Υδατικό Περιβάλλον και Ανάπτυξη

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος

Υδατικά προβλήματα και φιλοσοφία αντιμετώπισής τους

Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών

Άδεια Χρήσης

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Κάτω από τον ουρανό δεν υπάρχει τίποτα πιο απαλό και πιο ενδοτικό από το νερό. Και όμως τίποτα δεν διαλύει καλύτερα το στέρεο και δυνατό. Σε τούτο δεν έχει το όμοιό του.

Το ανίσχυρο μπορεί να νικήσει το δυνατό. Το ευλύγιστο μπορεί να νικήσει το άκαμπτο. Όλοι κάτω από τον ουρανό το ξέρουν αυτό……

Tao Te Ching, 78

Υδατικά προβλήματα και

φιλοσοφία αντιμετώπισής τους

Νίκος Μαμάσης

Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων

Αθήνα 2014

Παραγωγή αγαθών Νερό

Τρόφιμα Ενέργεια

Άνθρωπος Αύξηση πληθυσμού

Συγκέντρωση στο χώρο Υπερκατανάλωση

Ανθρωπογενής κύκλος του 20ου αιώνα

Φυσικό περιβάλλον Αστικοποίηση Αποδάσωση

Ρύπανση-εξάντληση πόρων

Διατήρηση φυσικού περιβάλλοντος (φαινόμενο θερμοκηπίου) Ύδρευση Παραγωγή τροφίμων (άρδευση) και αγαθών (βιομηχανία) Παραγωγή και ρύθμιση ενέργειας (υδροηλεκτρικά) Αποθήκευση ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές (αντλησοταμίευση)

Σημασία του νερού

4

Κύριες χρήσεις νερού Ύδρευση

Παραγωγή τροφίμων Ενέργεια

Προβλήματα

• Μελέτη (Εκτίμηση προσφοράς και ζήτησης νερού)

• Κατασκευή (Ταμιεύτηρες, Αντιπλημμυρικά, καθαρισμοί)

• Διαχείριση (Προσομοίωση, Βελτιστοποίηση)

Θεσμικές, Τεχνολογικές, Οικονομικές, Κοινωνικές Περιβαλλοντικές

Φιλοσοφία • Μοντελοποίησης του

φυσικού περιβάλλοντος • Διαχείρισης συστημάτων • Αντιμετώπισης κινδύνων

Έργα-Υδροσυστήματα

Ανθρώπινα συστήματα

Δράσεις

Ανισοκατανομή νερού Πλημμύρες Ξηρασίες

• Αλλοιώσεις στα υδροσυστήματα • Υποβάθμιση ποιότητας

• Διακυμάνσεις υδρολογικών μεταβλητών στο χωρόχρονο

Οδηγίες, Διαχειριστικά σχέδια, Χάρτες πλημμυρών, ευαισθητοποίηση κοινού

Υδατικό περιβάλλον

Αλληλεπίδραση

Αντιμετώπιση

Μεταβλητές Κατακρήμνιση

Παροχή Εξάτμιση

Ποιότητα

5

Εικόνα 1: Προβλήματα των υδατικών πόρων

Κατανομή υδατικών πόρων Διεθνείς οργανώσεις όπως ο WHO και η UNICEF θεωρούν ως ελάχιστη απαίτηση κατανάλωσης νερού τα 20 λίτρα ανά άτομο και ημέρα από μια πηγή που βρίσκεται σε απόσταση λιγότερη από 1 χιλιόμετρο. Η ποσότητα αυτή είναι η ελάχιστη για κατανάλωση και προσωπική υγιεινή. Συνυπολογίζοντας το μπάνιο και το πλύσιμο ρούχων και χώρων η ποσότητα αυτή ανέρχεται σε 50 λίτρα

Οι κάτοικοι του Phoenix, Arizona, μιας πόλης στην έρημο που διαθέτει τις μεγαλύτερες εκτάσεις γρασιδιού στις ΗΠΑ η μέση κατανάλωση είναι μεγαλύτερη από 1000 λίτρα ανά κάτοικο και ημέρα.

Αντίθετα σε πολλές περιοχές του πλανήτη η μέση κατανάλωση είναι μικρότερη από 10 λίτρα: Μοζαμβίκη (<9) Burkina Faso (8 λίτρα), Δυτική Ινδία, Σαχάρα και Ανατολική Αφρική (< 5 λίτρα)

1.1 δισεκατομμύρια άνθρωποι στο κόσμο ζουν σε απόσταση μεγαλύτερη από 1 χιλιόμετρο από πηγή νερού. Η κατανάλωση είναι συνήθως μικρότερη από 5 λίτρα την ημέρα με νερό αμφίβολης ποιότητας.

