DESENVOLVIMENTO DE UM PORTAL PARA REPRESENTAÇÕES DE VARIÁVEIS RELACIONADAS A PERTURBAÇÕES GEOMAGNÉTICAS Seo, Rodrigo Takeshi ¹ ; Marchezi, José Paulo ²; Carneiro, Emanuel Mineda ³; Mendes, Odim 4 ; Domingues, Margarete Oliveira 5 ¹ Divisão de Geofísica Espacial (DGE), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos - Professor Jessen Vidal, rodrigo.seo@inpe.br; ² Divisão de Geofísica Espacial (DGE), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, jose.marchezi@inpe.br; ³ Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos - Professor Jessen Vidal, emanuel.mineda@fatec.sp.gov.br; 4 Divisão de Geofísica Espacial (DGE), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, odim.mendes@inpe.br; 5 Laboratório Associado de Computação e Matemática Aplicada (LAC), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, margarete.domingues@inpe.br Resumo - Os fenômenos solares afetam todo o meio interplanetário, incidindo sobre os astros e corpos que nele orbitam. Entre outros efeitos, interações eletrodinâmicas do meio interplanetário com a atmosfera terrestre geram perturbações magnéticas, que podem ser interpretadas na forma de tempestades, subtempestades ou distúrbios geomagnéticos. Essas perturbações podem ser classificadas por meio de índices geomagnéticos, como o Disturbance storm-time index (Dst). Este trabalho detalha o processo de desenvolvimento de um sistema computacional que visa apresentar aos usuários representações gráficas das variações geomagnéticas geradas no ambiente solarterrestre. Este tipo de desenvolvimento tem como objetivo melhorar a multidisciplinaridade nas observações dessas perturbações, ampliando o acesso a esses tipos de informações as pessoas de outras áreas de conhecimento. Para desenvolvimento desta solução, utilizam-se ferramentas computacionais de forma integrada, como as linguagens de programação Java, Javascript, R além do sistema de gerenciamento de banco de dados MySQL, entre diversas outras técnicas de computação aplicada. Foi criada, de forma programática, uma rotina de obtenção de dados geomagnéticos de diversos observatórios, disponibilizados pela International Real-time Magnetic Observatory Network (INTERMAGNET) e armazenados em uma base de dados (não disponível para distribuição) localizada no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e utilizados para a obtenção dos índices geomagnéticos, dentre eles, uma variação do cálculo do índice Dst, utilizando técnicas baseadas em Wavelet (WISA-Dst) e as variações das componentes do campo geomagnético HDZ. Palavras-chave: Desenvolvimento de Software; Aplicação Web; Banco de Dados; Geomagnetismo; Clima Espacial. Área do Conhecimento: Computação Aplicada a Geofísica Espacial Introdução Segundo Kamide e Chian (2007), o Sol emite continuamente radiação em direção ao planeta Terra, essas radiações tornam possível a vida no planeta. A região entre o Sol e a Terra é chamado de ambiente-solar terrestre, ou geoespaço. As pesquisas relacionadas ao geoespaço buscam identificar e entender os processos físicos que ocorrem entre o Sol e a Terra, também chamados de Clima Espacial (DENARDINI, 2016). Mendes Jr., et al. (2005) descrevem a importância do entendimento do ambiente-solar terrestre utilizando recursos teóricos e computacionais, evidenciando desenvolvimentos tecnológicos afim de ampliar a multidisciplinaridade com outras áreas de conhecimento. 1
A principal motivação para o monitoramento do clima espacial, além dos avanços adquiridos pela curiosidade no tema, é o entendimento dos efeitos que as interações entre o Sol e a Terra causam sobre os equipamentos tecnológicos, como os satélites que orbitam o planeta. As condições do clima espacial podem se alterar significativamente ao longo do tempo, podendo afetar também as condições de produção de energia elétrica, entre outros problemas. (DENARDINI et al., 2016) O fluxo de dados tem crescido constantemente devido aos avanços tecnológicos. Para controlar e organizar esses dados, inúmeros métodos e técnicas eficientes de gerenciamento e manipulação de grandes conjuntos de dados vêm sendo desenvolvidos. Sistemas computacionais são de grande importância para o controle e tratamento de dados. Dentro deste contexto, sistemas de gerenciamento de armazenamento de dados se tornam indispensáveis. Com a expansão de processos computacionais automatizados foi possível criar novos conceitos ao gerenciar e manipular fluxo de dados massivos. Esses novos conceitos impactaram fortemente os sistemas de monitoramento (COSTA et al., 2008). O tempo é uma restrição de extrema importância para sistemas de monitoramento. Para lidar com essa restrição, necessita-se de um SGBD TR (Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados em Tempo Real). Um SGBD TR é composto por um SGBD (Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados) e uma aplicação computacional em tempo