Não obstante a importância do vapor de água da atmosfera é preciso ressaltar, mais uma vez, que as medições; tanto em tempo como em espaço, especialmente em escala global, são extremamente escassas. Apenas com o uso de aplicações desenvolvidas com o emprego de tecnologias espaciais se tornou possível determinar o vapor de água na atmosfera, em escalas espacial e temporal relativamente amiúde. No entanto, tendo em vista que as medições não são feitas diretamente, ou seja, inferidas por meio de técnicas de processamento e conhecimentos físicos e teóricos, elas não asseguram a unicidade inequívoca dos valores obtidos. Mesmo assim, apesar dos inúmeros problemas ainda existentes, vários estudos mostram que os dados que têm sido obtidos são deveras úteis e importantes nas mais variadas aplicações na meteorologia. Uma das técnicas mais modernas que vêm sendo implementadas na meteorologia para determinar o vapor de água na atmosfera, com qualidades semelhantes em quaisquer condi- ções de tempo, é fundamenta-se nas medições do Sistema de Posicionamento Global (GPS). Rede de observações regionais baseada nessa nova tecnologia vem provendo informações com alta freqüência temporal do vapor de água, integrado da atmosfera, estabelecidas nas mais diversas regiões do globo. Adicionalmente, embora com menos intensidade, a aplicação de uma técnica similar, a radio occultation (RO), também vem sendo desenvolvida, mediante o emprego de sistemas de satélites de baixa órbita.
Alguns problemas ainda a serem solucionados dizem respeito, por exemplo, aos sondadores TOVS, que proporcionam sondagens verticais do vapor de água e informações sobre uma vasta área de cobertura, porém com limitações restritas em regiões com fortes coberturas de nuvens e possibilidade de grandes valores de viés regionais. Apresentam também pobre resolução vertical ( Susskind et al. (1984),Prabhakara et al. (1985)). Os sensores de microondas proporcionam dados da coluna total da atmosfera sobre grandes regiões e não sofrem grandes influências de cobertura de nuvens, mas são essencialmente limitados para regiões oceânicas e sem gelo.
Capítulo 3
TECNOLOGIAS ESPACIAIS
UMIDADE DA ATMOSFERA
As técnicas de microondas, tais como o Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) e o Special Sensor Microwave Imager (SSMI), oferecem a possibilidade de monitorar de forma global o fluxo de calor latente, muito embora utilizando um método indireto. O SMMR mede a coluna de vapor de água integrada, ou seja, a água precipitável, a velocidade do vento e a temperatura da água do mar; e o SSMI provê medições do vetor velocidade do vento na superfície, ou seja, a tensão. Essas medições apresentam, segundo Katsaros and Brown (1991), uma precisão, respectivamente, da ordem de 2 a 3 kg m, 2 m/s e 2 K, baseado nos dados e análises dos dados do SMMR a bordo dos satélites da série SEASAT.
Segundo Katsaros et al. (1981), as medições do vapor de água integrada na vertical são as mais confiáveis, em comparação com estimativas obtidas por radiosondagens. Entretanto, as estimativas dos fluxos de superfície requerem dados da umidade da superfície, portanto é muito dependente de observações convencionais. Liu (1986) estabeleceu uma relação entre a água precipitável mensal média e a umidade específica, de forma que o fluxo de calor latente médio bruto pode ser obtido, em escala global, usando a água precipitável como substituto da umidade específica; porém é importante ressaltar que esse tipo de inferência só pode ser empregado para fins de análise climática, e não para previsões de tempo.
O SSMI oferece uma estimativa melhorada da velocidade do vento e da água precipitável, mas apresenta um problema, pois é deficiente nos canais de baixa freqüência, porque eles são muito sensíveis às variações da temperatura da água do mar. Há, entretanto, algumas incerte- zas; por exemplo, é difícil estimar o valor do efeito da convergência do vapor de água quando o ar próximo da superfície está próximo da saturação mas o vapor de água total integrada é pequeno (Liu et al. (1991)). Por exemplo, velocidade dos ventos bem baixa, grande varia- bilidade das temperaturas da água do mar e as umidades específicas observadas no Oceano Pacífico Ocidental usando medidas locais são muito restritivas na habilidade de determinar os fluxos por sensoriamento remoto que dependem da observação in situ. Nesses casos, o vapor de água integrado não reflete as variações vertical e horizontal da umidade que determinam em grande parte o fluxo de calor latente da superfície. Os processos da camada limite não podem ser facilmente determinados por sensoriamento remoto, e com isso maiores esforços devem ser conduzidos para compreender as limitações desses métodos. A abordagem mais atrativa consiste em combinar parâmetros medidos pelos satélites e modelos numéricos que contênham físicas suficientes para reduzir a maior parte das ambigüidades associadas com a integração vertical e média espacial dos vários parâmetros (Atlas et al. (1987); Atlas and
Bloom (1989)).
As tecnologias espaciais mais avançadas atualmente empregadas para obter a umidade da atmosfera são aquelas que possibilitam a extração de sondagens de dados meteorológicos; ou seja, de informações de campos tridimensionais da atmosfera. Não obstante, há também novas técnicas espaciais que vêm sendo empregadas para determinar a água precipitável da atmosfera, que se trata de um parâmetro apenas da superfície.
Serão abordadas as metodologias que vêm sendo correntemente empregadas, em nível ope- racional, para determinar a umidade da atmosfera com base nas observações de satélites para fins específicos de assimilação em previsão numérica de tempo.
3.1
Sistema GPS
Um milestone nos desenvolvimentos tecnológicos implementados na área espacial e que foi concebido para fins de navegação é o Sistema de Posicionamento Global (GPS) por saté- lite, inicialmente introduzido e controlado pelo Departamento de Defesa (DoD) dos Estados Unidos.
Os primeiros satélites do GPS foram lançados no início da década de 60, e os de segunda ge- ração surgiram em 1989. O sistema foi desenvolvido visando, desde o princípio, atender tanto às necessidades de navegação tanto na área civil como na militar. Durante muito tempo, esse sistema possibilitou a navegação com resoluções plenas, porém restritas e reservadas para uso militar e degradados para aplicações civis. O lançamento do GPS continuou estável, desde a década de 1990, com número crescente de usuários e de desenvolvimentos técnicos e ci- entíficos nas aplicações mais diversificadas, tornando-se totalmente operacional em julho de 1995. Somente em 1996, após a decisão diretiva presidencial dos Estados Unidos, é que as altas resoluções passaram a atender de forma plena os requisitos das aplicações públicas de navegação. Hoje ele é constituído por uma constelação de pelo menos 24 satélites (em 17 de fevereiro de 2006, 29 satélites). O que viabiliza a navegação global nesse sistema são 4 satélites, dispostos em cada uma das 6 diferentes órbitas inclinadas de 55˚ em relação ao plano equatorial, igualmente separadas, segundo um ângulo de 60˚, e período orbital de 11 horas e 58 minutos. Na Figura 3.1 é apresentada a constelação de satélites nominal GPS, com os 24 satélites nos 6 planos orbitais, com 4 satélites em cada plano, a uma altitude de cerca de 20.200 km e inclinação de 55 graus.
Os satélites GPS transmitem sinais de navegação centrados em duas radiofreqüências, nas bandas L do espectro eletromagnético; L1 a 1575,42 MHz (∼19 cm) e L2 a 1227,60 MHz (∼24,4 cm). Esses sinais constituem a base para obter os tempos de transmissão e de recep- ção e, portanto, determinar as coordenadas de um local na superfície da Terra (Figura 3.2), bem como determinar as distâncias entre o receptor e pelo menos quatro satélites do sistema (Monico (2000)).
Os sinais do GPS, ao se propagarem pela atmosfera terrestre, sofrem influências dos cons- tituintes das camadas eletricamente neutras da atmosfera. Com isso, gera-se um retardo na propagação, advindo, conseqüentemente, erros nas determinações das coordenadas finais de uma localidade (Figura 3.3).
Figura 3.1: Constelação GPS
Figura 3.2: Distribuição idealizada para fins de navegação.