O ENIAC e a primeira previsão do tempo – Parte 1



Quando contei a história de Klara Dan von Neumann nesse post, claro que tive que falar também do ENIAC, equipamento responsável por um importante marco na história da computação e na história da previsão do tempo. Devido a essa grande importância, decidi que deveria falar mais sobre o assunto.

Como vocês devem ter percebido pelo título, esse assunto será dividido em alguns posts. Esse que vocês estão lendo agora é o primeiro e em breve teremos os próximos. O texto ficou muito grande e achei por bem quebrá-lo. Além disso, isso gera uma expectativa nos leitores (assim espero).

O ENIAC foi o primeiro computador criado para várias finalidades, por isso é considerado o primeiro computador. ENIAC significa ‘Electronic Numerical Integrator And Computer’ e tinha uma largura de 46m (150 pés) e 20 bancos de luzes piscantes. Imagem de 1946. Cortesia de Shutterstock

Como era a feita a previsão do tempo antes dos computadores?

O ser humano sempre tentou prever o tempo e o clima. E muito disso era feito observando a natureza, os ciclos diurnos e anuais. Se você perguntar para uma pessoa idosa que vive do campo e mora naquele mesmo vilarejo desde que nasceu, ela certamente vai poder te dar várias informações sobre o tempo e o clima. Vai dizer que quando as nuvens estão vindo de uma determinada direção, é sinal de chuva. Vai dizer qual a época do ano é a mais chuvosa ou a mais fria. E essa pessoa vai conseguir fazer isso porque observou a natureza a vida inteira e ela faz isso de maneira qualitativa.

Mas aqui vamos falar de previsão numérica do tempo, que é a previsão do tempo que é feita usando as equações que descrevem a física da atmosfera. É a previsão do tempo que temos hoje, em que essas equações são resolvidas usando dados observados como condições iniciais  (obtidos a partir de estações meteorológicas, dados de satélite). Essas equações são resolvidas usando supercomputadores e falar sobre o ENIAC significa contar parte da história dessas máquinas.

Para saber como fazemos a previsão do tempo atualmente, vou recomendar alguns materiais:

A partir de agora, vou contar a história de como a previsão numérica do tempo surgiu.

A ideia básica de previsão numérica e modelos de previsão do tempo e do clima foi desenvolvida há mais de um século, muito antes do advento do primeiro computador eletrônico. Vários avanços em diversas frentes foram necessários até que a ideia de se fazer uma previsão numérica do tempo pudesse ser colocada em prática:

  • maior compreensão da dinâmica da atmosfera, permitindo o desenvolvimento de um sistema simplificado de equações;
  • maior rede de observações meteorológicas, com mais estações meteorológicas e com observações regulares;
  • desenvolvimento matemático de esquemas de diferenças finitas estáveis, que permitissem que as derivadas das equações fossem resolvidas matematicamente;
  • desenvolvimento de computadores eletrônicos poderosos que pudessem de fato resolver essas equações em tempo hábil para que fossem úteis, pois não adianta resolver as equações para sabermos as condições meteorológicas daqui 6h se a resolução dessas equações demorarem mais de 6h.

Resolvendo tudo na mão

Na virada do século XIX para o século XX, vários meteorologistas começaram a ter essa ideia de formular equações que pudessem ser resolvidas e dessa maneira, as condições meteorológicas poderiam ser previstas. Bem no comecinho do século XX, o meteorologista norte-americano Clevelande Abbe reconheceu que a meteorologia é essencialmente a aplicação da hidrodinâmica e da termodinâmica na atmosfera e elaborou um sistema de equações que governavam a evolução da atmosfera. Mais ou menos no mesmo período, o meteorologista norueguês Vilhelm Bjerknes fez uma análise ainda mais aprofundada dessas equações (tanto que Bjerknes é bem mais conhecido que Abbe) e levou o assunto numa perspectiva ainda mais científica, de modo que seu trabalho de 1904 é recomendado e/ou mencionado provavelmente em todos os cursos de Meteorologia do mundo (Das Problem der Wettervorhersage, betrachtet vom Standpunkte der Mechanik und der Physikou O problema da Previsão do tempo considerado a partir do ponto de vista da mecânica e da física).

