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O maior habitat da Terra é também aquele que menos conhecemos. Agora, uma nova onda (geddit) de inovadores está desenvolvendo a tecnologia que nos ajudará a descobrir mais. Aqui está o que eles estão descobrindo.

Os oceanos são a parte maior, mais selvagem e menos compreendida do planeta. Mas estamos conhecendo-os melhor a cada dia, graças a uma série de tecnologias que estão sondando as profundezas de maneiras novas e inventivas.

Alguns pesquisadores estão capturando coisas do mar e transportando-as para o laboratório para estudar em detalhes; outros estão equipando os oceanos com novos sensores e dispositivos, ou investigando-os com algoritmos. Juntas, essas abordagens estão oferecendo novas visões do mundo subaquático, em um momento em que nunca foi tão importante decifrar o funcionamento interno dos oceanos.

De recifes de coral a geléias profundas, os habitantes vivos dos oceanos enfrentam ameaças maiores das atividades humanas do que nunca. Os mares estão poluídos e sobreexplorados, os habitats marinhos estão sendo destruídos e novos impactos – como a mineração em alto mar – estão se aproximando rapidamente.

Também está se tornando cada vez mais claro o quão crítico os oceanos são para o resto da vida na Terra. Essas águas enormes e em constante mutação desempenham um papel vital nos sistemas meteorológicos e climáticos, fornecem alimentos e meios de subsistência para as populações humanas em todo o mundo e abrigam grandes áreas de biodiversidade desconhecida. Para entender e proteger a vida neste planeta, temos que olhar para os oceanos.

Construtores virtuais de e-reef

Não muito tempo atrás, a principal forma de os biólogos marinhos estudarem os recifes de coral era mergulhar por cerca de uma hora de cada vez e anotar o que viam em lousas à prova d’água. Agora, durante um único mergulho, eles podem tirar fotos que podem ser costuradas em uma intrincada vista tridimensional do recife.

“É uma realidade virtual subaquática”, diz o professor Stuart Sandin , biólogo marinho do Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego. “Faz você se sentir como se estivesse imerso.”

Usando um sistema com duas câmeras instaladas em ângulos diferentes, um mergulhador nada para cima e para baixo em um recife como se estivesse “cortando a grama”. Cerca de 3.000 imagens tiradas de um gráfico padrão de 10 x 10 m são então analisadas por computador usando uma técnica conhecida como ‘estrutura do movimento’.

O resultado para um gráfico de 10 x 10m é um modelo digital tridimensional do recife, feito de um bilhão de pontos coloridos.

A técnica, que Sandin levou anos para desenvolver em colaboração com equipes de cientistas e engenheiros da computação, agora está sendo implementada em todo o mundo.

Até o momento, foram mapeados 30 hectares de recife, o equivalente a dezenas de quarteirões da cidade, com resolução de um milímetro. Além de produzir vistas subaquáticas deslumbrantes, todos os tipos de informações valiosas podem ser extraídas desses recifes eletrônicos.

Na Universidade de Boston, a estudante universitária de pesquisa Coretta Granberry traça meticulosamente em um tablet digital os contornos de corais individuais, para que possa calcular suas áreas e fazer comparações ao longo do tempo. “Você obtém uma imagem íntima e detalhada do recife e de como tudo está conectado”, diz ela.

Os corais que ela estuda estão crescendo a milhares de quilômetros de distância, nas Ilhas Phoenix, no meio do Pacífico. Seu professor, Dr. Randi Rotjan , lidera expedições a cada três a cinco anos a esses recifes extremamente remotos. “Lá fora, as pessoas mais próximas de você estão na Estação Espacial Internacional ”, diz Rotjan.

Essas ilhas isoladas e protegidas estão ajudando a mostrar como os recifes respondem ao aumento da temperatura do mar. “Se você deixar os recifes em paz localmente, como eles serão quando a mudança global for o único fator de estresse?” diz Rotjan.

Armados com imagens tiradas dos mesmos terrenos em 2012 e 2015, Granberry e seus colegas acompanharão como os corais individuais nas Ilhas Phoenix mudam, para ver se eles encolhem, crescem ou são cobertos por outra coisa.

Como cápsulas do tempo, os e-recifes permitirão aos cientistas do futuro retroceder no tempo e responder a novas perguntas que ninguém pode antecipar. “Em essência, você está explorando em quatro dimensões”, diz Sandin.

E-recifes também são uma ferramenta poderosa para mostrar como são os recifes agora. “Você vê os olhos de todos brilharem, desde os cientistas mais experientes, a um político, a um líder comunitário e a uma criança”, diz Sandin.