real. (PERKUSICH et al., 1999). Existem formas de medições para as identificações de variáveis relacionadas a perturbações geomagnéticas, porém ainda há um distanciamento entre esses conhecimentos e o uso rotineiro dessas informações pela sociedade. O objetivo deste trabalho é a transformação de conhecimento científico em aplicações computacionais. Para que isso seja possível, definiram-se três tópicos: Metodologia Criar um ambiente de representação de índices geomagnéticos, visando melhorar a disponibilidade de informações geofísicas; A elaboração de uma base de dados de uma ferramenta dinâmica para monitoramento de perturbações geomagnéticas, fundamentada em variações magnéticas na superfície, decorrentes da interação eletrodinâmica entre o Sol e a Terra (Clima Espacial); e A integração da aplicação com algoritmos criados na linguagem R. No desenvolvimento deste trabalho foram utilizados dados provisórios, os quais não passaram por nenhum tratamento prévio antes da distribuição. Os dados são disponibilizados pela rede INTERMAGNET (International Real-Time Magnetic Observatory Network), a qual consolida dados geomagnéticos gerados por magnetômetros de institutos de geofísica espacial localizados em diversos países do mundo. Os dados consistem nas medições destes equipamentos com resolução temporal de segundos e minutos. A utilização de dados provisórios é devida a necessidade de fornecer informações em tempo real ou com o mínimo de atraso possível afim de possibilitar análises de fenômenos atuais das interações no geoespaço. O sistema foi arquitetado e implementado utilizando o padrão de projetos MVC (Model, View e Controller). Dessa forma, isolam-se as camadas do sistema, evitando que seja possível o acesso direto ao banco de dados e às regras de negócio requisitadas. A Figura 1 apresenta a arquitetura geral definida para o sistema. 2
Figura 1 - Arquitetura Geral do Sistema Fonte: Autores (2016) O sistema adquire dados da rede INTERMAGNET em tempo real através de conexão por FTP (File Transfer Protocol) e armazena-os em um servidor localizado no INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), em São José dos Campos - SP. Para o armazenamento de dados foi escolhida a utilização do SGBD MySQL, em conjunto com uma aplicação construída com o paradigma de Programação Orientação a Objetos na linguagem de programação Java. Esses dados adquiridos passam por um processo de tratamento, onde se tornam Objetos a serem gravados através do serviço de acesso ao banco de dados. Esse mesmo serviço é utilizado para a recuperação dos dados para geração das representações gráficas. Os dados obtidos da INTERMAGNET não são redistribuídos. Para que seja possível o cálculo do WISA-Dst, um índice geomagnético baseado na técnica Wavelet, adaptou-se um algoritmo criado por Jach et al. (2006) e implementado por Marchezi (2016), na linguagem de programação R. Para que seja possível a integração deste algoritmo com a aplicação, foi utilizada a biblioteca RServe, que cria uma conexão entre as linguagens Java e R utilizando o protocolo TCP/IP. Essa integração entre as duas linguagens permite que esse algoritmo se torne um serviço de processamento de dados para a aplicação. Com os dados armazenados e tratados, possibilita-se a representação gráfica dos mesmos utilizando a componente web HighCharts, que através da linguagem JavaScript consome dados no formato JSON, gerados pelo sistema e transforma-os em visualizações gráficas. Esse processamento é realizado no navegador do usuário. 3
Resultados Buscando atender os objetivos previamente descritos, criou-se um portal na internet onde os dados geomagnéticos fossem dispostos a toda sociedade em forma de representações gráficas. Foram escolhidos como objeto de estudo, as representações das componentes geomagnéticas obtidas no observatório de Kakioka, no Japão e o índice geomagnético Wisa-Dst. Para que seja possível enviar os dados da aplicação para a componente HighCharts, utilizou-se o conceito de REST (Representational State Transfer). Os dados geomagnéticos que foram previamente transformados em Objetos e persistidos no banco de dados, quando requisitados, são transformados em JSON e enviados através de rotas REST. A Figura 2 apresenta a aparência final do portal contendo as representações das componentes do campo geomagnético registrado no observatório de Kakioka, nesse primeiro gráfico onde o eixo X representa a variação de tempo (15 dias) e o eixo Y a leitura do campo geomagnético na unidade de medida magnética nanotesla (nt), é possível observar três componentes do campo geomagnético no mesmo gráfico, a componente altera sua escala automaticamente de acordo com a seleção de dados que se deseja visualizar. Figura 2 - Interface do Portal Geomagnetic Disturbance Analysis Fonte: Autores (2016) Visando atender requisitos funcionais desejados, foram criados gráficos dinâmicos, com possibilidade de ampliar localmente a imagem, possibilitando a análise mais precisa em um determinado período de tempo. A Figura 3 apresenta o gráfico do Wisa-Dst, onde o eixo X representa a variação de tempo (2 meses) e o eixo Y representa a flutuação da média das leituras das componentes em nano-teslas (nt). Nesse gráfico são representados 87840 pontos (60 minutos x 24 horas x 61 dias). Através da componente utilizada para geração do gráfico, é possível observar cada um deles utilizando a ampliação local da imagem, demonstrada na segunda visão do mesmo gráfico dessa Figura. 4