O objetivo de Bjerknes era muito claro: transformar a meteorologia em uma ciência exata, que é exatamente o que ela é: a meteorologia é a física da atmosfera. Antes de Bjerknes, apesar dos trabalhos estatísticos com séries de dados observados, a previsão do tempo era algo que beirava a especulação. Naquele tempo, os meteorologistas geralmente faziam suas previsões procurando por padrões meteorológicos similares nos registros de observações passadas e a partir desses cálculos, eram feitas extrapolações para o futuro. Claro que não funcionava muito bem, era tudo mera especulação.

Podemos dizer com segurança que Bjerknes transformou a meteorologia com sua visão numérica e graças ao seu primeiro conjunto de equações que evidentemente foi aperfeiçoado com o tempo graças as contribuições de vários cientistas. Além disso, Bjerkes focou mais nos problemas das latitudes médias e altas e com o passar dos anos a compreensão sobre os trópicos foi aumentando.

Só que Bjernkes e Abbe não eram unanimidade em sua época. Max Margules, matemático e químico com interesses em meteorologia, fez vários cálculos por volta de 1904 e concluiu de forma bastante pessimista que não era possível usar aquelas equações para prever o tempo. É dito que  ele concluiu que prever o tempo era “imoral e prejudicial ao caráter do meteorologista” {x}.

Bjerknes mencionou um contraste entre as previsões astronômicas (ocorrência de eclipses, manchas solares, trajetórias de cometas, etc) e as previsões meteorológicas. As previsões astronômicas são mais exatas, enquanto segundo Bjerknes, as previsões meteorológicas eram “radicalmente inexatas”.

Muitas Universidades europeias ensinavam meteorologia e os pesquisadores da área teórica aplicavam princípios físicos em questões relacionadas a atmosfera, porém apenas sonhava-se com a previsão numérica.  Bjerknes e seus colaboradores acabaram desenvolvendo métodos um pouco mais viáveis, focando nos problemas das latitudes médias e altas: frentes polares e desenvolvimento de ciclones extra-tropicais, por exemplo, o que ficou conhecido como Teoria da Frente Polar ou Teoria Clássica da Frente Polar, tema que estudamos até hoje nos cursos de Meteorologia.

Provavelmente a primeira pessoa a tentar resolver com afinco e pensando em fins práticos essas equações que descrevem a atmosfera foi Lewis Fry Richardson, no período durante a Primeira Guerra Mundial (1914-1918), embora ele tenha publicado seus resultados em 1922, em um outro clássico da meteorologia, o Weather Prediction by Numerical Process. 

Diz a lenda meteorológica que Richardson tentou prever o tempo retroativamente. Como assim? Bom, ele escolheu um dia, resolveu as equações na tentativa de verificar se os resultados dessas equações correspondiam às observações. E até hoje os meteorologistas fazem isso ocasionalmente, para calibrar um modelo meteorológico por exemplo.

O dia escolhido por Richardson teria sido 20 de maio de 1910. Richardson começou a resolver as equações, porém como um de seus resultados ele notou um aumento de pressão de 145hPa em 6h (sendo que naquele dia, a pressão ficou estável nesse intervalo). Muitos anos depois, o meteorologista Peter Lynch viu que na verdade Richardson cometeu um erro na suavização dos dados e se essa correção tivesse sido aplicada, a previsão de Richardson teria ficado bastante precisa.

Agora o aspecto mais interessante da história de Richardson – e aí ganha esse aspecto de lenda, por isso usei essa palavra anteriormente – é que ele teria feito todos esses cálculos enquanto trabalhava como motorista de ambulância durante a Primeira Guerra Mundial. Eu acho que ele tinha era muito tempo livre (e claro, uma boa maneira de preenchê-lo), pois além de tentar resolver equações meteorológicas ele também fazia análises matemáticas sobre a guerra.

Uma prática comum no trabalho dos meteorologistas é a comparação da carta sinótica atual com cartas sinóticas do passado, para vermos como um sistema meteorológico (uma frente fria, por exemplo) tem chances de como evoluir e como se deslocar. É comum também compararem furacões, com a mesma finalidade. Hoje tenho a impressão que essa prática ficou menos comum, já que temos os modelos meteorológicos fornecendo resultados e mapas com extrema facilidade hoje. Entretanto, meteorologistas da velha guarda ainda mantém essa prática, de maneira que ter uma boa memória ainda é um atributo importante para um meteorologista operacional. Richardson propôs em seu livro um índice para auxiliar os meteorologistas nessa tarefa de comparação.

