada utilizando emissões de microondas passivas e ativas (radiómetros8 nos satélites DMSP9 e Aqua10) e recepção de ondas infravermelhas e visíveis (sensores MODIS11 e satélites LandSat12 e Sentinel-213).
Especialistas estão agora trabalhando no desenvolvimento de satélites especificamente dedicados à hidrologia de superfície, tais como o SWOT (Surface Water and Ocean Topography) franco-americano, cujo lançamento está previsto para 2022.
Les spécialistes d’hydrologie collaborent au développement des satellites franco-américains SWOT spécifiquement dédiés à l’étude des eaux continentales.
© JPL - Nasa
Modelação e aplicações
Os milhares de terabytes de dados hidrológicos adquiridos e processados diariamente a partir de satélites e redes in situ são utilizados em programas digitais de simulação do ciclo da água. Estes modelos informáticos, que têm sido progressivamente desenvolvidos nas últimas décadas graças a novas técnicas, à explosão da capacidade informática e à emergência da teledetecção a partir do espaço, visam reproduzir os processos hidrológicos naturais. “Ao alimentá-los com as variáveis registradas na bacia - precipitações, evapotranspiração, níveis e estoque total de água na região, etc. - podemos prever eventos futuros como inundações ou secas com boa precisão espacial e temporal”, diz Rodrigo Cauduro Dias de Paiva.
La prévision des événements hydrologiques d’importance, permise par l’hydrologie spatiale et la modélisation du cycle de l’eau, est précieuse pour les nombreux usagers de la ressource, comme ici des opérateurs de transport fluvial au Brésil.
© IRD - Michel Jégu
Além do interesse científico, as previsões feitas pelos hidrólogos têm aplicações valiosas para a sociedade e o ambiente: otimização da captação de água, descargas de barragens, pesca e navegação fluvial para usuários e gestores do recurso, planeamento do desenvolvimento para os tomadores de decisão e, de forma mais geral, preservação dos ambientes naturais e do clima.
Gigantesque et exposé à des phénomènes climatiques majeurs, le bassin de l’Amazone connait des signaux hydrologiques très marqués. Il constitue ainsi un laboratoire naturel idéal pour développer et éprouver les nouvelles techniques d’étude spatiale.
© IRD - Bernard de Mérona
A Amazônia, um laboratório ideal
Com o seu fluxo gigantesco, imensa extensão, grandes cursos de água e fenômenos naturais de magnitude inigualável, o gigante dos rios e a sua vasta bacia é um laboratório inigualável para o desenvolvimento da hidrologia espacial e de técnicas de modelagem do ciclo da água. “A bacia amazônica é a sede de sinais hidrológicos muito fortes e experimenta variações sazonais e interanuais porque está sujeita a fenômenos climáticos importantes, tais como circulações atmosféricas (células Hadley ou Walker) ou El Niño e alterações nas temperaturas da superfície atlântica”, explica Alice Fassoni, uma pós-doutorada do LEGOS14. Mas, além disso, devido à sua importância em escala global, beneficia de uma rede de observação in situ bastante densa que fornece registros a longo prazo. De fato, o IRD e seus parceiros científicos no Brasil e países vizinhos colaboram neste assunto há mais de trinta anos e têm dado uma grande contribuição para o desenvolvimento da hidrologia numérica e espacial.
1. Grace and Grace FO: satélites da NASA e da Agência Espacial Alemã que fazem medições detalhadas da gravidade da Terra
2. As variações de gravidade no continente são devidas ao movimento das massas de água.
3. Topex-Poseidon: Satélite de oceanografia desenvolvido pela NASA e CNES
4. ERS 1/2: Satélites de observação da Terra desenvolvidos pela Agência Espacial Europeia. Transportam uma série de instrumentos que recolhem vários dados sobre a superfície dos oceanos, terra e atmosfera da Terra (altímetros de radar, radiómetros, espectrómetros, etc.)
5. Envisat: o satélite de observação da Terra da Agência Espacial Europeia lançado em 2002 com o objetivo de medir continuamente os principais parâmetros ambientais da Terra a diferentes escalas relacionadas com a atmosfera, o oceano, a terra e o gelo
6. Jason 1/2/3/CS: Família de satélites de altimetria desenvolvidos conjuntamente pela NASA e CNES para estudar a circulação oceânica e as interações oceanos-atmósfera.
7. Sentinel 3-A/B: satélite da Agência Espacial Europeia dedicado à oceanografia
8. Instrumentos de medição da radiação electromagnética chamados SSM/I e AMSR-E
9. DMSP: Satélites meteorológicos militares dos EUA
10. Aqua : Satélite de observação de precipitação e evaporação, também chamado EOS PM-1
11. Radiómetro espectral para imagens de média resolução, instrumentos a bordo dos satélites Aqua e Terra dos EUA
12. Landsat: Família de sete satélites de observação da Terra desenvolvidos pela agência espacial norte-americana, NASA, por iniciativa do US Geological Survey (USGS) e do Departamento de Agricultura
13 Sentinel-2: Uma série de satélites de observação da Terra desenvolvidos pela Agência Espacial Europeia
14. Ganhadora do prêmio da melhor tese de doutoramento na área da engenharia em 2020 pela Coordenação para o Desenvolvimento do Pessoal do Ensino Superior (CAPES), uma agência do Ministério da Educação do Brasil.
CONTATOS
- Alice Fassoni, LEGOS (IRD/CNES/CNRS/Université Toulouse 3)
- Fabrice Papa, LEGOS (IRD/CNES/CNRS/Université Toulouse 3) / Outras publicações
- Rodrigo Cauduro Dias de Paiva, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre
PUBLICAÇÃO
"Hidrologia espacial da Amazónia: avanços científicos e desafios futuros"
Alice César Fassoni-Andrade, Ayan Santos Fleischmann, Fabrice Papa, Rodrigo Cauduro Dias de Paiva, Sly Wongchuig, John M. Melack, Adriana Aparecida Moreira, Adrien Paris, Anderson Ruhoff, Claudio Barbosa, Daniel Andrade Maciel, Evlyn Novo, Fabien Durand, Frédéric Frappart, Filipe Aires, Gabriel Medeiros Abrahão, Jefferson Ferreira-Ferreira, Jhan Carlo Espinoza, Leonardo Laipelt, Marcos Heil Costa, Raul Espinoza-Villar, Stéphane Calmant & Victor Pellet Amazon Hydrology From Space: Scientific Advances and Future Challenges, Reviews of Geophysics, 12 de Outubro de 2021