Figura 3 - Grafico Wisa-Dst Fonte: Autores (2016) Para garantir o bom funcionamento das funcionalidades do sistema, foram realizados testes unitários com a biblioteca JUnit na aplicação. Dentre eles, testes dos serviços de acesso ao banco de dados e a integração com a linguagem de programação R. Discussão A decisão pela criação de uma aplicação web foi tomada devido a facilidade de dispersão de informações que a internet proporciona. Uma plataforma Desktop dificultaria o acesso ao sistema, devido às restrições geradas por sistemas operacionais na execução de determinados tipos de aplicações. Outro aspecto importante a ser citado sobre o portal, é a dinamicidade das representações. Há portais como o World Data Center for Geomagnetism, Kyoto (WDC for Geomag) que fornecem as representações em imagens fixas, sem a possibilidade de ampliação local da imagem por período. Nos testes unitários realizados nos serviços do banco de dados, foram criados cenários de inclusão, busca e exclusão das entidades do sistema, dentre elas estão os dados das componentes geomagnéticas, os observatórios, o controle de arquivos e o controle de falhas de gravação de dados. Os testes unitários da integração com a linguagem R contem operações matemáticas simples e criações de vetores. Conclusão O objetivo principal deste trabalho foi a transformação de conhecimento científico em um produto consumível pela sociedade. O desenvolvimento do sistema foi focado em acessibilidade, possibilidade de ampliação de novos algoritmos científicos e na capacidade de realização de uma análise mais crítica sobre os dados dispostos nas representações gráficas. O esforço para a criação de uma base de dados dinâmica e consistente foi comprovado pelos testes de funcionalidade, onde todos os dados gravados foram resgatados sem erros. 5
Garantindo a integração entre as linguagens Java e R, torna-se possível que novos algoritmos sejam adicionados ao sistema com menos esforços, pois elimina-se a necessidade de adaptações de bibliotecas científicas para a linguagem utilizada no desenvolvimento do sistema. Por fim, o sistema ainda encontra-se em ambiente de testes, funcionando localmente. O endereço web será disponibilizado em futuras publicações. Agradecimentos Agradeço ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais pela oportunidade de desenvolver este trabalho, a Fatec de São José dos Campos pelos conhecimentos obtidos em aula. Ao José Paulo Marchezi, que forneceu sua dissertação de mestrado como base para este trabalho, a todos os professores, em especial aos orientadores Emanuel Mineda Carneiro e Odim Mendes Junior. Agradeço também a INTERMAGNET pelo fornecimento dos dados que possibilitou a realização deste trabalho. Referências COSTA, C. M.; LEITE, C. R. M.; NETO, P. F. R. Desenvolvimento de um Componente de Software - SAMS: Sistema Automático de Monitoramento em Tempo-Real de Sondas de Produção de Petróleo. Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE; Universidade do Estado do Rio Grande do Norte, Mossoró, RN, Brasil, 2008. DENARDINI, C. M.; DASSO, S.; GONZALEZ-ESPARZA, J. A. Review on Space Weather in Latin America: 1-The beginning from Space Science Research Advances in Space Research, Elsevier, 2016. DENARDINI, C. M.; DASSO, S.; GONZALEZ-ESPARZA, J. A. Review on Space Weather in Latin America: 3-Development of space weather forecasting centers Advances in Space Research, Elsevier, 2016. JACH, A.; KOKOSZKA, P.; SOJKA, J.; ZHU, L. Wavelet-based index of magnetic storm activity, Utah State University, Logan, USA, 2006. KAMIDE, Y; CHIAN, A. Handbook of the Solar-Terrestrial Environment. New York: Springer, 2011; MARCHEZI, J. P. Identificação de Pulsações Geomagnéticas Detectadas na Rede de Magnetômetros do EMBRACE. Dissertação de Mestrado - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2016. MENDES JR., O., COSTA, A. M., DOMINGUES, M. O. Introduction to planetary eletrodynamics: A view of electric fields, currents and related magnetic fields. DGE/CEA, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP, Brasil, LAC/CTE, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP, Brasil, 2005. PERKUSICH, M. L. B.; TURNELL, M. F. Q. V.; PERKUSICH, A. Modelagem de Banco de Dados em Tempo-Real, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, PB, Brasil, 1999. 6