Richardson era um visionário. Ele percebeu ao longo de seu processo de cálculos que tudo isso dava muito trabalho, porém ele não desistiu da ideia, apesar do resultado desanimador. Ele tinha a convicção de que no futuro aqueles cálculos poderiam ser feitos de maneira muito mais rápida, pois ele acreditava que a tecnologia avançaria até esse ponto. Bem, ele não errou, como todos nós sabemos, já que usufruímos diariamente da previsão do tempo.

Outra “visão” de Richardson trata-se do uso da equação da vorticidade, principalmente do uso do componente vertical de vorticidade, como importante variável para ser utilizada em procedimentos de previsão do tempo. Não vou entrar nos detalhes dessa equação nesse post, mas na minha opinião esse foi a maior “visão” de Richardson, porque de fato apenas por volta de 1950 essa equação foi pela primeira vez integrada numericamente com sucesso, o que possibilitou seu uso nos procedimentos de previsão (ela é importante e utilizada até hoje, com muito sucesso).

A verdade é que Richardson estava anos a frente do que ele tentou fazer. Seu sucesso foi interrompido por vários obstáculos: falta de uma rede de observações que cobrisse toda a estrutura tridimensional da atmosfera, a presença de instabilidades numéricas nas equações que não eram totalmente compreendidas, etc. Além disso, muitos cálculos precisavam ser feitos o que tornava o procedimento impraticável. Richardson estimou que eram necessários 64.000 ‘computadores’, ou seja, 64.000 pessoas fazendo cálculos de maneira totalmente coordenada para que se fosse possível obter uma previsão do tempo em tempo real. Bom, coordenar o trabalho de tanta gente naquela época seria muito difícil. Seria necessário usar um estádio enorme, um Maracanã, para que a previsão fosse possível. Essas pessoas teriam que estar todas juntas, já que não tinha uma maneira de enviar mensagens automaticamente para facilitar a troca de informações. Teria que existir um coordenador a cada número de pessoas, para organizar todo o trabalho. Ou seja, inviável.

A verdade é que o uso de ‘pessoas calculadoras’ não era algo totalmente impossível e também não era uma novidade. Já no final do século XIX, no campo da astronomia, a prática era utilizada. O exemplo mais icônico é o do mapeamento de nossa galáxia que foi feito inicialmente por mulheres que trabalhavam como processadoras de dados astronômicos e ficaram conhecidas como As calculadoras de Pickering. A história dessas mulheres aparece no episódio ”Sisters of The Sun” (As Irmãs do Sol) da série Cosmos – A SpaceTime Odyssey. Mulheres inteligentes, que faziam um trabalho tedioso e ganhavam a metade do salário de um homem que desempenhava a mesma função, foram responsáveis analisar e classificar centenas de milhares de estrelas, usando um método criado por Annie Jump Cannon, uma dessas calculadoras. Além de Cannon, outras dessas calculadoras realizaram importantes trabalhos na área de astrofísica, como Henrietta Swan Leavitt e Cecilia H. Payne. Fico apenas imaginando as críticas que o astrônomo  Edward Charles Pickering (astrônomo de Harvard, por isso as mulheres também ficaram conhecidas como As Calculadoras de Harvard),  recebeu por contratar essas mulheres, que infelizmente não receberam o reconhecimento que mereciam.

As calculadoras de Harvard (ou Calculadoras de Pickering), por volta de 1890.

A história das Calculadoras de Pickering está sendo apresentada aqui apenas para ilustrar que o uso de várias pessoas para realizar processamento de dados ou cálculos já era empregado, porém nada dentro das dimensões colossais que Richardson concluiu que seriam necessárias para a realização da previsão do tempo em tempo hábil. Além disso, a história dessas mulheres também é um exemplo de como muitas mulheres contribuíram para a ciência, porém seus nomes são quase sempre esquecidos.

Nos próximos posts, vou dar continuidade o tema até chegarmos no estado da arte atual, em que as informações sobre a previsão do tempo está ao alcance das mãos de todos que tenham um smartphone  e conexão com a internet.

Bibliografia 

Além dos links mencionados ao longo do texto: