REKLAMA


 

REKLAMA


 

Proces wysychania gleby jest łatwo dostępnym przykładem olbrzymiej złożoności procesów geofizycznych prowadzących do skomplikowanych struktur przestrzennych Proces wysychania gleby jest łatwo dostępnym przykładem olbrzymiej złożoności procesów geofizycznych prowadzących do skomplikowanych struktur przestrzennych www.sxc.hu

Wielkie katastrofy naturalne, których byliśmy świadkami w ostatnich latach, takie jak niespotykana sekwencja powodzi na terenie Polski w 2010 r. czy wybuch wulkanu Eyjafjallajökull na Islandii, a także obserwowane zmiany klimatyczne skłaniają do wielowątkowej refleksji nad naszym stanem wiedzy o planecie, na której żyjemy


Rowinski_Pawel

Autorami tekstu są

Paweł M. Rowiński

Instytut Geofizyki Polska Akademia Nauk, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Prof. dr hab. Paweł Rowiński jest dyrektorem IGF PAN, zajmuje się modelowaniem matematycznym przepływów turbulentnych, procesami rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń oraz rumowisk w powierzchniowych wodach płynących i metodami statystycznymi w hydrogeologii. 

 

Debski_Wojciech

Wojciech Dębski
Instytut Geofizyki Polska Akademia Nauk, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

 

Dr hab. Wojciech Dębski jest profesorem PAN, dyrektorem ds. naukowych IGF PAN, zajmuje się badaniami sejsmiczności indukowanej działalnością górniczą, metodami inwersyjnymi w sejsmologii i numerycznymi technikami modelowania.

 

 


Jednym z aspektów trudności, jakie napotyka nauka w zrozumieniu tego, co dzieje się wokół nas w środowisku naturalnym, jest olbrzymia złożoność i wzajemne przenikanie się i oddziaływanie wielorakich procesów fizyko-chemicznych, często charakteryzujących się skrajnie różnymi skalami czasowymi, energetycznymi itp. Ten skomplikowany, ewoluujący w czasie naturalny system, czyli „żyjąca Ziemia’’, jest dodatkowo poddawany zarówno istotnym wpływom zewnętrznym, jak również modyfikowany jest przez samych mieszkańców Ziemi. Stajemy wobec podwójnego, niezwykle skomplikowanego problemu rozwikłania relacji przyczynowo--skutkowych pomiędzy różnymi zjawiskami i procesami z jednej strony oraz matematycznego opisu tej niezwykle złożonej rzeczywistości z drugiej strony. Warto tu wspomnieć słowa Alfonsa z Kastylii (XIII w.): „Gdyby Bóg poradził się mnie, zanim rozpoczął dzieło tworzenia świata, zaproponowałbym Mu coś mniej skomplikowanego”. Złożoność systemu ziemskiego porażała człowieka od zawsze, od kiedy rozpoczął próby jego zrozumienia.

 

Źródła życia

 

Jakie warunki są konieczne, aby na Ziemi mogło powstać i rozwinąć się życie? Pierwszym elementem, który musimy wziąć pod uwagę, jest zapotrzebowanie na energię. Na powierzchnię Ziemi energia ta dostarczana jest dwoma kanałami. Pierwszym z nich jest energia cieplna pochodząca z wnętrza Ziemi i będąca głównie sumą energii cieplnej z okresu utworzenia Ziemi jako planety oraz ciepła związanego z naturalnymi rozpadami promieniotwórczymi wewnątrz Ziemi. Drugim kanałem dostarczania energii na powierzchnię Ziemi jest absorpcja energii słonecznej. Strumień energii docierającej do Ziemi wynosi około 340 W/D m2, z czego około 30% jest odbijane przez Ziemię, a pozostała część jest absorbowana na powierzchni Ziemi.

 

Skomplikowany wielokorytowy układ meandrujących rzek (wschodnia Syberia) stanowi olbrzymi problem dla poprawnego opisu matematycznego dynamiki przepływu. Fot. Wojciech Dębski Słońce ‒ podstawowe źródło energii, będące de facto olbrzymim reaktorem termojądrowym, jest dla Ziemi równocześnie podstawowym zagrożeniem. Wiatr słoneczny, czyli zjonizowane cząstki powstające w procesach termojądrowych na Słońcu, jest w stanie w bardzo krótkim czasie zniszczyć wszystkie bardziej zaawansowane struktury biologiczne. Elementem systemu pozwalającym na to, żeby na Ziemi było życie, są także zasoby wodne naszej planety, które biorą udział w tzw. cyklu hydrologicznym, łączącym atmosferę z litosferą. Napędzającą siłą tego cyklu jest znów energia cieplna Słońca, dzięki której zachodzi parowanie i unoszenie cząstek wody do atmosfery. Brak wody jest bodaj największym zagrożeniem globalnym dla ludzkości.

 

Dlaczego na Ziemi?

