H βροχόπτωση και η διαφορετική συμφωνία των δεδομένων σε διαφορετικά περιβάλλοντα

Με ιδιαίτερο ενδιαφέρον η επιστημονική κοινότητα υποδέχτηκε την εργασία του Αναπληρωτή Καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Πράγας κ. Γιάννη Μαρκόνι ο οποίος προβαίνει στη μελέτη του κύκλου του νερού σε πλανητική κλίμακα, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των κλιματικών διεργασιών μεγάλης κλίμακας. Ωστόσο, όπως θα διαπιστώσουμε στην εργασία του , πολύ λίγα είναι γνωστά για το πώς η χερσαία βροχόπτωση κατανέμεται σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Σε αυτή τη μελέτη, αντιμετωπίζει αυτό το κενό, χρησιμοποιώντας ένα σύνολο 17 συνόλων δεδομένων για να παρέχει , για πρώτη φορά, εκτιμήσεις βροχοπτώσεων σε μια σειρά τύπων κάλυψης γης, βιομάζες, υψομετρικές ζώνες και τάξεις έντασης βροχόπτωσης. Υπολογίζει την ετήσια χερσαία βροχόπτωση σε περίπου 114.000 ± 9400 km3, με περίπου το 70% να πέφτει σε τροπικές, υποτροπικές και εύκρατες περιοχές. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν σημαντικές ασυνέπειες, κυρίως, στις άνυδρες και τις ορεινές περιοχές. Η προκύπτουσα κατανομή με βάση την αβεβαιότητα δείχνει πώς η κατακρήμνιση κατανέμεται σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων και βελτιώνει την κατανόησή μας για το πώς οι συνθήκες τους επηρεάζουν την πιστότητα παρατήρησης.

Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΑΞΙΜΕΝΗ ΚΑΙ ΤΟΝ DA VINCI, ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ

Περίπου μισή χιλιετία έχει περάσει από την πρώτη προσπάθεια της σύγχρονης ανθρωπότητας να μελετήσει τον κύκλο του νερού. Ήταν στο απόγειο της Αναγέννησης όταν ένας από τους ίσως πιο διάσημους εκπροσώπους της ανέφερε πώς το νερό μετακινείται από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια του πλανήτη μας, πώς αλλάζει μορφή από υγρό σε αέριο ή στερεό και πώς αλληλεπιδρά με το περιβάλλον και το τοπίο , χρησιμοποιώντας τις θεωρίες αρχαίων φιλοσόφων , ιδιαίτερα του Αναξιμένη . Ο Αναξιμένης ήταν ο πρώτος που διατύπωσε τη θεωρία της “πύκνωσης και της αραίωσης” όπου εξηγούσε τα διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα (βροχή, σύννεφα κ.λπ.) Χαρακτηριστικά ο ΨευδοΠλούταρχος στους Στρωματείς για τον Αναξιμένη αναφέρει : «Η κίνηση του αέρα είναι αιώνια και εξ αιτίας αυτής παρατηρούνται οι διάφορες μεταβολές και τα φυσικά φαινόμενα. Έτσι, δημιουργούνται ο άνεμος και τα σύννεφα, το νερό, το χαλάζι και το χιόνι με την πήξη και την ψύξη του νερού, η αστραπή και το ουράνιο τόξο, οι σεισμοί κτλ.» Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι, αν και δεν τον μνημονεύουμε για τις υδρολογικές του αναζητήσεις, ήταν ο πρώτος από τους σύγχρονους επιστήμονες που αντιλήφθηκε θεωρητικά αυτό που χιλιάδες σύγχρονοι επιστήμονες μελέτησαν αργότερα ως τον “υδρολογικό κύκλο”.

