Como os computadores simulam e prevêem o clima?

A previsão do tempo desempenha um papel essencial nas atividades de lazer e econômicas há séculos. Ele determina se você pode fazer um piquenique ou se os navios podem sair com segurança para o mar.

Mas a previsão do tempo não começou há 40 anos com computadores avançados. Centenas de anos atrás, as pessoas usavam uma variedade de métodos e cálculos manuais para prever o tempo, desde observar o céu em busca de sinais indicadores de uma tempestade até consultar os relatórios meteorológicos antigos – e eles eram bastante precisos.

Mas agora, a previsão do tempo está totalmente digitalizada, o que levanta a questão: como os computadores prevêem o tempo?

Computação antes dos computadores

Antes dos dispositivos de comunicação de alta velocidade, como o telégrafo e o telefone, era quase impossível obter dados meteorológicos atualizados para outros locais. A previsão do tempo era algo em que as pessoas comuns participavam, dependendo do que podiam ver e sentir.

A sombra específica do céu, os níveis de umidade e a pressão do ar – que você podia sentir nas articulações – onde todas as pessoas tinham que prever as condições climáticas do dia seguinte. Mas eles estavam longe de ser precisos, cheios de superstições e não podiam prever mais do que um ou dois dias no futuro.

No final dos anos 1800 e no início dos anos 1900, a previsão do tempo tornou-se um tipo de ciência mais sério. Redes de serviços meteorológicos foram capazes de se comunicar e trocar dados meteorológicos a longas distâncias.

O clima não se origina do nada. É influenciado pelas condições das áreas vizinhas. Conhecer as condições meteorológicas nas cidades vizinhas nos permite prever o tipo de clima que provavelmente enfrentaremos.

Antes dos computadores digitais, os meteorologistas traçavam manualmente os dados meteorológicos em mapas. Eles então analisariam os dados de um longo período de tempo, procurando tendências e padrões. Mas, mesmo antes dos computadores, os meteorologistas tinham instrumentos para coletar dados atmosféricos. Por exemplo, eles costumavam voar balões meteorológicos para obter amostras de regiões mais altas da atmosfera.

O nascimento do efeito borboleta

O termo "efeito borboleta" foi cunhado pela primeira vez na década de 1960 pelo meteorologista Edward Lorenz, embora outros já tivessem refletido sobre o assunto antes.

Lorenz usou o termo para descrever a sensibilidade dos sistemas meteorológicos. Ao recalcular as previsões meteorológicas anteriores, Lorenz não foi o único meteorologista a notar algo estranho. Mesmo a menor mudança nos números resultou em uma previsão do tempo completamente diferente.

A mudança nos números era tão minúscula que ele a comparou ao bater das asas de uma borboleta de um lado do mundo, iniciando uma violenta tempestade do outro.

Os computadores são apenas uma parte da equação

Está no nome: computar significa calcular. "Computador" já foi um trabalho em que pessoas com experiência em matemática se sentavam e resolviam centenas de problemas matemáticos por dia. Em vez disso, os computadores modernos automatizam o processo com máquinas digitais.

Para evitar cair no efeito amanteigado tanto quanto possível, os modelos modernos de previsão do tempo calculam dígitos e produzem resultados com um alto grau de precisão. Mas mesmo isso não é suficiente para vencer o clima.

Os modelos atuais de previsão do tempo podem prever o tempo para cinco dias no futuro com 90 por cento de precisão. A precisão cai significativamente depois. Atinge 80% para previsões de sete dias e cerca de 50% para qualquer coisa no futuro.

Como os computadores prevêem o clima

Um modelo de computador é um conjunto de instruções que o computador segue para criar uma simulação de um recurso ou fenômeno do mundo real. Os modelos modernos de previsão do tempo são softwares que analisam os dados do tempo para prever o recurso. Eles funcionam da mesma forma que os computadores prevêem a alta e a queda periódica do mercado de ações.

Para saber o que vai acontecer no futuro, você precisa saber o que aconteceu antes e o que está acontecendo agora. A previsão do tempo não começa com computadores, mas com dados. Os meteorologistas coletam dados usando uma variedade de instrumentos ao redor do globo simultaneamente.

Eles usam palhetas de vento para medir a velocidade do vento, termômetros para temperaturas, barômetros para pressão e higrômetros para umidade.

Todos esses dados são então implementados em vários modelos de computador para analisar e comparar com dados e cálculos anteriores. Mas não existe um único modelo para prever o tempo. Diferentes modelos se concentram em áreas específicas do sistema climático e trabalham em conjunto com outros modelos para criar uma imagem completa.

Modelos Climáticos

Os modelos climáticos são os principais responsáveis ​​por prever mudanças no clima da Terra ou de uma região. Clima é a condição meteorológica média em geral e não as condições meteorológicas durante um ou dois dias.

Modelos de Mesoescala

Os modelos de computador de mesoescala analisam áreas em uma escala de cerca de 20 km. Eles apenas analisam dados de áreas relativamente próximas e os usam para prever o clima local para os próximos dias.

Modelos Estatísticos

Os modelos estatísticos se concentram mais na análise de dados do que na simulação do tempo. Eles olham para dados de décadas atrás e prevêem o tempo. As temperaturas médias e as condições climáticas no mesmo local e local também contribuem para a previsão.

Uma Simulação de Atmosfera Bem Redonda

Os dados coletados por meio de instrumentos de meteorologia, juntamente com os vários modelos de previsão do tempo, são implementados em uma simulação digital da atmosfera terrestre. O tempo é acelerado na simulação para revelar as condições meteorológicas aproximadas nos próximos dias em escala global.

Mas simular toda a atmosfera da Terra não é fácil. Para obter previsões frequentes e precisas, os centros de meteorologia usam supercomputadores em vez dos normais.

Esses são idealmente capazes de realizar mais de 14.000 trilhões de cálculos por segundo. Mas mesmo depois os resultados ainda são difíceis. Os resultados são revisados ​​por uma equipe de meteorologistas altamente qualificados para interpretar e confirmar com uma precisão de 90 por cento – mas nunca 100 por cento.

A simulação teria que acomodar a dinâmica da Terra, além da física atmosférica. Os cientistas usam equações físicas para simular processos atmosféricos e como as diferentes condições climáticas interagem. A simulação como um todo também leva em consideração a rotação da Terra e como ela influencia as condições climáticas em todo o globo.

O futuro da previsão do tempo

A previsão do tempo passou de apenas prever o tempo alguns dias no futuro para prever um ponto fraco inteiro com alta precisão em cerca de 100 anos. Mas ainda há muito espaço para melhorias.

Para uma melhor previsão, os meteorologistas precisam de três coisas; uma compreensão mais profunda da atmosfera terrestre, dados atmosféricos mais precisos e frequentes e computadores poderosos que podem analisá-los e gerenciá-los a tempo. Tudo isso ao nosso alcance em um futuro próximo.