 

Odpowiedź na pytanie, dlaczego na Ziemi mogło powstać życie, kryje się głęboko pod naszymi stopami. Tam bowiem, na głębokości ponad 2900 km, zaczyna się jądro zewnętrzne, będące źródłem pola magnetycznego Ziemi. To właśnie ziemskie pole magnetyczne w obszarze przestrzeni kosmicznej okołoziemskiej powoduje, że prawie cały wiatr słoneczny jest odpychany od Ziemi, chroniąc życie przed wysokoenergetycznymi cząstkami ze Słońca. Cząstki, którym uda się przedostać przez tę warstwę ochronną, trafiają w okolice biegunów magnetycznych Ziemi i ‒ absorbowane w górnych warstwach atmosfery – są źródłem przepięknych zórz polarnych. Słońce oprócz cząstek plazmy wysyła w kierunku kuli ziemskiej także olbrzymie ilości energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Część z tego promieniowania w zakresie widzialnym, podczerwieni, a także bliskiego ultrafioletu jest błogosławieństwem dla życia na Ziemi. Jednakże część ultrafioletowa, promieniowanie rentgenowskie i fale o jeszcze wyższych częstotliwościach są zabójcze dla wszelkich form biologicznych. Z pomocą w usunięciu tej części promieniowania przychodzi atmosfera, która poprzez swój specyficzny skład chemiczny powoduje absorpcję i konwersję tego promieniowania, praktycznie eliminując 99% niebezpiecznego dla życia promieniowania. Obecność gorącego, płynnego jądra zewnętrznego wywołuje w górnym płaszczu Ziemi bardzo silne ruchy konwekcyjne, w wyniku których sztywne masy skalne tworzące skorupę i górny płaszcz poruszają się względem siebie. Ruchy te, choć niewielkie w skali globu, rzędu pojedynczych milimetrów na rok w krajach tektonicznie spokojnych (jak Polska) do kilkunastu centymetrów rocznie (np. Japonia), powodują trzęsienia ziemi, wulkanizm i pochodne katastrofy. Podobnie atmosfera, będąc w stanie bardzo chwiejnej równowagi, gwałtownie reaguje na czynniki zaburzające, prowadząc w efekcie nie tylko do takich katastrof naturalnych jak tajfuny, trąby powietrzne, ale także zjawisk znacznie dłuższych w skali czasu, takich jak katastrofalne susze lub opady. Niezwykle ważnym elementem systemu w kontekście jego złożoności jest klimat, rozumiany jako statystyczny stan atmosfery. Klimat ziemski nie jest oczywiście stały i ulega zmianom na skutek zmian parametrów ruchu obiegowego Ziemi, aktywności Słońca czy też nachylenia osi Ziemi. Ostatnio gorącą dyskusję wywołuje prawdopodobny wpływ człowieka na globalny rozkład przenoszenia energii i masy (wody i powietrza), a w konsekwencji na naturalne trendy klimatyczne. Antropopresja jest zatem stosunkowo nowym, ale niezwykle istotnym elementem, który należy rozważać w próbach zrozumienia skomplikowanego systemu, jakim jest Ziemia.

 

Złożoność natury a matematyka

 

Michał Heller w swojej pasjonującej wędrówce po historii fizyki i kosmologii „Podglądanie Wszechświata” zauważył, że rola doświadczenia sprowadza się do inspirowania, kontrolowania, potwierdzania lub obalania teoretycznych konstrukcji, wgląd do badanego obszaru świata zaś dają nie doświadczenia, lecz struktury matematyczne. Struktury te pozwalają na konstrukcje tzw. modeli matematycznych, czyli uproszczonej reprezentacji rzeczywistości. Bardzo istotnym zagadnieniem przy próbach opisu i analiz jest stopień złożoności tych opisów matematycznych. Niestety, modele mogą być używane jedynie przez najwyższej klasy specjalistów. Modelowanie różnych procesów stanowi bardzo ważne wyzwanie, a skonstruowane modele pozwalają na przewidywanie różnego typu procesów, np. analizę „odpowiedzi” rzek na zmiany w zasilaniu wodą i rumowiskiem. Szczególnego znaczenia nabiera badanie „odpowiedzi” rzek na przepływy powodziowe. Powodzie wywołują kaskadę procesów fizycznych, które zmieniają zarówno sam strumień rzeczny, jak i obszary przybrzeżne – mogą być traktowane jako wielkie naturalne zaburzenia systemu. Pomimo olbrzymiego wysiłku wielu centrów badawczych sukcesy w modelowaniu przepływów powodziowych są wciąż dość umiarkowane, co świadczy o naszych olbrzymich niedostatkach w zrozumieniu procesów.