Από τότε, πολλά έχουν αλλάξει. Η θεωρητική γνώση και οι μέθοδοι παρατήρησης σχετικά με τις αλλαγές στον υδρολογικό κύκλο έχουν προχωρήσει, προσφέροντάς μας, για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία, τη δυνατότητα να έχουμε παγκόσμιες μετρήσεις υψηλής ευκρίνειας σε χρόνο και χώρο. Τώρα, μπορούμε να υπολογίσουμε την παγκόσμια βροχόπτωση σε χωρικές αναλύσεις δεκάδων χιλιομέτρων και χρονικές κλίμακες μισής ώρας, που διευκολύνονται από την ανάπτυξη τόσο δορυφορικών τεχνολογιών όσο και μοντέλων υπολογιστικής προσομοίωσης. Ο συνδυασμός τους μας παρέχει μια εξαιρετικά σαφή εικόνα του υδρολογικού κύκλου από ολόκληρη την υδρόγειο. Ή όχι;

ΤΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ITHACA ΚΑΙ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

Όταν ξεκίνησε το ερευνητικό πρόγραμμα ITHACA, με στόχο τη μελέτη των αλλαγών στον κύκλο του νερού λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη, οι επιστήμονες υπόθεσαν ότι η πληθώρα των σύγχρονων διαθέσιμων δεδομένων θα μπορούσε να παρέχει μια σαφή εκτίμηση της κίνησης του νερού από και προς την επιφάνεια της Γης. Αυτό θα βοηθούσε στη συνέχεια να συγκρίνουν πρόσφατες και προηγούμενες διακυμάνσεις, καθώς και μελλοντικές προβλέψεις, με τις τρέχουσες συνθήκες. Μεταξύ όλων των αλλαγών στον κύκλο του νερού, επελέγη η ατμοσφαιρική βροχόπτωση, δηλαδή οι βροχοπτώσεις και οι χιονοπτώσεις, καθώς έχουν μετρηθεί εκτενέστερα και ακριβέστερα από οποιαδήποτε άλλη μετεωρολογική μεταβλητή.

Εκεί, συνάντησαν μια πρώτη έκπληξη. Ανακάλυψαν ότι, ενώ υπάρχουν περισσότερες από διακόσιες επιστημονικές μελέτες που υπολογίζουν την ποσότητα της παγκόσμιας βροχόπτωσης, δεν έχει υπολογιστεί ακόμη ο τρόπος με τον οποίο αυτή η βροχόπτωση κατανέμεται στην επιφάνεια της Γης σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά κάθε περιοχής. Πόσο νερό πέφτει στα βουνά; Πόσο στις καλλιέργειες; Πόσο στα τροπικά δάση και πόσο στις άνυδρες στέπες; Για να απαντήσουν σε αυτές και σε παρόμοιες ερωτήσεις που σχετίζονται με την ατμοσφαιρική βροχόπτωση σε διαφορετικές χρήσεις γης, τύπους οικοσυστημάτων και υψόμετρο, χρησιμοποίησαν δεκαεπτά σύνολα δεδομένων κατά τις δύο πρώτες δεκαετίες του 21ου αιώνα. Ωστόσο, σε αυτό το σημείο, βρέθηκαν αντιμέτωποι με μια δεύτερη έκπληξη.

Όταν συνέκριναν το εύρος τιμών μεταξύ των δεδομένων, παρατήρησαν σημαντικές αποκλίσεις. Αν και ήταν αναμενόμενο, καθώς προέρχονται από διαφορετικές πηγές, έκανε ιδιαίτερη εντύπωση ότι σε ορισμένες περιπτώσεις οι διαφορές υπερέβαιναν κατά πολύ τις γνωστές τιμές. Για παράδειγμα, σε περιοχές με ημιτροπικό κλίμα όπως το Ναϊρόμπι στην Κένυα ή η Λα Παζ στη Βολιβία, οι διαφορές θα μπορούσαν να είναι έως και τριπλάσιες από την παρατηρούμενη τιμή. Ομοίως, οι ορεινές περιοχές εμφάνισαν ευρύτερο φάσμα τιμών ( Για το λόγο αυτό, αποφάσισαν να διερευνήσουν περαιτέρω αυτήν την ασυμφωνία μεταξύ των δεδομένων και να χαρτογραφήσουν τη φαινομενική αβεβαιότητα σε παγκόσμια κλίμακα) .

Υπάρχει η πεποίθηση ότι εφόσον όλα αυτά τα σύνολα δεδομένων σχετίζονται άμεσα ή έμμεσα με σταθμούς μέτρησης εδάφους, μπορούν να αξιολογηθούν αναλόγως. Και πράγματι, αυτό που παρατήρησαν είναι ότι οι περιοχές με μετεωρολογικούς σταθμούς δείχνουν σημαντικά μεγαλύτερη συμφωνία μεταξύ των δεδομένων. Ωστόσο, συχνά παραβλέπουμε ότι οι σταθμοί καλύπτουν μόνο το 5% της γης της Γης. Έτσι, τελικά, τα σύνολα δεδομένων αξιολογούνται σε περιοχές με μετεωρολογικούς σταθμούς (που συνήθως χρησιμοποιούνται) που αντιπροσωπεύουν ένα πολύ μικρό κλάσμα της συνολικής επιφάνειας που περιγράφουν. Επομένως, για το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη, αυτό που έχουμε στη διάθεσή μας δεν είναι διαφορετικές μετρήσεις αλλά εναλλακτικές εκτιμήσεις της πραγματικότητας. Αυτό μας φέρνει αντιμέτωπους με το πρόβλημα των δύο ρολογιών.

ΤΟ “ΠΡΟΒΛΗΜΑ” ΤΩΝ ΔΥΟ ΡΟΛΟΓΙΩΝ ΚΑΙ Ο ΜΕΣΟΣ ΟΡΟΣ

Υπάρχει μια παλιά ιστορία που λέει: “Ένας άντρας με ρολόι ξέρει τι ώρα είναι. Ένας άντρας με δύο ρολόγια δεν είναι ποτέ σίγουρος.” Στην περίπτωσή μας, έχουμε δεκαεπτά ρολόγια, και ενώ οι κατασκευαστές τους ισχυρίστηκαν ότι έδιναν την ακριβή ώρα, σε ορισμένες περιπτώσεις, άλλα ανέφεραν μεσημέρι και άλλα μεσάνυχτα. Η συνήθης πρακτική σε αυτές τις περιπτώσεις θα ήταν ο υπολογισμός του μέσου όρου. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα. Πρώτον, δεν είναι ρεαλιστικό σε περιπτώσεις μεγάλων διαφορών. Η μέση τιμή της ερήμου και του εύκρατου κλίματος δεν είναι το υποτροπικό κλίμα, όπως το απόγευμα δεν είναι ο μέσος όρος του μεσημεριού και του μεσάνυχτα. Επίσης, αν και τα δεδομένα μας προέρχονται από διαφορετικές πηγές, πολλές από αυτές χρησιμοποιούν παρόμοιες πρωτογενείς μετρήσεις ή παρόμοιες μεθοδολογίες. Ο υπολογισμός του μέσου όρου μπορεί να εισάγει κάποια προκατάληψη προς «οικογένειες δεδομένων» με κοινά χαρακτηριστικά.

Για να το ελέγξουν αυτό, εντόπισαν τη γενεαλογία των δεδομένων, αποτυπώνοντας τους συσχετισμούς κατά τη δημιουργία τους. Όπως ήταν αναμενόμενο, προέκυψαν νέα ερωτήματα. Πώς πρέπει να αντιπροσωπεύονται τα δεδομένα με κοινές γενεαλογίες στην εκτίμηση της μέσης βροχόπτωσης μιας περιοχής; Η νέα γενιά δεδομένων προσφέρει πάντα καλύτερες εκτιμήσεις από την προηγούμενη; Και αν ναι, πώς πρέπει να χειριστούμε την κατάσταση όταν υπάρχουν σημαντικές διαφωνίες σε αυτές τις νέες εκτιμήσεις;

Αν αναλογιστούμε ότι υπάρχει «δημοκρατία» ανάμεσα στα δεδομένα, τότε υπάρχει κίνδυνος να μην ακουστούν οι διαφωνούντες, ακόμα κι αν έχουν δίκιο. Εάν υποθέσουμε εκ των προτέρων ότι ορισμένα σύνολα δεδομένων είναι καλύτερα από άλλα με βάση υποκειμενικά κριτήρια, τότε γινόμαστε ευάλωτοι στην προσωπική προκατάληψη κάθε επιστήμονα.