6 Εικόνα 2: Πρόβλημα ύδρευσης στις υποανάπτυκτες χώρες

Reynolds, P.D. 1971. A primer in Theory Construction

Τι θέλουν οι άνθρωποι να παρέχει η επιστημονική γνώση;

Μια μέθοδο οργάνωσης και κατηγοριοποίησης πραγμάτων

Προβλέψεις για μελλοντικά γεγονότα

Εξηγήσεις για τα προηγούμενα γεγονότα

Μια αίσθηση της κατανόησης για το τι προκαλεί τα γεγονότα

Τη δυνατότητα ελέγχου των γεγονότων

Ο έλεγχος των γεγονότων γίνεται:

με την επέμβαση στο μηχανισμό εξέλιξης του φυσικού φαινόμενου

με τη τροποποίηση των επιδράσεων του φυσικού φαινόμενου στα ανθρώπινα συστήματα 7

1. Common Sense (Κοινή Λογική)

2. Philosophy (Φιλοσοφία)

3. Philosophy of Science (Φιλοσοφία της Επιστήμης)

4. Scientific Method (Επιστημονική Μέθοδος)

5. Scientific Specialities (Επιστημονική Εξειδίκευση)

6. Technology (Τεχνολογία)

Η θεμελίωση της Επιστήμης ακολουθεί τη σειρά:

Φιλοσοφία και επιστήμη

Πηγή: Η. Gauch, Scientific Method in Practice, 2003

Επίδραση της φιλοσοφικής αντίληψης στην επιστημονική μέθοδο

Επιστήμη και κοσμολογικές αντιλήψεις

• Worldviews (Κοσμολογικές αντιλήψεις)

• Common Sense (Κοινή Λογική)

• Science (Επιστήμη)

Κοινή λογική

Επιστήμη Αλήθεια

Το τηλεσκόπιο μπορεί να βοηθήσει τον άνθρωπο να δει μακρύτερα αλλά δεν του προσφέρει τίποτα αν είναι τυφλός. 8

Οι τέσσερεις απαιτήσεις της επιστήμης

Ορθολογισμός (Rationality). Οι ορθολογικές μέθοδοι αναζήτησης χρησιμοποιούν τις αιτίες και τα στοιχεία σωστά ώστε να επιτύχουν ουσιώδη και καθορισμένη επιτυχία στην εύρεση της αλήθειας

Αλήθεια (Truth). Οι αληθινές δηλώσεις αντιστοιχούν με τη πραγματικότητα. Πρέπει να υπάρχει αντιστοιχία μεταξύ: (α) εξωτερικού φυσικού κόσμου αντικειμένων και γεγονότων και (β) εσωτερικού νοητικού κόσμου αισθήσεων και πεποιθήσεων

Αντικειμενικότητα (Objectivity). Οι αντικειμενικές πεποιθήσεις αφορούν εξωτερικά φυσικά αντικείμενα. Μπορούν να ελεγχθούν και να επαληθευθούν ώστε να προκύψει ομοφωνία μεταξύ ανθρώπων με γνώση. Δεν εξαρτώνται από προκαταλήψεις ή ειδικές φιλοσοφικές αντιλήψεις

Πραγματισμός (Realism). Είναι η αντιστοιχία των ανθρώπινων απόψεων με την εξωτερική και ανεξάρτητη πραγματικότητα 9

Deduction –Induction (Συλλογισμός-Επαγωγή)

Δεδομένο Μοντέλο

Επαγωγικό Μοντέλο

Παρατηρημένα δεδομένα

Αναμενόμενα δεδομένα

Ο Αριστοτέλης δίδαξε ότι κάθε πεποίθηση προέρχεται είτε από συλλογισμό είτε από επαγωγή (Αναλυτικά Πρότερα, Βιβλίο 2, Κεφαλαίο 23)

Συλλογισμός Deduction

Επαγωγή Induction

Ένα συλλογιστικό επιχείρημα είναι βάσιμο εάν η αλήθεια των προϋποθέσεων του εγγυάται την αλήθεια των συμπερασμάτων του, αλλιώς είναι αβάσιμο. Ένα επαγωγικό επιχείρημα είναι ισχυρό εάν οι προϋποθέσεις του υποστηρίζουν την αλήθεια των συμπερασμάτων του αλλιώς είναι ασθενές

Η απορροή του ποταμού

δημιουργείται από τη βροχόπτωση στη

λεκάνη

Έχει παρατηρηθεί ότι όταν βρέχει στη λεκάνη, η απορροή του ποταμού αυξάνεται

Όταν βρέχει στη λεκάνη η απορροή του ποταμού αυξάνεται

Η απορροή του ποταμού προέρχεται από τη βροχόπτωση

στη λεκάνη

10

Δεδομένα (γεγονότα, φαινόμενα)