 

Skomplikowana geometria płaszczyzny rozrywu (uskoku), wzdłuż której nastąpiło przesunięcie gruntu na długości około 15 km i głębokościach około 16 km w czasie trzęsienia ziemi o magnitudzie M=7,3 (Kobe, Japonia 1995 r.). Fot. Wojciech Dębski

 

Konstruując modele matematyczne i zapisując je w abstrakcyjnej matematycznej formie, często napotykamy zasadnicze problemy związane z ich strukturą. Przykładem mogą być równania przepływu. Równania te okazują się niezwykle uniwersalne, opisują zarówno stan atmosfery, przepływy w ocenach, jak i, choć w innej skali, strumieniach rzecznych. Z kolei w czasowej skali geologicznej (miliony lat) są one wykorzystywane do opisu konwekcji materiału w płaszczu Ziemi i związanych z tym zjawisk, na przykład ruchu płyt tektonicznych. Niestety, istnieją olbrzymie problemy z jednoznacznością rozwiązań. Ogromną wrażliwością rozwiązań na zaburzenia warunków początkowych czy też parametrów modelu charakteryzują się tzw. modele chaosu. Tłumaczą one tzw. efekt motyla (wg określenia meteorologa Lorenza) – możliwość wywołania tornado na południu Stanów Zjednoczonych na skutek trzepotu skrzydeł motyla gdzieś w Azji. Natura matematyczna stosowanych równań (ich nieliniowość) tłumaczy również ciągłe niepowodzenia w konstruowaniu długoterminowych prognoz pogody. Fantastycznym przykładem, zjawiskiem wszechobecnym na Ziemi i w jej otoczeniu, jest turbulencja, która jest tak naprawdę wynikiem utraty stabilności. Jest to też zjawisko spędzające sen z powiek wielu uczonym, wciąż bowiem zaskakuje i nie daje się w pełni uchwycić. Przepływy turbulentne, z jakimi mamy do czynienia w atmosferze, plazmie, oceanach, rzekach, charakteryzują się oddziaływaniem na siebie różnych struktur o całym spektrum rozmiarów i czasów żywotności. Te oddziaływania generują fluktuacje prędkości we wszystkich kierunkach. Tylko największe wiry powstają jako wynik niestateczności ruchu uśrednionego. One z kolei, w sprzyjających warunkach, rozpadają się na mniejsze, oddając im część swojej energii. Wraz ze zmniejszaniem skali wirów wpływ tarcia rośnie i staje się istotny, określając rozmiar najmniejszych wirów. W przepływie turbulentnym istnieją zatem wiry o ciągłym spektrum skal, których ruch wzajemnie się na siebie nakłada. To fascynujące zjawisko leży u podstaw procesów mieszania, wymiany masy i energii w wodzie i powietrzu. Jest ono odpowiedzialne również za wiele drobnych anomalii pola magnetycznego ziemskiego.

 

Przewidzieć przyszłość

 

Bardzo istotna w budowaniu modeli matematycznych służących do interpretacji i oceny przeszłych zachowań, ale również badań scenariuszowych czy też prognostycznych jest ocena roli niepewności. Środowisko Ziemi, w którym żyjemy i za które jesteśmy odpowiedzialni, jest niezwykle skomplikowanym systemem wzajemnie połączonych procesów, zwykle nieliniowych o rzadko spotykanej rozpiętości charakterystycznych skal przestrzennych i energetycznych. Złożoność systemu i jego zmiany w czasie, które obecnie możemy śledzić wyrafinowanymi technikami obserwacyjnymi lub próbować odtworzyć z dostępnych nam „zapisów” geologicznych, jest nadzwyczaj skomplikowana. W efekcie przy obecnym stanie wiedzy jesteśmy w stanie tylko wyrywkowo i w krótkim czasie opisywać i modelować, przy akceptowalnym stopniu dokładności, otaczające nas procesy naturalne. Niemniej wysiłek włożony w próbę poznania otaczającego nas świata i jego matematycznego opisu przynosi coraz więcej wymiernych efektów. Rozwój technik obserwacyjnych i stosowanie technik modelowania pozwala w wielu wypadkach istotnie zminimalizować społeczne skutki gwałtownych zjawisk natury, takich jak powodzie, huragany, fale tsunami, a także, choć w mniejszym stopniu, trzęsienia ziemi. Ten ostatni element ciągle „wymyka się nam z rąk”, choć doświadczenia ostatnich lat pokazują, że jesteśmy w stanie nauczyć się żyć niejako w symbiozie z trzęsieniami ziemi.

 

Przepływy turbulentne, choć malownicze i powszechnie spotykane, ciągle pozostają poza naszymi możliwościami pełnego opisu matematycznego. Fot. Paweł M. Rowiński

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Sornette D. (1999). Earthquakes: from chemical alteration to mechanical rupture. Physics Reports, 313, 237-291.
Stacy F.D., Davis P.M. (2008). Physics of the Earth, Cambridge University Press.
Schumm S. (2005). River Variability and Complexity, Cambridge University Press.


© Academia nr 1 (25) 2011

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Nie przeocz

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl