Uma bóia contendo sensores, GPS e transmissor de rádio envia dados para uma estação em terra, onde são processados e disponibilizados na Internet.

O equipamento de US$ 50.000 faz parte de um sistema que requer know-how específico para operar.

O que é o PIC on line? O Programa de Informação Costeira on line é fruto dum projeto de pesquisa do LaHiMar/UFSC patrocinado pelo CNPq e FUNCITEC. Além da aquisição de dados para os trabalhos de pesquisa do laboratório, este projeto também tem como objetivo a prestação de um serviço de utilidade pública à comunidade, disponibilizando informações sobre o estado do mar em tempo real via internet. Para tanto, as condições do mar são continuamente monitoradas por meio de um instrumento capaz de medir ondas com precisão - o ondógrafo direcional "waverider" - que se encontra fundeado a 35 km ao largo da Ilha de Santa Catarina numa profundidade de 80 metros. Os dados coletados pelo aparelho são transmitidos via rádio para uma estação receptora em terra que os re-envia para o LaHiMar onde são processados e divulgados.

O ondógrafo monitora o estado do mar fazendo registros de cerca de 20 minutos a cada hora, 24 horas por dia. A análise desses dados permite calcular o chamado "espectro direcional" das ondas o qual dá um diagnóstico bastante completo do estado do mar, mas que requer conhecimentos técnicos um tanto aprofundados para sua interpretação (explicações detalhadas sobre o Espectro do Mar serão apresentadas em breve !). Para atingir o objetivo de divulgação desses dados para o grande público (e não apenas para técnicos), foi necessário utilizar uma forma mais simples para expressar as condições de mar fornecidas pelo ondógrafo. O texto a seguir apresenta algumas informações básicas sobre as ondas do mar que deverão auxiliar os usuários do PIC a entender melhor os parâmetros que usamos no nosso "boletim".

Simplificadamente, pelo menos três informações básicas são necessárias para especificar as condições dum certo estado de mar: uma informação sobre a altura das ondas, outra sobre seu período e, uma terceira, sobre sua direção. A tabela abaixo, copiada do site, ilustra o boletim fornecido pelo nosso ondógrafo.

Talvez a direção das ondas seja o parâmetro mais fácil de entender (mas não de medir ...). De fato, qualquer um que já tenha observado o mar dum local elevado - a janela dum avião, por exemplo - já percebeu que não é difícil estimar a direção de onde as ondas estão vindo. Uma observação mais minuciosa vai mostrar que nem todas as ondas vêm exatamente da mesma direção, algumas cristas parecem um pouco mais inclinadas que outras, mas, normalmente, dá para identificar bem uma direção dominante de origem em torno da qual as ondas se "espalham". O ângulo correspondente a direção dominante de origem das ondas segue a seguinte convenção: 0^o = Norte ( N ); 90^o = Leste ( E ); 180^o = Sul ( S ) e assim por diante. Nosso ondógrafo consegue medir a direção dominante com boa precisão sendo esta uma das informações disponibilizadas no nosso "boletim".

Quanto aos outros dois parâmetros - altura e período - são necessárias explicações complementares. Assim, o restante do presente texto discute alguns pontos importantes de forma simples, porém com base no conhecimento científico existente sobre o assunto.

Definição da altura das ondas

O gráfico abaixo é um registro do movimento da superfície do mar com duração de 75 segundos obtido pelo ondógrafo da UFSC no dia 18 de Março de 2002.

Várias coisas interessantes sobre as ondas do mar estão evidenciadas nesse gráfico.

A primeira coisa a se observar é que as subidas e descidas da superfície do mar ocorrem de forma irregular e, curiosamente, tanto para cima como para baixo do nível médio de repouso da água (linha horizontal). Os pontos mais altos atingidos pela água correspondem às cristas das ondas. Os pontos mais baixos entre as cristas são os chamados cavados das ondas. Note que se o gráfico fosse virado de cabeça para baixo seria difícil perceber a diferença entre cristas e cavados... Este fato sugere que o "balanço" causado pelas ondas em águas profundas tende a ser simétrico em relação ao nível médio do mar. Em outras palavras, poderíamos dizer que, em alto mar, as ondas provocam tanto protuberâncias (cristas) quanto depressões (cavados) na superfície da água.

Voltando a atenção novamente ao gráfico, vemos que 12 cristas de onda passaram pelo ondógrafo nesse período de 75 segundos. Os níveis atingidos por cada uma das 12 cristas e os intervalos de tempo entre cristas estão registrados no gráfico. Por exemplo, a crista número 4 foi a mais alta, atingindo a cota 0,62 m. O maior intervalo de tempo entre cristas (consecutivas) ocorreu entre a crista 10 e a 11 e foi de 9 segundos. Tecnicamente, o nome dado ao intervalo de tempo entre a passagem de duas cristas consecutivas por um certo ponto fixo no mar é período da onda. O período é uma grandeza de grande importância para se entender vários fenômenos que ocorrem com as ondas no oceano como veremos mais adiante.

A questão agora é como definir a altura das ondas do mar. Nosso primeiro impulso seria, talvez, associar a "altura" duma certa onda com a altura da sua crista. Essa idéia talvez funcionasse bem se as ondas não tivessem cavados ... Na verdade, observando novamente o gráfico, vemos que o tamanho real das ondas ficaria melhor representado se incluíssemos também os cavados no cálculo das alturas. Assim, a altura duma onda é definida como a diferença de nível entre a sua crista e o seu cavado. De posse dum registro da posição da superfície do mar como esse mostrado acima, a altura de qualquer onda pode ser prontamente determinada.

Um aspecto importante surge numa situação de mar "mexido" onde é bem provável que apareçam no registro "marolas" superpostas a ondas maiores. Na verdade, as ondas número 2 e 9 do registro em questão apresentam essa característica. Como ficaria a definição de altura nesse caso ? Vamos considerar a marola como uma "onda" ou não ? A resposta é não, "marolas" não devem ser consideradas como ondas independentes. Para tanto, nossa definição de altura tem que ser adaptada através do seguinte artifício: inicialmente vamos identificar todos os pontos onde a superfície da água cruza o nível médio vindo de baixo para cima. Vamos então considerar que sempre entre dois desses pontos existe uma onda cuja altura será dada pela diferença de nível entre o ponto mais alto e o ponto mais baixo atingido pela água nesse trecho. Esse procedimento vai efetivamente "filtrar" as marolas e o problema estaria resolvido. Note que quando não há marolas no mar a altura da onda obtida dessa maneira é idêntica a altura anterior.

Sob a ótica científica, portanto, a determinação da altura das ondas parece uma coisa bastante trivial mas, no meio da galera do surf, ... há controvérsias ... qual seria o motivo para tanta discórdia sobre a altura das ondas entre os surfistas ? Para entender um pouco essa questão, é interessante, nesse ponto, abrir um parêntesis para observar uma diferença importante entre as ondas em alto mar e em águas mais rasas.

Ondas em águas rasas: conceitos básicos

Em águas mais rasas, a característica das ondas de ter uma parte da sua altura acima do nível médio (crista) e outra abaixo desse nível (cavado) fica alterada. Como certamente toda a galera do surf já percebeu, próximo a arrebentação, a onda fica quase que totalmente acima do nível médio e apenas uma pequena parte do cavado (algumas vezes) ainda é perceptível a olho nu. É como se o fundo do mar próximo a praia "empurrasse" a onda para cima forçando o cavado a se aproximar do nível médio e forçando a crista a subir. Em algumas praias - como no pico de Teahoopo no Taiti - algumas ondas quebram com um remanescente do cavado ainda considerável dando a impressão de que há uma depressão na frente da crista.

Um complicador extra é que, nos últimos metros antes do ponto de arrebentação, as ondas sofrem transformações bem rápidas na sua forma (logo, na sua altura) e, portanto, uma medição precisa da altura duma certa onda próximo ao ponto de arrebentação dependeria de quando exatamente se deseja fazer a medida. Normalmente, quando a galera do surf se refere a "altura" duma onda está subentendido que é a altura no momento do início da arrebentação. A princípio, se nós conseguíssemos registrar a posição da superfície do mar próximo ao ponto de arrebentação das ondas (sem destruir o ondógrafo no processo...), a mesma definição de altura usada em alto mar poderia ser usada no raso e o problema estaria resolvido. Não sendo possível fazer tal medição, tem-se que recorrer a outros meios menos precisos - como, por exemplo, estimativas visuais - e, é aí que surgem as controvérsias... Por exemplo, a declividade da "face" da onda no início da arrebentação pode dificultar a estimativa da sua altura. No caso duma onda "gorda", com arrebentação "deslizante", pode ficar difícil avaliar onde exatamente termina a "face" da onda para se estimar sua altura. Já no caso duma onda "tubular" a altura no início da arrebentação é mais facilmente avaliada, pois fica mais fácil enxergar o fim da "face" da onda. Surgem assim, no meio da galera do surf, métodos bastante curiosos como, medir a altura da onda por trás (?), confundir a altura (que deve ser medida na vertical) com o comprimento (inclinado) da "face" da onda ou, ainda, usar "escalas" engraçadas do tipo "metros bem servidos" ou "pés havaianos" - parece que 3 "pés havaianos" corresponderiam a uns 5 ou 6 "pés brasileiros" ... - , etc ... Todo esse folclore perde o sentido se aplicarmos ao instante do início da arrebentação a definição científica da altura duma onda que é : a diferença de nível entre sua crista e seu cavado.

Outro aspecto importante - e que causa certa confusão na galera - refere-se à questão da unidade de comprimento usada para expressar a altura das ondas. Dois sistemas de unidades são utilizados no mundo: o sistema métrico e o sistema inglês (que usa jardas, pés e polegadas). Primeiramente, deve-se observar que a altura das ondas (ou das pessoas ou de qualquer coisa....) não pode ser alterada pelo sistema de unidades que se escolhe: 1 metro corresponde a 3,28 pés, portanto, uma onda de 1 metro terá 3,28 pés de altura esteja ela no Havaí, na Califórnia, na Austrália ou no Brasil. Por questões históricas, a galera do surf, no Brasil e em outros países, prefere usar o sistema inglês e medir ondas e (pranchas !) em pés (e polegadas !) . A princípio não há nada errado com isso a não ser o fato de que estamos todos indo contra a tendência internacional que é de eliminar o sistema inglês em favor do sistema métrico. No meio científico, por exemplo, o sistema inglês já foi completamente banido ! O motivo principal é que o sistema métrico é decimal (1 metro tem 10 decímetros, 100 centímetros e 1000 milímetros) enquanto o inglês não é (1 jarda tem 3 pés e 1 pé tem 12 polegadas). Um sistema decimal é mais fácil de entender e trabalhar. O segundo motivo é que, exceto nos países de língua inglesa, todo o resto do mundo usa o sistema métrico e, por isso, este é o sistema internacional. Na verdade, os Estados Unidos tem se esforçado para implantar o sistema métrico, mas isso não é uma tarefa fácil pois a resistência do público é grande. No projeto PIC ("Programa de Informação Costeira - on line"), nós utilizamos o sistema métrico e, por isso, as alturas das ondas são sempre expressas em metros.

Finalizando, devemos chamar a atenção para o fato que a nossa bóia medidora de ondas está localizada a 35 km da costa e em 80 m de profundidade, portanto, as condições de mar medidas por ela referem-se, praticamente, a condições de alto mar. Para chegarem à praia as ondas ainda tem que se propagar por sobre a chamada plataforma continental que é uma parte do fundo do mar relativamente rasa que margeia os continentes. Nessa passagem as ondas são afetadas pelo fundo sofrendo o efeito de vários fenômenos físicos que transformam as características que elas tinham originalmente em alto mar. Um dos principais fenômenos é a refração a qual é capaz de redirecionar a energia transportada pelas ondas criando zonas de focalização, onde as ondas são amplificadas, e desfocalização, onde elas são diminuídas. Assim, através do fenômeno da refração, o relevo submarino da plataforma continental vai efetivamente modelar as ondas oceânicas no trecho final da sua viagem até a praia. Portanto, a "tradução" das condições de onda medidas em alto mar para condições numa determinada praia só pode ser feita a partir do estudo dessas transformaçães. Este estudo já está sendo feito no Laboratório de Hidráulica Marítima da UFSC e, em breve, estaremos disponibilizando informações sobre condições de onda em águas mais rasas ao longo da costa de Santa Catarina. Explicações mais detalhadas sobre a refração (e outros fenômenos) serão tema dum próximo texto, por enquanto, é importante apenas salientar que a intensidade do efeito da refração sobre as ondas depende diretamente do seu período (e não da sua altura !); em outras palavras, ondas de período longo serão muito mais afetadas pela refração do que ondas de período curto. Portanto, conforme mencionamos anteriormente o período das ondas é um dado de fundamental importância para se entender o que acontece com as ondas na sua viagem até a praia.

Altura significativa

Retornando ao gráfico, vemos ser possível identificar 12 ondas com as seguintes alturas:

Observando os números acima vemos que a altura das ondas variou bastante, indo dum mínimo de 0,30 m a um máximo de 1,20 m. Essa variabilidade decorre, em última análise, do fato que as ondas superficiais do oceano são geradas pelo vento num processo de geração bastante complexo. Ao contrário de ondas feitas num tanque de laboratório por um "batedor de ondas" controlado mecanicamente (veja figurinha abaixo) e que produz um "trem" de ondas totalmente idênticas, as ondas geradas pelo vento no oceano se caracterizam pela sua irregularidade como apresentado no gráfico.

A questão que se coloca é: face a variabilidade inerente às ondas oceânicas, qual altura devemos usar para caracterizar um certo estado de mar ? Talvez a coisa mais natural a fazer seria simplesmente calcular a média de todas as alturas de onda registradas e usar esse número para representar o "tamanho" do mar . No exemplo em questão, a altura média seria H_méd = 0,75 m. Curiosamente, a altura média das ondas (H_méd) não vingou como a altura representativa do tamanho do mar, quem ficou com essa honra foi uma outra altura chamada altura significativa (H_S) que vai ser definida em detalhe a seguir.

A primeira coisa a fazer para determinar H_S é ordenar em ordem crescente (isto é, da menor para a maior) todas as alturas registradas. No caso em questão, teríamos uma "escadinha" de 12 alturas indo de 0,30 m a 1,20 m. Teríamos então que dividir esse conjunto em 3 grupos (no caso com 4 ondas cada), separar o grupo das maiores ondas e calcular a altura média desse grupo. Essa seria a famosa altura significativa (H_S) !

Podemos, portanto, definir a altura significativa dum certo estado de mar como a média não de todas as ondas presentes como pensamos inicialmente, mas a média do terço superior das maiores ondas. No exemplo em questão, a altura significativa do mar seria obtida fazendo a média das 4 maiores ondas registradas [ H_S = ( 0,92 + 0,95 + 0,98 + 1,20 ) / 4 ] resultando H_S = 1,01m.

Porque a altura significativa e não a altura média ficou como a altura representativa do "tamanho do mar" ? O motivo tem a ver com um fato curioso: testes realizados com observadores experimentados mostraram que a altura estimada visualmente por esses observadores corresponde surpreendentemente bem à altura significativa calculada da maneira indicada acima. Assim, no Programa de Informação Costeira, o parâmetro usado para caracterizar a altura das ondas é a altura significativa H_S.

Não sei se a galera do surf já pensou sobre essa questão, mas quando alguém dá um boletim das condições do mar informando que "hoje as ondas estão com 1 metro e meio de altura..." o que significa exatamente essa altura ? Bem, se a pessoa em questão for um observador "experimentado", intuitivamente, a altura estimada (visualmente) por ela deve corresponder aproximadamente a altura significativa das ondas !

Altura máxima

Finalmente, não podemos esquecer que a altura significativa não corresponde a maior altura presente (H_máx) no mar. Essa altura máxima depende do intervalo de tempo considerado e do número total de ondas presentes nesse intervalo - número este estimado em função do período médio das ondas. Existe uma teoria estatística sobre a altura das ondas em alto mar muito interessante que permite fazer uma estimativa de qual seria a maior onda provável de acontecer num intervalo de tempo qualquer. Considerando um período médio de 10 segundos - bem típico do nosso mar - essa teoria prevê que num intervalo de 1 hora, deve aparecer pelo menos uma onda com altura aproximadamente 70% maior que a altura significativa. Trocando em miúdos, se o mar estiver com uma altura significativa de 1 m e você esperar 1 hora, é provável que você encontre uma onda com 1,7 m de altura. Para um intervalo de tempo de 20 min. - que é a duração total do registro da bóia - a percentagem cai para cerca de 55% (por exemplo, se H_S for 1 m , H_máx seria 1,55 m e assim por diante). É possível fazer verificações diárias desse resultado usando os dados do nosso ondógrafo. Para tanto basta fazer uma continha muito simples: H_máx dividido por H_S. Você mesmo pode fazer o teste para ver o que dá...

A rigor essa teoria estatística só é válida para ondas em alto mar. Mesmo assim, podemos usá-la para ter uma idéia, mesmo que grosseira, do que esperar do mar em águas mais rasas. Fazendo isso, podemos inferir o seguinte resultado aproximado: num mar com H_S = 2,0 m, por exemplo, é provável que apareça uma "rainha" com 3,4 m num intervalo de tempo de 1 hora !

Essas são algumas noções básicas sobre esse fenômeno natural fascinante que são as ondas do mar. Fiquem ligados no nosso site para mais novidades.

A publicação deste artigo no popa foi autorizada pelo Prof. Eloi Melo. Saiba mais sobre o PIC