Cientistas utilizam redes complexas para desvendar mistérios da Terra e do espaço

Para especialista, ferramental das redes complexas possibilita avançar na compreensão dos fenômenos climáticos e meteorológicos

Somente uma rede interdisciplinar é capaz de capturar as questões que esses pesquisadores querem compreender - Foto: Reinaldo Mizutani
Somente uma rede interdisciplinar é capaz de capturar as questões que esses pesquisadores querem compreender – Foto: Reinaldo Mizutani

O conceito de redes complexas surgiu como uma área multidisciplinar da ciência com o objetivo de compreender como “coisas” se conectam e como se dão as implicações desses relacionamentos.

Pense na atmosfera terrestre. “Ela é um fluido, não tem nenhuma fronteira a não ser a superfície e o espaço. O que acontece no Oceano Pacífico ou no Índico pode nos influenciar”, conta o pesquisador Gilvan Sampaio, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe). Na opinião dele, o ferramental das redes complexas possibilita avançar na compreensão dos fenômenos climáticos e meteorológicos em comparação com as técnicas tradicionais que são usadas, há pelo menos 30 anos, pelos cientistas que atuam nessa área.

O professor Henrique Barbosa, do Instituto de Física (IF) da USP, diz que os primeiros artigos científicos que tratam da aplicação das redes complexas no contexto da climatologia e da meteorologia são bastante recentes, datam de cerca de dez anos atrás. Ele dá um exemplo para explicar como essas redes podem ser empregadas para capturar a complexidade do clima no mundo. Comece analisando a quantidade e a distribuição das chuvas em todo o planeta nos últimos anos. Uma maneira de estudar se há uma relação entre esse índice pluviométrico e a variação de temperatura na superfície do mar em todo o mundo é considerar que cada posição no globo é um nó em uma rede complexa, um pontinho no papel: “Eu só vou ligar um par de pontos se houver uma correlação alta entre a precipitação em um e a temperatura do mar no outro. No final, eu tenho muitos pontos, com muitas linhas conectadas. Então, passo a estudar esse objeto matemático”.

Esse objeto, que representa a relação entre a quantidade de chuva e a variação de temperatura na superfície do mar em todo o globo, pode ajudar os cientistas a entenderem se essas chuvas estão conectadas a fenômenos como o El Niño, que consiste na mudança da temperatura da superfície da água do Oceano Pacífico. Note que esse objeto é também um grafo e que as ferramentas empregadas para analisá-lo são as mesmas que outros cientistas usaram para ver como funcionam as redes que conectam os neurônios do seu cérebro e também seus amigos no Facebook.

“Nós usamos a técnica de redes complexas para entender os eventos extremos de precipitação da América do Sul. Tem uma vasta literatura científica a respeito da umidade que vem da Amazônia, que é transportada pelos jatos de baixos níveis para a região do Sudeste, os quais são ventos bem acelerados que vêm da Amazônia em direção ao Sudeste. Quando isso está acontecendo, detectamos mais chuvas e tempestades por aqui”, revela Barbosa. “Nós então construímos uma rede complexa para representar os eventos extremos de precipitação. O que descobrimos foi que esses eventos extremos se propagam de sul para norte (da Bacia do Prata em direção aos Andes Bolivianos), em direção contrária ao fluxo de umidade que vem da Amazônia. Essa análise também nos permitiu criar um modelo que, com 24 horas de antecedência, prevê a ocorrência de chuvas extremas no planalto andino”, completa o professor. As conclusões estão destacadas no artigo Prediction of extreme floods in the eastern Central Andes based on a complex networks approach, publicado em 2014 na Nature Communications.

Henrique destaca que 25% das chuvas na região sudeste é de água da floresta Amazônica - Foto: Denise Casatti
Barbosa destaca que 25% das chuvas na região Sudeste são de água da floresta amazônica – Foto: Denise Casatti

Henrique cita, ainda, diversas outras pesquisas em que as redes complexas têm contribuído para o avanço do conhecimento, tal como o trabalho do grupo mostrando que 25% das chuvas na região Sudeste são de água da floresta amazônica, publicado em 2014 na revista Atmospheric Physics and Chemistry (On the importance of cascading moisture recycling in South America). “As redes complexas permitem a você quantificar e analisar problemas que são intrinsecamente não lineares. Por meio da análise das redes você consegue inclusive determinar se as equações que estão regendo os fenômenos observados – ainda que você não as conheça – são lineares ou não lineares. Isso é algo que a gente não consegue quando usa os métodos tradicionais”, explica o professor.

Para Sampaio, um dos maiores desafios dos pesquisadores envolvidos no projeto é “falar a mesma língua”: “Tanto nós da área de meteorologia e climatologia precisamos entender mais sobre redes complexas, quanto os matemáticos, cientistas e engenharias de computação precisam entendem mais sobre clima”. Como as questões que esses pesquisadores querem compreender são muito complexas, não é de se surpreender que somente uma rede interdisciplinar seja capaz de capturá-las.

Satélites, lasers e inovação

“Estamos vivendo em um mundo em que a palavra que permeia tudo é interação”, diz Elbert Macau, do Inpe. Além de coordenar o projeto Fenômenos Dinâmicos em Redes Complexas, ele estuda como tornar nossos sistemas de observação mais potentes: “Quando você coloca um conjunto de instrumentos de observação, quer sejam telescópios ou radiotelescópios, cada um em um satélite, tem-se um conjunto deles que precisa se deslocar no espaço mantendo uma determinada formação para que você possa, virtualmente, compor uma antena imensa a partir dessas pequenas antenas”. Lembre-se de que a distância entre esses satélites pode ser de centenas e até milhares de quilômetros. Nesse contexto, aparecem diversos problemas. “Essa geometria tem que poder ser alterada, porque você às vezes tem que substituir um satélite, alterar a resolução, dividir a formação para observar outros lados da Terra ou do universo. Para isso, tenho que saber como essa rede se estrutura e o acoplamento entre os satélites é fundamental.”

Elbert é o coordenador do projeto pelo lado brasileiro - Foto: Denise Casatti
Macau é o coordenador do projeto pelo lado brasileiro – Foto: Denise Casatti

Depois de falar do que podemos enxergar a partir do acoplamento de satélites, Macau mergulha no sistema de distribuição de energia: “No modelo tradicional, você tem geradores e consumidores estruturados em uma determinada rede. Por si só, isso já é uma coisa complicada.” A questão é que, atualmente, essa estruturação em rede está se tornando ainda mais complexa porque não existe apenas uma central elétrica geradora de energia: “Você pode ter uma fazenda que seja alimentada por um gerador eólico. Nesse caso, quando tem vento, há geração de energia para o local, mas quando não tem, a fazenda se torna consumidora. Há, ainda, residências com células fotovoltaicas e estamos começando a instalar sensores piso elétricos em pontes, estradas, viadutos e estádios para que possam gerar energia. Isso tudo cria um sistema de redes que altera a sua configuração ao longo do tempo.”

A inovação trazida para a ciência pelos pesquisadores de redes complexas é difícil de mensurar. “As redes estão no coração de algumas das mais revolucionárias tecnologias do século 21, empoderando tudo, do Google ao Facebook”, escreve o professor Albert-László Barabási no livro Network Science. Ele lidera um centro de pesquisa em redes complexas na Universidade Northeastern, em Boston, nos Estados Unidos. Para o professor, as redes permeiam a ciência, a tecnologia, os negócios e a natureza em um grau muito mais elevado do que podemos imaginar à primeira vista e, consequentemente, nós nunca vamos entender os sistemas complexos a menos que sejamos capazes de desenvolver uma profunda compreensão sobre as redes que existem por trás deles. Não é à toa que há tantos cientistas tentando capturar o mundo com essas redes.

Denise Casatti / Assessoria de Comunicação do ICMC

Leia mais sobre redes complexas em:

Redes complexas ajudam cientistas a entender segredos da vida

Textos relacionados