Σχήμα 2. Αβεβαιότητα στα προϊόντα δεδομένων. (α) Γενεαλογία συνόλου δεδομένων (Η κατεύθυνση βέλους δείχνει ποιο σύνολο δεδομένων χρησιμοποιείται από άλλο). (β) Συναίνεση συνόλου δεδομένων (Μπλε: Συμφωνία, Κόκκινο: Διαφωνία).

Προφανώς, δεν υπάρχει εύκολη απάντηση σε αυτό το ζήτημα. Στην περίπτωσή μας, αποφασίστηκε να παρουσιαστούν αυτές οι ερωτήσεις και να επισημάνουν πώς επηρεάζουν την κατανομή της ατμοσφαιρικής βροχόπτωσης σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Έδειξαν ότι η μεγαλύτερη διαφωνία εμφανίζεται σε περιοχές με χαμηλές βροχοπτώσεις ή/και μεγάλο υψόμετρο. Αντίστροφα, οι εύκρατες περιοχές παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη συμφωνία, ενώ στην τροπική ζώνη εμφανίζεται το εξής παράδοξο. Λόγω των υψηλών βροχοπτώσεων, αν και υπάρχει σχετική συμφωνία, οι απόλυτες διαφορές τους συχνά ξεπερνούν αυτές άλλων περιοχών. Η διαφορά μεταξύ των δεδομένων της τάξης των 600 mm στον Αμαζόνιο, όπου η μέση βροχόπτωση είναι 2500 mm, δεν είναι τόσο σημαντική σε σύγκριση με την ίδια διαφορά στη Λα Παζ, η οποία δέχεται 800 mm ετησίως. Τα αποτελέσματα δείχνουν σε ποιο βαθμό και πού μπορούμε να βασιστούμε σε παγκόσμια δεδομένα για την ατμοσφαιρική βροχόπτωση. Επιστρέφοντας στο πρόβλημα των δύο ρολογιών, θα μπορούσαμε να πούμε ότι το πρώτο ρολόι δείχνει τι κάνει ένα ρολόι, ενώ το δεύτερο μας υπενθυμίζει τι δεν μπορεί να κάνει.

Έτσι, στο τέλος της μελέτης , μπόρεσαν να υπολογίσουν όχι μόνο πόσο χιόνι πέφτει στα βουνά του πλανήτη ή πόση βροχή φτάνει στα τροπικά μας δάση αλλά και να παρουσιάσουν το εύρος της αβεβαιότητας σε κάθε περίπτωση. Εντοπίζοντας τη γενεαλογία και τις συσχετίσεις των συνόλων δεδομένων, η εργασία προσφέρει στους μελλοντικούς ερευνητές ένα σημείο εισόδου για παρόμοιες μελέτες, καθώς είναι βέβαιο ότι τα σύνολα δεδομένων θα συνεχίσουν να αυξάνονται.

Ίσως η μεγαλύτερη έκπληξη βρίσκεται στο τέλος όταν γίνεται η σύγκριση της συνολικής ποσότητας της ατμοσφαιρικής βροχόπτωσης που έφτασε στο έδαφος με τις εκτιμήσεις του περασμένου αιώνα. Παρά τα περιορισμένα μέσα και μετρήσεις που είχαν στη διάθεσή τους οι πρωτοπόροι της έρευνας στις αρχές του εικοστού αιώνα, ήταν εξαιρετικά κοντά στις τιμές που υπολογίζουμε σήμερα. Μπορούμε να φανταστούμε τη δικαίωση που θα ένιωθαν σήμερα και να δούμε ίσως τον Λεονάρντο να χαμογελά καθώς το νερό συνεχίζει το αιώνιο ταξίδι του.