Análise do nível do mar na costa do Brasil a partir de dados maregráficos, da altimetria convencional e da altimetria SAR

Abstract

Resumo: As mudanças climáticas provocadas pelo aumento das emissões de gases de efeito estufa na atmosfera têm causado grande preocupação na comunidade científica internacional, uma vez que ocasiona no aumento da temperatura e do degelo nas regiões polares fazendo o nível do mar aumentar. A geodésia é a área que estuda as variações do nível do mar ao longo do tempo por meio de observações em referenciais locais através de marégrafos e globais pela altimetria por satélite. As regiões costeiras são vulneráveis as mudanças do nível do mar e por isso são de grande interesse para estudos geodésicos e geofísicos, uma vez que nelas reside uma parcela significativa da população. Classicamente, as observações do nível do mar são realizadas por estações maregráficas instaladas, principalmente em regiões portuárias. No entanto, os dados maregráficos podem estar contaminados por movimentos verticais da crosta. A instalação de uma estação de monitoramento contínuo Global Navigation Satellite System (GNSS) nas proximidades das estações maregráficas permite quantificar esses movimentos. A partir da segunda metade da década de 1980, iniciou-se o lançamento de satélites exclusivamente para o monitoramento do nível do mar, os satélites altimétricos. Estes permitem a obtenção de observações em cobertura global e num sistema de referência geocêntrico, porém, apresentam problemas em regiões costeiras em função da interferência do terreno no sinal de retorno e da rugosidade da superfície do mar. Estes satélites são denominados de altimetria convencional e como exemplos temos os satélites da série Jason. Novas gerações de satélites baseadas na tecnologia de Radar de Abertura Sintética (SAR), como, por exemplo o satélite Sentinel-3A, tem possibilitado melhores observações nestas regiões. O objetivo desse estudo foi inicialmente descrever as principais técnicas para monitoramento do nível do mar para então realizar uma análise entre os dados maregráficos em Imbituba-SC, Arraial do Cabo-RJ, Salvador-BA, Fortaleza-CE e Santana-AP e as observações altimétricas provenientes do satélite Sentinel-3A para o período de 2017 a 2020. Além desta análise, os dados dos satélites da série Jason e Sentinel-3A foram comparados por meio dos dados maregráficos em Imbituba-SC, Arraial do Cabo-RJ, Salvador-BA e Fortaleza-CE. Para determinar os movimentos verticais da crosta foi realizada a tendência da variação do nível do mar com a altimetria satelital e os dados dos marégrafos em Imbituba, Salvador e Fortaleza. Foram confeccionadas células de dados altimétricos ao longo das trilhas dos satélites e então foi escolhia uma célula para comparar com cada série maregráfica. Os resultados indicaram que o satélite Sentinel-3A proporcionou observações mais próximas das localizações dos marégrafos de Salvador, Arraial do Cabo e Fortaleza em relação aos satélites da série Jason, com distâncias menores que 10 metros. As regressões nas séries maregráficas e das células contendo os dados da série Jason apontaram uma elevação do nível do mar em Imbituba, Arraial do Cabo, Salvador e Fortaleza, com valores variando entre +1,37 e +5,54 mm/ano. Em Arraial do Cabo as regressões apenas foram realizadas nos dados de altimetria por satélite. Os valores das correlações entre os dados maregráficos e a altimetria satelital foram acima de +0,84 empregando a série Jason e acima de +0,93 empregando o Sentinel-3A.

Abstract: Climate change has led to an increased greenhouse gas emissions in the atmosphere, and this has caused a great concern in the international scientific community, it causes an increase in temperature and melting in polar regions, causing sea levels to rise. Geodesy is the area that studies sea level variations over time through observations relative to local references by tide gauges and relative to global references by satellite altimetry. Coastal regions are more vulnerable to sea-level changes, and are therefore of great interest for geodetic and geophysical studies, because a significant portion of the population lives there. Classically, sea-level observations are recorded by tide-gauge stations installed, mainly in port regions. However, tide gauge data can be contaminated by vertical movements of the crust. The installation of a Global Navigation Satellite System (GNSS) continuous monitoring station near tide gauge stations makes enables to quantify these movements. From the second half of the 1980s onwards, satellites began to be launched exclusively for monitoring sea level, the altimetric satellites. These allow for observations with global coverage and in a geocentric reference system, but they present problems in coastal regions due to interference from the terrain in the return signal and the roughness of the sea surface. These satellites are called conventional altimetry and examples include the Jason series of satellites. New generations of satellites based on Synthetic Aperture Radar (SAR) technology, such as the Sentinel-3A satellite, have enabled better observations in these regions. The objective of this study was to describe the main techniques for sea level monitoring and then perform an analysis between the tide gauge data in Imbituba-SC, Arraial do Cabo-RJ, Salvador-BA, Fortaleza-CE and Santana-AP and the altimetric observations from the Sentinel-3A satellite for the period from 2017 to 2020. In addition to this analysis, the data from the Jason series and Sentinel-3A satellites were compared using the tide gauge data from Imbituba-SC, Arraial do Cabo-RJ, Salvador-BA and Fortaleza-CE. To determine the vertical movements of the crust, the trend of sea level variation was performed between the satellite altimetry and the tide gauge data in Imbituba, Salvador and Fortaleza. Altimetric data cells were created along the satellite tracks and then one cell was chosen to compare with each tide gauge series data. The results indicated that the Sentinel-3A satellite provided observations closer to the locations of the tide gauges in Salvador, Arraial do Cabo and Fortaleza than the Jason series satellites, with distances of less than 10 meters. The regressions in the tide gauge series and in the cells containing the Jason series data indicated a sea level rise in Imbituba, Arraial do Cabo, Salvador and Fortaleza, with values from +1.37 to +5.54 mm/year. In Arraial do Cabo, the regressions were only performed on the satellite altimetry data. The correlation values between the tide gauge data and the satellite altimetry were above +0.84 using the Jason series and above +0.93 using Sentinel-3A.