Isso é especialmente importante na Área Protegida das Ilhas Phoenix, onde a população local de Kiribati que impulsionou os esforços de conservação vive muito longe para visitar os recifes do enorme arquipélago. “E-recifes tornam-se o mecanismo para mostrar às pessoas no país o que estão protegendo e por quê”, diz Rotjan.

Preditores de mudanças climáticas

Entre a Escócia, a Groenlândia e a costa leste do Canadá, uma série de sensores subaquáticos se estende por mais de 3.000 quilômetros. A professora Penny Holliday do Centro Nacional de Oceanografia do Reino Unido descreve a matriz como uma cerca de estacas.

Ela é a principal investigadora do OSNAP no Reino Unido, o Programa Virada do Atlântico Norte Subpolar, que instalou 58 sensores em 2014. Cada sensor consiste em uma bola gigante cheia de ar que fica perto da superfície do oceano.

A bola é fixada ao fundo do mar milhares de metros abaixo por meio de uma linha de amarração. A flutuabilidade da bola mantém o cabo de amarração na vertical e, ao longo do comprimento do cabo, vários instrumentos que medem a temperatura e a salinidade da água, bem como a velocidade e a direção das correntes que passam. O objetivo é monitorar o giro subpolar, que é uma enorme corrente de água quente que gira no sentido anti-horário através do Atlântico Norte.

O giro libera calor para a atmosfera, que flui pelo Reino Unido e pela Europa. “Isso é o que nos mantém aquecidos”, diz Holliday. Podemos ver esse efeito comparando as temperaturas do Reino Unido ou da Europa com a mesma latitude no Canadá. A diferença é causada pelo calor que a circulação do oceano em grande escala nos traz.

O giro subpolar do Atlântico faz parte de um processo global denominado “revirar a circulação”. Este é o processo pelo qual a água do mar quente e rasa flui dos trópicos em direção aos pólos, onde gradualmente esfria, torna-se mais densa e afunda, e então flui de volta para os trópicos.

Ele desempenha um papel fundamental nos modelos climáticos, distribuindo calor e carbono ao redor do planeta, mas no Atlântico Norte não é bem compreendido. Até que o array fosse instalado, os cientistas não tinham ideia de quão forte era a circulação invertida nessa latitude, ou como ela mudou com o tempo.

Desde os primeiros anos de dados, Holliday e sua equipe começaram a lidar com isso. “Mesmo apenas obter esses [primeiros] números parece um grande passo em frente”, diz ela. “O interessante que descobrimos é o quão variável é.”

Eles também perceberam que estavam errados ao presumir que o lugar mais importante para a circulação reversa era entre o Canadá e a Groenlândia, no Mar de Labrador. Na verdade, o centro da ação fica entre a Groenlândia e a Escócia. “Isso não parece muito empolgante, mas é importante para a forma como interpretamos os modelos climáticos e as previsões que fazemos sobre a mudança do clima”, diz ela.

A matriz OSNAP permanecerá no local até pelo menos 2024, para continuar monitorando o giro e aumentar a confiança nas futuras previsões de mudanças climáticas . A equipe de Holliday também está desenvolvendo novos dispositivos para medir os níveis de oxigênio.

“Uma das grandes questões do mundo no momento é se o oceano e algumas plataformas marinhas estão perdendo oxigênio”, diz ela. “Somos capazes de construir nesta matriz que foi projetada com outro propósito para obter informações extras, o que é realmente emocionante.”

Curadores do fundo do mar

Flutuando no fundo do mar estão uma grande quantidade de animais intrincados e gelatinosos que são extremamente difíceis de estudar. Eles são transparentes e tão delicados que se desfazem facilmente quando apanhados em redes. Mas agora uma equipe do Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), na Califórnia, desenvolveu uma nova maneira de encará-los.

O Dr. Kakani Katija , engenheiro principal do MBARI, projetou o DeepPIV (Velocimetria de Imagens de Partículas). Conectado a um robô de mergulho profundo, o dispositivo usa uma folha de lasers para construir scans 3D de animais transparentes e intrincados em seu ambiente natural.

Os primeiros alvos de Katija foram animais semelhantes a girinos com 10 cm de comprimento, chamados de larváceos gigantes, que fazem estruturas mucosas complexas para filtrar a água do mar em busca de pequenas partículas de comida. O filtro do tamanho de um punho do animal se parece um pouco com um par de asas de anjo caneladas. “Do ponto de vista da engenharia, essas são algumas das estruturas construídas mais incríveis que já encontrei”, diz Katija.

Sua equipe no Laboratório de Bioinspiração do MBARI usou o DeepPIV para escanear a forma interna de um filtro larváceo e também rastreou as partículas enquanto o animal batia na cauda e puxava água. Essas informações os ajudarão a descobrir como os filtros funcionam e como os animais os constroem.

O DeepPIV já revelou que os larváceos filtram 80 litros de água por hora e absorvem grandes quantidades de alimentos ricos em carbono. Quando ficam entupidos, os larváceos descartam seus filtros, que então afundam, ajudando os oceanos a levar carbono para as profundezas. Na verdade, os larváceos são tão abundantes em todos os oceanos que desempenham um papel importante no ciclo do carbono.

Outros pesquisadores estão interessados ​​em usar o DeepPIV, incluindo pessoas que estão repensando maneiras de explorar o oceano. “Essas técnicas de visualização 3D, acopladas à extração de DNA, podem ser suficientes para descrever e catalogar a vida”, diz Katija.

No futuro, em vez de coletar e preservar espécimes de animais mortos – o que é especialmente complicado para formas de vida delicadas e gelatinosas – os museus poderiam usar digitalizações 3D como arquivos digitais para ajudar a descrever espécies até então desconhecidas e documentar a vida nos vastos oceanos profundos.

Busca e resgate

Quando alguém desaparece no mar, os planos de busca e salvamento são geralmente elaborados usando dados sobre o tempo, correntes e condições da água para prever sua provável trajetória. O problema é que os erros podem se acumular rapidamente até que o caminho previsto esteja muito longe do que realmente está acontecendo no mar.

Um novo algoritmo pode melhorar as chances de localizar pessoas, prevendo não sua trajetória, mas onde elas irão parar. O algoritmo analisa a força e a direção das correntes oceânicas, ondas e ventos de superfície e identifica em tempo real as regiões do oceano chamadas TRAPs (TRansient Attracting Profiles), para onde os objetos flutuantes tendem a convergir.

O Dr. Mattia Serra , agora Schmidt Science Fellow em Harvard, desenvolveu o algoritmo durante seu PhD com o Prof George Haller na ETH Zurich. Ele compara as TRAPs a uma mesa na qual ímãs continuamente aparecem, desaparecem e se movem.

“Então jogue uma moeda na mesa”, diz ele. “A trajetória da moeda é muito caótica porque vai sentir a influência de todos esses ímãs.” A mesa é a superfície do oceano, os ímãs são ARMADILHAS e a moeda é uma pessoa à deriva.

Durante os testes, o algoritmo funcionou bem no mar turbulento da costa de Massachusetts. A equipe, liderada pelo professor Thomas Peacock do MIT , usou um instantâneo das condições locais para modelar o comportamento do oceano e localizar onde as TRAPs provavelmente estavam se formando.

Em seguida, eles simularam uma missão de busca e resgate, lançando boias e manequins ao mar, cada um carregando um rastreador GPS. Conforme previsto, os objetos derivaram para as TRAPs identificadas.

Serra e seus colegas estão discutindo agora a possibilidade de a guarda costeira dos EUA usar o algoritmo em operações de busca e resgate. O algoritmo também pode ser usado para prever com mais precisão os movimentos de derramamentos de óleo.

Detectores microplásticos

Para enfrentar o problema crescente da poluição do plástico nos oceanos, é vital saber onde estão os plásticos, para onde se movem e de que são feitos – especialmente as rajadas de microplásticos. Essas minúsculas partículas de plástico têm menos de 5 mm de tamanho e podem ser difíceis de encontrar.

“No momento, se você quiser saber a distribuição de partículas no fundo do mar, você precisa amostrá-las”, diz a Dra. Tomoko Takahashi , pesquisadora de pós-doutorado na Agência Japonesa para Ciência e Tecnologia Marinha da Terra (JAMSTEC).

Isso leva tempo, seja com redes ou garrafas d’água, que precisam ser içadas até o navio e enviadas para análises laboratoriais. Pesquisadores da University of Southampton, da University of Aberdeen, JAMSTEC e da University of Tokyo, estão desenvolvendo um protótipo de detector de partículas que poderá em breve automatizar o processo e ajudar a monitorar plásticos, bem como outras partículas minúsculas – naturais ou feitas pelo homem – em o mar profundo.

Seu dispositivo consiste em uma câmara de 20 cm, onde a água do mar flui. A câmara contém um único laser e, quando uma partícula está presente, ela espalha a luz do laser, criando uma imagem holográfica de alta resolução. Isso pode ajudar a identificar a partícula, seja ela de plástico ou plâncton.

O mesmo laser também analisa a composição química da partícula, usando um método chamado espectroscopia Raman. Nos testes, o dispositivo distinguiu com sucesso pelotas de poliestireno e acrílico de 3 mm.

O objetivo final da equipe é produzir um dispositivo totalmente automatizado que possa monitorar continuamente os oceanos. Fixados em flutuadores ou planadores que cruzam o oceano coletando dados, os detectores de partículas podem ser implantados por meses, até anos de cada vez, devolvendo informações sobre os tipos e abundância de plásticos e outras partículas por todos os oceanos.

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