Geofísica no smartphone: crowdsourcing dos dados magnéticos da Terra

Quando há previsão de tempestade solar, Jannetta (Jae) Robinson cruza os dedos e liga o smartphone. Ela está usando o CrowdMag, um aplicativo que faz crowdsourcing de dados magnéticos para nos ajudar a entender uma das forças invisíveis da Terra.

“O campo magnético nos protege de coisas como erupções solares e radiação, mas também afeta a nós e aos nossos dispositivos elétricos. Nessa era, isso é super importante”, explica Jae.

Ela está pesquisando mudanças no campo magnético da Terra causadas pelo clima solar como estagiária no programa Experiência de Pesquisa para Estudantes de Faculdades da Comunidade administrado pelo Instituto Cooperativo de Pesquisa em Ciências Ambientais (CIRES) da Universidade do Colorado, nos EUA.

Seu projeto usa o CrowdMag em quatro smartphones em sua base na Universidade do Colorado Boulder, bem como um na Universidade do Alasca Fairbanks, mais perto do polo magnético norte da Terra, onde o sinal magnético é mais forte.

“Cada estagiário está fazendo um projeto diferente. Algumas pessoas estudam rios, sedimentos nas margens do rio e pássaros. E, de alguma forma, meu projeto se relaciona com todos os deles. Então, isso é muito legal”, comentou Jae.

Há muitas questões importantes sobre o campo magnético da Terra em relação à navegação por satélite, ao clima espacial e à ecologia. Estudos recentes até mostram que ele pode ter efeitos fisiológicos e psicológicos em algumas pessoas.

Então, como poderíamos coletar a enorme quantidade de dados magnéticos necessários para obter as respostas?

O CrowdMag nasceu durante uma conversa na hora do almoço na Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA).

“Nós pensamos: Bem, todos os telefones têm magnetômetros e há bilhões de telefones. E mesmo que uma pequena fração das pessoas no planeta estivesse coletando dados, isso seria um monte de dados”, comentou Rick Saltus, cientista pesquisador sênior do CIRES na Universidade do Colorado Boulder.

“Talvez houvesse redundância suficiente para que, apenas agregando os dados, pudéssemos extrair algo deles.”

Rick (com o colega Manoj Nair) também lidera o programa CrowdMag na NOAA. Ele é mentor de estagiários como Jae, que completaram alguns anos na faculdade e estão interessados em ganhar experiência em pesquisa.

Ele quer colocar a geociência nas mãos dos mais jovens. Que maneira melhor de fazer isso do que por meio de um aplicativo?

“Eu acho que o fundamental é que as pessoas percebam que ciência não é algo que acontece longe. O importante é que o aplicativo a torne acessível”, acrescenta Rick.

A NOAA também cria um modelo oficial e previsão do campo magnético da Terra, usado para navegação, a cada cinco anos.

“O grupo no qual trabalho na NOAA e no CIRES faz o Modelo Magnético Mundial oficial que é usado para navegação e atualizado a cada cinco anos. Então tentamos projetá-lo à frente e dizer o que achamos que vai acontecer, mas essa previsão fica obsoleta muito rápido.”

Os projetos e dados de pesquisa do CrowdMag podem acrescentar os insights que a equipe de Rick precisa para fazer previsões melhores.

Jae está estudando a variação de tempo do campo magnético e como o clima espacial o afeta. Seu projeto compara os dados do CrowdMag coletados ao longo do tempo para ver como os eventos solares afetam as leituras magnéticas.

“Espero que isso possa contribuir para promover pesquisas sobre o clima espacial e dar aos cientistas mais conhecimento sobre o ciclo solar”, comentou Jae.

“Sempre podemos ter a sorte de que ocorra uma grande tempestade solar quando, por acaso, estamos coletando dados. Com isso, talvez possamos ver alguma coisa.”

Há um grande desafio relacionado ao uso de dados do CrowdMag: eles têm muito, muito ruído.