Υπόθεση (εικασία, θεωρία, μοντέλο)

…… …… Συλλογισμός

Deduction

Επαγωγή Induction

Συλλογισμός Deduction

Επαγωγή Induction

Πηγή: Η. Gauch, Scientific Method in Practice, 2003

Επαναληπτική διαδικασία μάθησης από την επιστήμη

Συχνά η επαγωγή προμηθεύει τις βάσεις οι οποίες στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για συλλογιστικά επιχειρήματα

11

Σε ένα προσδιοριστικό σύστημα (π.χ Νευτώνεια μηχανική) η πραγματοποίηση όλων των συμβάντων είναι γνωστή με βεβαιότητα. Εφόσον σε μια χρονική στιγμή είναι γνωστή η κατάσταση του συστήματος, αυτή μπορεί να προβλεφθεί με ακρίβεια στις επόμενες χρονικές στιγμές

Προσδιοριστικά (deterministic) και πιθανοτικά (probabilistic) συστήματα

Σε ένα πιθανοτικό σύστημα (π.χ φυσική σωματιδίων) η πραγματοποίηση όλων των συμβάντων δεν είναι γνωστή με βεβαιότητα και κάθε πρόγνωση συνοδεύεται από κάποια πιθανότητα

12 Εικόνα 3: Προσδιοριστικά και πιθανοτικά συστήματα

Το συμπέρασμα ενός συλλογιστικού επιχειρήματος περιέχεται ήδη στις προϋποθέσεις του, ενώ το συμπέρασμα ενός επαγωγικού επιχειρήματος βρίσκεται πέρα από την πληροφορία που υπάρχει σχετικά με τις προϋποθέσεις του

Δεδομένης της αλήθειας των προϋποθέσεων το συμπέρασμα ενός συλλογιστικού επιχειρήματος είναι αληθινό με βεβαιότητα, ενώ το συμπέρασμα ενός επαγωγικού επιχειρήματος είναι αληθινό με συγκεκριμένη πιθανότητα (αλλά όχι με απόλυτη βεβαιότητα) ακόμη και αν είναι αληθινές όλες οι προϋποθέσεις του. Εάν διατίθενται μεγάλος όγκος δεδομένων και επεξεργασιών η επαγωγή μπορεί να προσφέρει πρακτική βεβαιότητα αλλά ποτέ απόλυτη.

Ο συλλογισμός αφορά στην προσέγγιση από το γενικό στο ειδικό ενώ η επαγωγή κινείται στην αντίθετη κατεύθυνση: από τις ειδικές περιπτώσεις στα γενικά συμπεράσματα

Διαφορές

Deduction –Induction (Συλλογισμός-Επαγωγή)

Για την επιστήμη και οι δύο μεθοδολογίες είναι απαραίτητες αφού κάθε μια είναι κατάλληλη για την απάντηση σε διαφορετικά ερωτήματα και χρησιμοποιούνται σε διαφορετικά πεδία

13

Σύνοψη της επιστημονικής μεθόδου

Αληθινή κατάσταση φυσικού συστήματος

Διαθέσιμα δεδομένα

Νέα δεδομένα

Σχεδιασμός

Πείραμα, παρατήρηση

Υπόθεση Ηt

Αποτελέσματα υπόθεσης Ht

Θόρυβος

Συλλογισμός Deduction

Επαγωγή Induction

Τροποποιημένη Υπόθεση Ηt+1

Η υπόθεση Ηt+1 αντικαθιστά την υπόθεση Ηt

Πηγή: Η. Gauch, Scientific Method in Practice, 2003

14

Κατανόηση φυσικών

διεργασιών

Παρατήρηση- μέτρηση

Εφαρμογές- έργα

Ανάγκες

Ίωνες, Κλασική-

Ελληνιστική-εποχή

Σύγχρονη προσέγγιση

Από την αρχή της ιστορίας

Στους αρχαίους πολιτισμούς

Αρχαία προσέγγιση

Προσέγγιση στα υδατικά προβλήματα

Αριστοτέλης

15

Παρότι οι παρατηρήσεις επαληθεύουν το μοντέλο, μήπως η θεωρία πίσω από αυτό δεν είναι επιστημονικά θεμελιωμένη;

Πως θα μετριαστούν οι επιπτώσεις των ακραίων φυσικών φαινομένων; Adaptation or Mitigation (Προσαρμογή ή αντιμετώπιση).

ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ Επίδραση της φιλοσοφικής αντίληψης στην επιστημονική μέθοδο

Είναι δυνατή η πρόβλεψη της εξέλιξης των περιβαλλοντικών μεταβλητών στο εγγύς και απώτερο μέλλον; Μνήμη τυχαίων γεγονότων

Περιοδικότητα (ηλιακές κηλίδες, σελήνη) Μακροχρόνια πρόβλεψη

Ποια προσέγγιση είναι η καλύτερη για κάθε συγκεκριμένο πρόβλημα; Προσδιοριστική (deterministic)-στατιστική (statistic)-στοχαστική (stochastic) Απλή-σύνθετη

Μερικά φιλοσοφικά ερωτήματα

16

Ερμηνεία παρατηρήσεων με λάθος μοντέλο

An illustration of the Ptolemaic geocentric system by Portuguese cosmographer and cartographer Bartolomeu Velho, 1568 (Bibliotèque National, Paris)

17

Εικόνα 4: Γεωκεντρικό σύστημα Πτολεμαίου

Βροχόπτωση Κάιρο (Ηλιούπολη)

Μέση ετήσια τιμή: 27 mm

Βροχόπτωση Ασουάν (Συήνη) Μέση ετήσια τιμή: 1 mm

Παροχή Νείλου στο Ασουάν

(Συήνη) Μέση ετήσια

τιμή: 2780 m3/s

Βροχόπτωση Bodrum (Αλικαρνασσός) Μέση ετήσια τιμή: 706 mm

Το αίνιγμα του Νείλου (1/3)

Το αίνιγμα της απορροής του Νείλου για τους αρχαίους Έλληνες όπως διατυπώνεται από τον Ηρόδοτο (5ος αιώνας π.Χ) ο οποίος έφτασε μέχρι τη Συήνη και αναφέρει την Μερόη. «Για το φαινόμενο της πλημμύρας του ποταμού δεν μπόρεσα να πληροφορηθώ τίποτα ούτε από τους ιερείς ούτε από κανέναν άλλο. Εκείνο που ήθελα κυρίως να μάθω από αυτούς, ήταν γιατί ο Νείλος πλημμυρίζει από το θερινό ηλιοστάσιο επί 100 ημέρες και όταν τελειώσουν οι 100 ημέρες ξαναμπαίνει στην κοίτη του και έτσι όλο το χειμώνα μένει χαμηλός ώσπου να ξανάρθει το θερινό ηλιοστάσιο. Για το ζήτημα αυτό δεν μπόρεσα να μάθω τίποτα από κανέναν από τους Αιγυπτίους που ρωτούσα ποιος είναι ο λόγος για τον οποίο ο Νείλος κάνει το αντίθετο από τους άλλους ποταμούς» Ευτέρπη,19

«Μερικοί Έλληνες θέλοντας να φανούν έξυπνοι έδωσαν τρεις εξηγήσεις για τις πλημμύρες του Νείλου. Με τις δύο από τις εξηγήσεις αυτές δεν αξίζει ούτε για να ασχοληθεί κανείς παρά μόνο για να τις αναφέρει» «Η πρώτη είναι ότι τα μελτέμια είναι η αιτία που πλημμυρίζει ο ποταμός γιατί εμποδίζουν τον Νείλο να χύνεται στη θάλασσα… Η δεύτερη εξήγηση… είναι ότι ο Νείλος τα κάνει αυτά επειδή πηγάζει απ ευθείας από τον Ωκεανό που περιβάλλει όλη τη Γη… Η τρίτη εξήγηση ….ότι ο Νείλος προέρχεται από χιόνια που λιώνουν» Ευτέρπη, 20-22

18 Εικόνα 5: Βροχόπτωση στην Αλικαρνασσό

και σε 2 θέσεις του Νείλου

Το αίνιγμα του Νείλου (2/3)

Την τρίτη εξήγηση την θεωρεί πιο αληθοφανή αλλά όχι αληθή. Μεταξύ άλλων αναφέρει: ‘Ο Νείλος περνάει από τη χώρα των Αιθιόπων και ρέει στην Αίγυπτο. Πως λοιπόν μπορεί να έχει την πηγή του σε χιόνια αφού ρέει από θερμότερα κλίματα σε ψυχρότερα’. Ακόμη δίνει τρία επιχειρήματα: ‘Πρώτη και μεγαλύτερη απόδειξη ότι οι άνεμοι που πνέουν από αυτές τις χώρες είναι θερμοί’.΄ Δεύτερη απόδειξη ότι η Αίγυπτος δεν έχει ούτε βροχές ούτε παγωνιές και όταν πέσει χιόνι πρέπει να βρέξει οπωσδήποτε μετά από 5 ημέρες. Έτσι λοιπόν αν χιόνιζε θα έπρεπε αναγκαστικά να βρέχει στα μέρη αυτά’. ΄Τρίτη απόδειξη είναι ότι οι άνθρωποι από την πολλή ζέστη είναι μαύροι. Τα περδικογέρακα και τα χελιδόνια μένουν στην Αίγυπτο όλο το χρόνο και οι γερανοί διωγμένοι από το κρύο που κάνει στη Σκυθία πηγαίνουν σε αυτά τα μέρη. Αν λοιπόν χιόνιζε στη χώρα από την οποία πηγάζει ο Νείλος τίποτα από τα προηγούμενα μπορούσε να υπάρχει’.

Η άποψη του Ηρόδοτου: «Με τις δύο από τις εξηγήσεις αυτές δεν αξίζει ούτε για να ασχοληθεί κανείς παρά μόνο για να τις αναφέρει». Στη συνέχεια σχολιάζει τις τρείς εξηγήσεις και δίνει και τη δικιά του.

Για τη πρώτη εξήγηση αναφέρει: ‘Αλλά πολλές φορές τα μελτέμια δεν εφύσηξαν και ο Νείλος κάνει πάντα τα ίδια. Και πρέπει να προστεθεί ότι αν τα μελτέμια ήταν η αιτία και οι άλλοι ποταμοί, όσοι κυλούν αντίθετα με την από την κατεύθυνση των μελτεμιών να παθαίνουν τα ίδια και μάλιστα σε μεγαλύτερο βαθμό, αφού είναι μικρότεροι και το ρεύμα τους λιγότερο δυνατό. Και υπάρχουν πολλοί ποταμοί στην Συρία και στη Λιβύη που δεν παθαίνουν τίποτα από όσα παθαίνει ο Νείλος’

Η εξήγηση του Ηρόδοτου: ‘Αν αφού απέρριψα τις γνώμες αυτές που ανέφερα, πρέπει να πω και εγώ την δική μου γνώμη για ένα τόσο δύσκολο ζήτημα, θα έλεγα ότι μου φαίνεται πως τον χειμώνα ο ήλιος πάει προς την άνω Λιβύη... Είναι φυσικό η χώρα που βρίσκεται πιο κοντά στο θεό αυτό και ακριβώς κάτω του να έχει μεγάλη έλλειψη υδάτων και τα ποτάμια της να ξεραίνονται...........’

Την δεύτερη εξήγηση την θεωρεί φανταστική που στηρίζεται σε άγνωστο Ομηρικό μύθο ο οποίος δεν μπορεί να ελεγχθεί.

Άλλες ερμηνείες: Οινοπίδης (5ος αιώνας π.Χ) Βασιζόμενος στη θερμοκρασία του νερού μέσα σε βαθιά πηγάδια υπέθεσε, λανθασμένα, ότι τα υπόγεια νερά είναι ψυχρότερα το καλοκαίρι από ότι τον χειμώνα. Τον χειμώνα, όταν το νερό της βροχής εισχωρούσε στο υπέδαφος, θα εξατμιζόταν και πάλι σύντομα εξαιτίας της θερμότητας του εδάφους, ενώ το θέρος, όταν το νερό του υπεδάφους ήταν υποτίθεται ψυχρότερο, θα υπήρχε λιγότερη εξάτμιση. Το επιπλέον νερό θα έπρεπε να διαφύγει με άλλο τρόπο, προκαλώντας έτσι την πλημμύρα του Νείλου. Κλεομίδης (1ος αιώνας μ.Χ) που μεταφέρει απόσπασμα του Ποσειδώνιου (2ος αιώνας π.Χ.). «Επειδή κοντά στον Ισημερινό η διάρκεια της νύκτας είναι ίση με αυτή της ημέρας, υπάρχει χρόνος ώστε το έδαφος να κρυώσει και προκαλούνται βροχοπτώσεις και άνεμοι που ψυχραίνουν τον αέρα. Πράγματι λέγεται ότι υπάρχουν θερινές βροχοπτώσεις στην Αιθιοπία ειδικότερα κοντά στο ηλιοστάσιο οι οποίες προκαλούν τις θερινές πλημμύρες του Νείλου»

19 Εικόνα 6: Χάρτης Νείλου

Βροχόπτωση Χαρτούμ Μέση ετήσια: 155 mm

Παροχή Κυανού Νείλου (Χαρτούμ) Μέση ετήσια τιμή: 1590 m3/s Λεκάνη απορροής: 325*103 km2

Παροχή Νείλου στο Ασουάν

Μέση ετήσια τιμή: 2780 m3/s

Λεκάνη απορροής: 2850*103 km2

Παροχή Atbara Μέση ετήσια τιμή: 375 m3/s

Λεκάνη απορροής: 69*103 km2

Βροχόπτωση Καμπάλα Μέση ετήσια τιμή: 1244 mm

Βροχόπτωση Αντις Αμπέμπα Μέση ετήσια:

1230 mm

Παροχή Λευκού Νείλου (Malakal) Μέση ετήσια τιμή: 940 m3/s

Λεκάνη απορροής: 1080*103 km2

Παροχή Λευκού Νείλου (Mongalia) Μέση ετήσια τιμή: 1100 m3/s

Λεκάνη απορροής: 450*103 km2

Παροχή Λευκού Νείλου (Χαρτούμ) Μέση ετήσια τιμή: 880 m3/s

Το αίνιγμα του Νείλου (3/3) … και η απάντηση από τον Στράβωνα (1ος αιώνας π.Χ.) που μεταφέρει απόψεις του Ερατοσθένη (3ος αιώνας π.Χ): τὸν δ᾽ Ἀστάπουν ἄλλον εἶναι, ῥέοντα ἔκ τινων λιμνῶν ἀπὸ μεσημβρίας καὶ σχεδόν τι τὸ κατ᾽ εὐθεῖαν σῶμα τοῦ Νείλου τοῦτον ποιεῖν: τὴν δὲ πλήρωσιν αὐτοῦ τοὺς θερινοὺς ὄμβρους παρασκευάζειν. Γεωγραφικά 17.1.2

20 Εικόνα 7: Βροχόπτωση και παροχή στο Νείλο

Ερμηνεία παρατηρήσεων με λάθος μοντέλο (1/2)

21 Σχήμα 1: Χρονική εξέλιξη διοξειδίου του άνθρακα και θερμοκρασίας

Republican Senators

Sunspot numbers

Ερμηνεία παρατηρήσεων με λάθος μοντέλο (2/2)

22

Σχήμα 2: Ρεπουμπλικάνοι γερουσιαστές και ηλιακές κηλίδες

Πηγή: Canadian Centre for Climate Modeling and Analysis

Μακροχρόνια πρόβλεψη

23

Εικόνα 8: Μεταβολή της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας (1970-1990 και 2040-2060)

Πηγή: Koutsoyiannis, D., A. Efstratiadis, N. Mamassis, and A. Christofides, On the credibility of climate predictions, Hydrological Sciences Journal, 53 (4), 671–684, 2008.

Μακροχρόνια πρόβλεψη

24

Σχήμα 3: Ασυμφωνία κλιματικών μοντέλων και παρατηρημένων σημειακών τιμών

Μακροχρόνια πρόβλεψη

Lorenz (1963): «ακόμα και με τέλεια μοντέλα και τέλειες παρατηρήσεις η χαοτική φύση της ατμόσφαιρας θα επέβαλε ένα άνω χρονικό όριο περίπου δύο εβδομάδων στην προγνωσιμότητα του καιρού»

Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε η τεχνική του ensemble forecasting – πολλαπλών δειγμάτων κατά την οποία πραγματοποιούνται πολλές προγνώσεις είτε διαφοροποιώντας τις αρχικές συνθήκες ενός μοντέλου είτε χρησιμοποιώντας διαφορετικά μοντέλα. 25

Σχήμα 4: Πρόγνωση καιρού 15 ημερών

Πηγή: Κουτσογιάννης, Δ., Στατιστική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1997.

Xt=k*xt-1*(1-xt-1)

Σύστημα που περιγράφεται μόνο από τη μεταβλητή Xt από τη σχέση:

X1o=0.660001 X2o=0.66

Μεγέθυνση διαταραχών στη χρονική εξέλιξη ενός μη γραμμικού φαινομένου

όπου t ο χρόνος

Χρονική εξέλιξη Χ1t, X2t

Χρονική εξέλιξη Χ1t-X2t

Με ελάχιστα διαφορετικές αρχικές συνθήκες

26 Σχήμα 5: Χρονική εξέλιξη Χ1t-X2t

Προσδιοριστική -Στατιστική -Στοχαστική προσέγγιση

Χωρική κλίμακα

Χρ

ονι

κή κ

λίμ

ακα

Προσέγγιση της απορροής

Ικανοποιητική μοντελοποίηση

Ανεπαρκής μοντελοποίηση

Προσδιοριστική Στατιστική Στοχαστική

27

Κοινή λογική (common sense)

Από τον 16ο αιώνα και μετά την κατασκευή των πρώτων παγκόσμιων χαρτών πολλοί παρατήρησαν ότι τα σχήματα των ηπείρων που χώριζε ο Ατλαντικός Ωκεανός είναι συμπληρωματικά.

Ο Abraham Ortelius στο έργο του Thesaurus Geographicus (1597) διατυπώνει την άποψη ότι η Αμερική διαχωρίστηκε από την Ευρώπη και την Αφρική από σεισμούς και πλημμύρες. Χαρακτηριστικά αναφέρει ότι τα ίχνη του διαχωρισμού αποκαλύπτονται αν απλά κάποιος παρατηρήσει τις ακτές των ηπείρων σε ένα χάρτη.

Το 1912 ο Alfred Wegener διατύπωσε (αξιοποιώντας και τις ιδέες προγενέστερων επιστημόνων) μια ολοκληρωμένη θεωρία, σύμφωνα με την οποία οι ήπειροι κάποτε σχημάτιζαν μια μοναδική εδαφική επιφάνεια πριν μετακινηθούν στην σημερινή τους θέση

Η θεωρία του Wegener γνωστή και ως continental drift δεν έγινε αποδεκτή για περίπου 50 χρόνια από την επιστημονική κοινότητα γιατί δεν είχε εξηγηθεί ο μηχανισμός κίνησης των ηπείρων

Η θεωρία των τεκτονικών πλακών που διατυπώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1960 καθώς και η επεξεργασία γεωλογικών δεδομένων επιβεβαίωσαν την θεωρία του Wegener η οποία έγινε αποδεκτή το 1964

28

Εικόνα 9: Η εξέλιξη των ηπείρων

Απλή ή σύνθετη προσέγγιση?

Ο ρωσικός Στυλογράφος του Αστροναύτη

* Η ιστορία αυτή δεν είναι απόλυτα αληθινή. Η NASA αρχικά χρησιμοποιούσε μολύβι και ποτέ δεν

παρήγγειλε τον στυλογράφο, ο οποίος κατασκευάστηκε από τον Paul Fisher. Ο Fisher που παραθέτει σημαντικά επιχειρήματα για την αναγκαιότητα της εφεύρεσής του, δεν πέρασε το κόστος της στη NASA.

Ο στυλογράφος σταδιακά χρησιμοποιήθηκε από τους Αμερικανούς αλλά και Σοβιετικούς αστροναύτες.

‘Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960 η NASA αντιμετώπισε ένα μεγάλο πρόβλημα. Οι αστροναύτες χρειαζόντουσαν ένα στυλογράφο που να έγραφε σε συνθήκες κενού. Με κόστος 1.500.000 δολαρίων κατασκευάστηκε ο ‘Διαστημικός Στυλογράφος του Αστροναύτη’ (Astronaut Space Pen).

Όταν οι Ρώσοι αντιμετώπισαν το ίδιο πρόβλημα, χρησιμοποίησαν μολύβι’

Πηγή: Internet 1999 - Moscow Times 2000 *

Το μήνυμα της ιστορίας είναι ότι σε κάποιες περιπτώσεις χρησιμοποιούμε πολλούς πόρους (χρόνο, προσπάθεια, χρήματα) για να πετύχουμε μια high-tech λύση, ενώ μια καλή, φτηνή και απλή λύση είναι προφανής.

29

Εικόνα 10: Στυλογράφος του Αστροναύτη

Φειδωλία (Parsimony) και Αποτελεσματικότητα (Efficiency) (1/4)

Η αρχή της φειδωλίας συνιστά στον επιστήμονα να επιλέξει την απλούστερη θεωρία μέσα από αυτές που επαληθεύονται από τα δεδομένα εξίσου καλά

Μοντέλο Α

Μοντέλο Β

Μοντέλο Γ

Μοντέλο Α

Μοντέλο Β

Μοντέλο Γ

30

Σχήμα 6: Ακριβή δεδομένα Σχήμα 7: Δεδομένα με θόρυβο

0

2

4

6

8

10

4 6 8 10 12 14

Βροχόπτωση (mm*100)

Παρ

οχή

(mm

*100

)

1. Q=-0.001*P5+0.0033*P4-0.0166*P3-0.001*P2+0.2984*P+0.7 2. Q=0.79*P-2.39 3. Q=0.125*P1.62

31

Φειδωλία (Parsimony) και Αποτελεσματικότητα (Efficiency) (2/4)

Σχήμα 8: Μοντελοποίηση βροχής P (mm*100) και απορροής Q (mm*100)

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

Βροχόπτωση (mm*100)

Παρ

οχή

(mm

*100

)

Για P>1600 mm η παροχή γίνεται

αρνητική

32

Φειδωλία (Parsimony) και Αποτελεσματικότητα (Efficiency) (3/4)

Σχήμα 9: Εκτίμηση συνάρτησης 5ου βαθμού

Το σήμα συνήθως είναι σχετικά απλό αφού προκαλείται από λίγους και συγκεκριμένους παράγοντες σε αντίθεση με το θόρυβο που προκαλείται από ποικίλους και ανεξέλεγκτους παράγοντες. Το σήμα συνήθως είναι πιο ισχυρό από το θόρυβο αλλά σε κάθε περίπτωση η αρχική εστίαση στο σήμα υποβαθμίζει την ανάκτηση του θορύβου. Έτσι αρχικά ανακτάται σημαντικό ποσοστό του σήματος και στη συνεχεία απαιτείται σημαντική προσπάθεια για την ανάκτηση του θορύβου. Η πρόγνωση συνδέεται με το

μέλλον και η ακρίβεια της αφορά στην προσαρμογή ενός μοντέλου στον πληθυσμό.

Η μετάγνωση συνδέεται με το παρελθόν και η ακρίβειά της αφορά στην προσαρμογή ενός μοντέλου σε συγκεκριμένο δείγμα που προέρχεται από τον πληθυσμό.

Είναι λάθος να δίνεται σημασία στο θόρυβο όταν επιχειρείται η πρόγνωση αφού είναι μη προβλέψιμος. Η ανάκτηση του σήματος βοηθάει την πρόγνωση αλλά η ανάκτηση θορύβου την παρεμποδίζει

Ακρ

ίβει

α

Φειδωλία

Σήμα

Θόρυβος

Πρόγνωση (prediction)

Σήμα - Θόρυβος

Το σήμα παραμένει σταθερό ενώ ο θόρυβος διαφοροποιείται. Έτσι μετρήσεις του ίδιου φυσικού μεγέθους έχουν ίδιο σήμα αλλά διαφορετικό θόρυβο και κατά συνέπεια διαφορετικές τιμές.

33

Φειδωλία (Parsimony) και Αποτελεσματικότητα (Efficiency) (4/4)

Σχήμα 10: Φειδωλία και ακρίβεια

Adaptation or Mitigation (Προσαρμογή ή αντιμετώπιση)

34

Εικόνα 11: Επιπλέοντα σπίτια στην Ολλανδία Εικόνα 12: Κατασκευή προστατευτικών τοίχων

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1927

-28

1931

-32

1935

-36

1939

-40

1943

-44

1947

-48

1951

-52

1955

-56

1959

-60

1963

-64

1967

-68

1971

-72

1975

-76

1979

-80

1983

-84

1987

-88

1991

-92

1995

-96

1999

-00

2003

-04

2007

-08

Ετ

ήσ

ια κ

ατ

αν

άλ

ωσ

η ν

ερο

ύ (

hm

3

)

Μαραθώνας Υλίκη Μόρνος Εύηνος (εκτροπή)

Εύηνος (φράγμα)

Εκστρατείες μείωσης κατανάλωσης-Αύξηση τιμής

Προσαρμογή της ζήτησης

Αύξηση όταν υπάρχει αίσθηση αφθονίας από νέα έργα Μείωση όταν υπάρχει λειψυδρία

35

Εικόνα 13: Ετήσια κατανάλωση νερού

Προσαρμογή των χρήσεων

36

Εικόνα 14: Οικίες κατάντη φράγματος Georgia, USA Εικόνα 15: Θραύση φράγματος στην Ινδονησία (60

νεκροί)

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (1/2) • Εικόνα 1: Προβλήματα των υδατικών πόρων, "Υλικό με μη

προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας."

• Εικόνα 2: Πρόβλημα ύδρευσης στις υποανάπτυκτες χώρες, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας."

• Εικόνα 3: Προσδιοριστικά και πιθανοτικά συστήματα, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας."

• Εικόνα 4: Γεωκεντρικό σύστημα Πτολεμαίου, An illustration of the Ptolemaic geocentric system by Portuguese cosmographer and cartographer Bartolomeu Velho, 1568 (Bibliotèque National, Paris), CC: BY-NC-SA

• Εικόνα 8: Μεταβολή της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας (1970-1990 και 2040-2060), Canadian Centre for Climate Modeling and Analysis, CC: BY-NC-SA

37

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (2/2) • Σχήμα 3: Ασυμφωνία κλιματικών μοντέλων και παρατηρημένων

σημειακών τιμών, Koutsoyiannis, D., A. Efstratiadis, N. Mamassis, and A. Christofides, On the credibility of climate predictions, Hydrological Sciences Journal, 53 (4), 671–684, 2008, CC: BY-NC-SA

• Σχήμα 5: Χρονική εξέλιξη Χ1t-X2t, Κουτσογιάννης, Δ., Στατιστική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1997, CC: BY-NC-SA

• Εικόνα 10: Στυλογράφος του Αστροναύτη, Internet 1999 - Moscow Times 2000, CC: BY-NC-SA

• Εικόνα 11: Επιπλέοντα σπίτια στην Ολλανδία, 2006 KNT, CC: BY-NC-SA

• Εικόνα 12: Κατασκευή προστατευτικών τοίχων, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.“

• Εικόνες τίτλου: "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.“

38

Χρηματοδότηση

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.