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X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA


 


 

O SISTEMA OCEANOGRÁFICO ABIÓTICO CONSIDERADO COMO UM SISTEMA COMPLEXO
 

 

 


Ana L. Travassos Romano romano@uol.com.br
Oceanografia/UERJ;
Eng. Elétrica e de Computação/UNICAMP

Fernando J. Von Zuben
(FEEC/UNICAMP)

Luiz Saavedra Baptista Filho
Oceanografia/UERJ



Palavras-chave: Sistema complexo; sistema oceanográfico abiótico; auto-organização

Eixo 3: Aplicação da Geografia Física à Pesquisa;

 Sub-eixo 3.2: Propostas teóricas e metodológicas


 



A dinâmica oceanográfica, que aqui se apresenta como um sistema ecológico abiótico, terá como componentes as partículas de água, individualizadas pelos seus índices termohalinos, temperatura e salinidade (TS), identificando sua densidade. As variáveis em ação são os parâmetros físicos e físico-químicos da água do mar.
Ao se observar a paisagem oceanográfica, a primeira impressão é sua movimentação constante e seu aspecto caótico. A variabilidade da paisagem é grande e uma descrição de seu aspecto geral, pouco acurada. No entanto, o conhecimento aprofundado da região costeira é de grande interesse, pois trata-se de uma grande fonte de riqueza ambiental muito impactada pela pressão antrópica [ref. 1].
Desta forma, pretende-se olhar este sistema numa perspectiva estruturalmente diversa daquela mais usualmente utilizada na diagnose da dinâmica oceanográfica. Esta perspectiva tem uma aproximação bottom-up, apropriada para o tratamento de sistemas complexos [ref. 2].
Os sistemas complexos caracterizam-se pelo alto grau de dependência entre um elevado número de variáveis, que dificulta demasiadamente, ou mesmo impossibilita, qualquer previsibilidade de comportamento. Para um sistema oceanográfico abiótico, exemplificam-se algumas dessas variáveis tais como: profundidade, ventos, pluviosidade, morfologia de fundo e de contorno, temperatura do ar, entre outras.
Num sistema complexo um conjunto de agentes, elementos ou processos exibe um comportamento dinâmico não-linear e inter-relacionado. A ação de um elemento afeta possivelmente as ações subseqüentes de outros do conjunto, de modo que a ação do todo é, em determinados aspectos, mais do que a simples soma das ações de suas partes [ref. 3]. No sistema oceanográfico, esta definição é consistente, sendo seus elementos as partículas TS que o compõe. A ação de cada partícula TS, sua movimentação, afeta as ações dos outros elementos. No entanto, a dinâmica oceanográfica não se restringe à soma dessas ações.
Assim, uma propriedade-chave dos sistemas complexos é a chamada emergência, ou seja, o aparecimento de fenômenos ou padrões em escala maior do que a de suas partes componentes, e que não pode ser explicado pelo funcionamento de cada componente isolado. Apesar de contra-intuitivo, é possível o aparecimento de fenômenos ordenados a partir de configurações randômicas iniciais. Na dinâmica oceanográfica, o movimento aparentemente aleatório das partículas TS emerge em movimentos cíclicos de baixa e alta freqüência, respectivamente a maré e as ondas, nas correntes marinhas e no fenômeno de ordenamento em massas de água. A teoria da emergência diz que o todo exibe padrões e estruturas que crescem espontaneamente das partes [ref. 4]. Assim, a emergência indica que não há código para a dinâmica de alto nível nos seus componentes [ref. 5]. Sendo assim, a emergência é uma maneira de apreender a dinâmica oceanográfica, de modo que a atenção do observador desloca-se do nível micro dos elementos (das partículas TS) para o nível macro do sistema.
É fundamental considerar que a organização desenvolva-se espontaneamente a partir de condições desordenadas, através de mecanismos cujas leis físicas são desconhecidas. Então, de alguma maneira a ordem surge das múltiplas interações dos componentes, e as leis que governam este comportamento ainda não estão bem entendidas. No entanto, é claro que este processo é não-linear, além de incluir realimentações positivas e negativas entre os componentes [ref. 2].
Define-se a espontânea emergência da cooperação entre os elementos de um sistema como auto-organização [ref. 6]. É espontânea no sentido de que não há uma influência externa direta programando esta cooperação. Dizer que um sistema é auto-organizado é dizer que ele não é governado por regras top-down, embora possa haver leis gerais em cada componente individual. No sistema complexo auto-organizado de dinâmica oceanográfica, uma dessas leis gerais associada a cada partícula TS é que todas dirigem-se para sua profundidade dinâmica, ou seja, seu nível de energia mais próximo. Assim, no sistema auto-organizado as ações locais e interações dos elementos são a fonte da organização de alto nível que estabelece o sistema em padrões, estruturas organizadas com dinâmica identificável. Como a origem da ordem nos sistemas auto-organizados é sustentada pelas sutis diferenças entre os componentes e suas interações, este sistema dinâmico não pode ser compreendido decompondo-se em suas partes constituintes. Desta forma, o estudo dos sistemas complexos auto-organizados é sintético e não analítico.
O problema de entender como as características de uma paisagem emergem de interações locais tem sido um dos mais importantes desafios da ecologia atualmente. Não há uma metodologia completa que defina qual tipo de mecanismo de pequena escala num sistema complexo afeta as características de um sistema natural [ref. 7]. Para o caso do sistema oceanográfico dinâmico é necessário que se defina o que se quer modelar para então determinar estes mecanismos. Atualmente, a maneira de realizar este procedimento é através do conhecimento da troca que está sendo realizada entre os elementos. Na dinâmica do sistema oceanográfico, pode-se considerar o fluxo de energia mecânica como sendo o pretenso mecanismo de pequena escala; na definição das massas de água pode-se levar em conta o fluxo de calor na determinação da linha de costa, a estrutura fractal de suas partes. A estrutura fractal, que muitos perfis de costa contêm, é outra das características de um sistema complexo.
Os sistemas complexos auto-organizados também são adaptativos, pois são capazes de se adaptar a novas condições impostas pelo ambiente [ref. 8]. Ao se considerar o sistema oceanográfico abiótico como um ecossistema, a estabilidade é uma propriedade emergente, que, em geral, reflete o balanço entre resiliência e resistência a perturbações. Neste ponto, atinge-se um nível discutível em ecologia. No entanto, é fato que diversos sistemas naturais, ou ecossistemas, adaptaram-se a novas condições impostas e atingiram extraordinária estabilidade. Há quem considere o ecossistema uma estrutura menos frágil do que se imagina, o que se pode notar ao contemplá-lo. Este balanço citado acima estabelece justamente o que se busca no gerenciamento ambiental, a sustentabilidade. É interessante que este ponto de vista seja mais aprofundado. O sistema oceanográfico é adaptativo e são diversas as perturbações a que está sujeito: erosão, interação ar-mar, entrada de efluentes, etc.
Os grandes sistemas naturais, com muitos componentes, são capazes de evoluir para um estado de equilíbrio crítico, onde os menores distúrbios podem levar a eventos, que chamaremos avalanches, de todos os tamanhos. A maioria das mudanças nos sistemas acontece através de eventos catastróficos, mais do que seguindo um caminho gradual [ref. 9]. A evolução para este estado delicado ocorre sem nenhum planejamento de qualquer agente de fora. O estado é alcançado apenas devido às interações dinâmicas dos elementos individuais do sistema: o estado crítico é auto-organizado. As avalanches provocam uma dinâmica própria ao sistema, que só pode ser entendida a partir de uma descrição holística das propriedades do conjunto, e não a partir de uma descrição reducionista de cada elemento. Este efeito é mais uma característica dos sistemas complexos. Dada a sua natureza composta, os sistemas complexos podem exibir comportamento catastrófico, ou seja, uma parte do sistema pode afetar outras num efeito dominó, às vezes com muita energia. Observações de sistemas complexos mostraram também que, ao contrário do que se podia esperar, não há mecanismos específicos para grandes eventos, eles seguem as mesmas leis dos pequenos eventos a eles assemelhados, ou seja, uma teoria geral explica o fenômeno qualquer que seja a sua escala. Esta é uma lei empírica da natureza, de grande simplicidade, que engloba, inclusive, eventos de magnitude tal que só ocorram uma vez, apesar de terem conseqüências devastadoras. Outra lei encontrada nos sistemas complexos é que a variação do intervalo de repetição de um grande evento é também grande (lei de Gutenberg-Richter) e, embora esses eventos ocorram numa probabilidade bem definida, não significa que o fenômeno seja periódico. O fato de que não tenham ocorrido há muito tempo não quer dizer que vão ocorrer; o fato de que ocorrem num intervalo médio de tempo não quer dizer que sejam cíclicos.
No sistema oceanográfico o comportamento catastrófico pode manifestar-se de várias formas, como tsunamis, ondas destrutivas, o fenômeno de El Niño e El Niña, o descongelamento de geleiras, a alteração do nível do mar, os maremotos, o aquecimento global e, de maneira totalmente relacionada, as chamadas mudanças climáticas globais.
Em suma, apresenta-se como características dos sistemas complexos: são dinâmicos, estão permanentemente trocando informação ou energia, redefinem permanentemente seus próprios padrões internos de organização; são auto-organizados, o que se manifesta na emergência espontânea de novos e mais complexos padrões de organização internas. Desta forma, os sistemas complexos são evolutivos, pois a emergência dos novos padrões internos de organização ocorre a partir de um grande volume de interações dos elementos constituintes do sistema frente a instabilidades externas. Então são adaptativos em tempo real e, portanto, não dirigem seu futuro de forma planejada. São imprevisíveis em larga escala de tempo e espaço, como o são o clima e o estado do mar.
Tendo em vista o exposto acima, onde se consideram as propriedades fundamentais de um sistema complexo e nelas tenta-se encaixar características do sistema oceanográfico abiótico com algum sucesso, então defende-se aqui a viabilidade de estudar este último dentro da teoria da complexidade.
Desta forma, é proposta aqui uma maneira diversa de simular o sistema oceanográfico físico, quando comparada com aquelas que vêm sendo utilizadas. Atualmente, parte-se do sistema em observação como um todo e analisam-se as varáveis que o compõe. Definem-se as massas de água deste sistema por relações matemáticas que representam as leis físicas que relacionam os parâmetros físico-químicos da água do mar. A partir também da análise conjunta da direção e intensidade de ventos, da direção e intensidade das correntes, dados de maré, altura, direção e periodicidade das ondas e outros, determina-se a hidrodinâmica local. No entanto, essa dinâmica, ou este padrão para o caso das chamadas massas de água, pode emergir de leis muito simples de interação dos componentes do sistema, como, por exemplo, as células TS. Nesta estrutura, o comportamento integrado das células evolui sintetizando um padrão ou um comportamento dinâmico. Uma ferramenta apropriada para simular tais sistemas é o autômato celular [ref. 2]. Esta ferramenta computacional, dedicada à modelagem espaço-temporal dentro da teoria da complexidade, vem sendo estudada no sentido de promover a emergência de padrões organizados, inclusive utilizando situações extremas que possam evoluir para estados críticos do sistema abiótico oceanográfico, como citado acima no texto.

Referências Bibliográficas

[1] Asmus, M. L., Kalikoski, D. C. Modelagem ecológica quantitativa: Primitivos necessários à aplicação em estudos ambientais, III Seminário sobre Representações e Modelagem no Processo de Ensino-Aprendizado, 1999

[2] Decker, E. H. Landscape Ecology & Macroscopic Dynamics – Self-Organizing Systems, Tutorial, University of New Mexico – USA, ?

[3] Holland, J. H. Hidden Order: How Adaptation Builds Complexity, Addison-Wesley Pub. Co., 1996

[4] Crutchfield, J. P. Is anything ever new?, Addison-Wesley, Massachusetts, USA, 1994

[5] Green, D. G. Emergent behaviour in biological systems, IOS Press, Amsterdam, 1993

[6] Banzhaf, W., Dittrich, P., Eller, B. Self-Organization in a system of binary strings with spatial interactions Physica D 125, 85-104, Elsevier, 1999

[7] Matsinos, Y. G., Troumbis, A . Y. Modeling competition, dispersal and effects of disturbance in the dyunamics of a grassland community using a cellular automaton model, Ecological Modelling 149, 71-83, Elsevier, 2002

[8] Iamamoto, E., Gailland, R. Caos e Emergência, Tutorial, 1999

[9] Bak, P. How nature works: the science of self-organized criticality, Springer-Verlag New York, Inc., 1996

Agradecimentos
Ana L. T. Romano agradece à CAPES pela concessão da bolsa PIDCT e à UERJ pela concessão de afastamento integral para doutoramento.