“Um grande desafio, como é de esperar, é que os sensores dos telefones não foram realmente feitos para isso”, explica Rick.

Encontrar um sinal é muito mais difícil com o magnetômetro de um celular. Ele capta muito mais interferência do que dispositivos mais especializados. Uma parte fundamental do programa CrowdMag é descobrir como tornar os dados magnéticos dos celulares utilizáveis.

“É muito mais difícil encontrar um sinal onde estamos na Terra em comparação com lugares como o Alasca, porque está mais perto do polo. Portanto, estamos trabalhando principalmente com os dados do Alasca porque é um pouco mais fácil encontrar esse sinal”, comentou Jae.

“Conseguimos obter um sinal lá e ele mostra certa correlação com os dados do observatório. Então, isso é bem interessante.”

Uma solução alternativa é usar dados de áreas de altas latitudes, onde o sinal é mais forte. Entender como são os dados nessas regiões ajudará a tornar a pesquisa por sinal em outras áreas um pouco mais clara.

Rick vê uma aplicação ainda maior para o estudo de dados ruidosos.

“O que estamos aprendendo sobre as características de ruído do celular pode ser usado na limpeza do banco de dados global da NOAA”, comentou Rick.

“A rede de observatórios não cobre a Terra. Há muitas partes do planeta sobre as quais não temos dados. Seria ótimo se pudéssemos usar os dados do CrowdMag para preencher isso, mesmo com resolução mais baixa.”

Para estudantes estagiários, como Jae, o CrowdMag oferece um vislumbre das geociências. Eles interagem na prática com as forças invisíveis ao nosso redor, usando seus próprios celulares como dispositivos de pesquisa.

“O celular interage com o meio ambiente de maneiras diferentes, como a dependência de temperatura, e vários fatores distintos contribuem para o ruído nele”, comentou Jae.

“É muito interessante ver como um celular da Apple se comporta de maneira diferente em comparação com um Android, e também as diferenças entre os dados do Colorado e do Alasca.”

Ela também descobriu em primeira mão como é um projeto de pesquisa de campo. E, semelhante aos dados dela, não foi tão limpa ou direta como ela esperava.

“Não achei que teríamos tantos problemas para encontrar um sinal e foi um pouco frustrante. Mas fomos passo a passo, recomeçando depois. E acho que esse processo de tentar responder à pergunta é a minha maior lição”, comentou Jae.

Os alunos também têm a chance de trabalhar com dados e transformá-los em insights.

“Colocamos os dados no Excel e, para visualização, os plotamos em um gráfico de dispersão. Usamos linhas de tendência para eliminar o ruído. Também trabalhamos um pouco em Python”, explica Jae.

Os alunos usam as codificações do Excel e Python como degraus para chegar a um software mais robusto, como o Oasis montaj que Rick costuma usar para limpar e modelar dados na NOAA.

Como porta de entrada para a geociência, o CrowdMag parece estar funcionando.

“Sou estudante de biologia, então, estou tentando passar para ciências ambientais e, depois desse projeto, definitivamente geociências”, comentou Jae.

O aplicativo CrowdMag também é um grande experimento de ciência cidadã. Qualquer pessoa, em qualquer lugar, pode baixar o aplicativo e fornecer dados sobre o campo em sua localização.

O geodínamo é o mecanismo dentro da Terra que gera seu campo magnético.

O campo magnético está sempre fazendo algo imprevisível. Rick considera o crowdsourcing como uma forma importante de preencher as lacunas de dados e entendê-los.

“Até a NASA, que tem esses enormes modelos matemáticos do geodínamo, ainda não consegue prever o que ele vai fazer em seguida”, comentou Rick.

“Uma das perguntas fundamentais, e que vale um Prêmio Nobel, é: exatamente como o geodínamo funciona?”

Com projetos como o CrowdMag coletando dados, talvez a resposta seja obtida por crowdsourcing.