Eduscience

Eduscience

Zachęcamy do wykorzystania danych z monitoringu przyrodniczego, zgromadzonych przez uczniów w projekcie EDUSCIENCE, a także uświadomienia uczniów jak dużą rolę monitoring środowiska odgrywa w badaniach naukowych i codziennym życiu.

W badaniach środowiskowych monitoring procesów zachodzących na powierzchni Ziemi odgrywa znaczącą rolę. Gromadzone informacje są wykorzystywane do celów poznawczych, aby lepiej poznać i zrozumieć naturę badanego zjawiska. Pełnią także rolę informacyjną, a co najważniejsze – ostrzegawczą. Zebrane informacje o środowisku można przetworzyć na ostrzeżeni przed zjawiskami niebezpiecznymi zagrażającymi zdrowiu lub życiu człowieka. Najlepszym przykładem są badania procesów zachodzących w atmosferze. Dane z posterunków meteorologicznych naukowcy na całym świecie wykorzystują do celów badawczych, synoptycy – do sporządzania prognoz pogody, sztaby zarządzania kryzysowego – jako główne źródło informacji umożliwiające podejmowanie działań prewencyjnych w obliczu zjawisk niebezpieczny jak burze, tornada czy powodzie. Na podstawie danych rejestrowanych na posterunkach obserwacyjnych i sporządzanych prognoz są podejmowane decyzje o ewakuacji ludności z obszarów zagrożonych.



Ryc. 1. Lokalizacja stacji pomiarowych na powierzchni Ziemi. SYNOP – synoptyczne stacje powierzchniowe, METAR – lotniskowe stacje pomiarowe, SHIP – stacje zlokalizowane na platformach lub statkach, źródło: ecmwf.int

Obecnie powierzchnię naszej planety pokrywa sieć punktów pomiarowych (Ryc. 1). Pomimo ogromnej liczby i różnorodności posterunków pomiarowych, ich lokalizacja na powierzchni planety nie jest jednolita. Powoduje to, że siatka utworzona przez punkty pomiarowe jest bardzo nieregularna. Analizując Ryc. 1., najwięcej punktów pomiarowych jest zlokalizowanych na półkuli północnej, a znacznie mniej – na półkuli południowej. Większy udział powierzchni pokrytej wodą na półkuli południowej przekłada się na trudności lokalizacyjne stacji. O ile z budową stacji na lądzie nie ma większych problemów, (poza obszarami górskimi), to na wodzie już takie problemy się pojawiają. W celu rozwiązania powyższego problemu, wykorzystywane są boje lub statki wyposażone w instrumenty pomiarowe. Ktoś może zapytać: „A po co nam dane meteorologiczne z Republiki Południowej Afryki, Kongo lub Australii, jeżeli mieszkam w Polsce?!”. Okazuje się, że procesy atmosferyczne zachodzące na Ziemi są ze sobą powiązane (Ryc. 2) (tzw. telekoneksje).



Ryc. 2. Telekoneksje (zależności) pomiędzy różnymi warunkami i zjawiskami meteorologicznymi. (Wet – wilgotno, Dry –sucho, Warm – gorąco), źródło: www.noaa.gov.com

Temperatura wody w Oceanie Spokojnym w pasie od Afryki równikowej do wschodnich wybrzeży Australii kształtuje pogodę i klimat na całej naszej kuli ziemskiej i tylko całościowe dane pozwolą na lepsze poznanie takich zjawisk jak El Niño czy cyrkulacji Brewera–Dopsona (poznanie powyższych zjawisk umożliwiają materiały zgromadzone na platformie multimedialnej projektu EDUSCIENCE). W celu rozbudzenia waszej ciekawości chciałbym zasygnalizować, że atmosferę naszej planety możemy podzielić na trzy komórki cyrkulacyjne, które wspólnie tworzą całość. Jednym ze źródeł informacji pozwalającym na rejestrację procesów zachodzących w poszczególnych komórkach i interakcję pomiędzy nimi są satelity (Ryc. 3).



Ryc. 3. Satelity meteorologiczne zbierające informacje o procesach zachodzących na naszej planecie. Możemy wyróżnić dwie orbity po jakich poruszają się satelity, orbitę zawieszoną 35 800 km nad równikiem (satelity nazywamy wtedy geostacjonarnymi), a także orbitę polarną 800 km nad powierzchnią ziemi (satelity umieszczone na tej orbicie nazywamy biegunowymi).

Niestety ich wykorzystanie jest ograniczone, podstawowe problemy wynikają z rodzaju satelitów, czy obecności chmur i aerozoli atmosferycznych. Satelita okołobiegunowy (Ryc. 3) gromadzi informacje z obszarów nad którymi wiedzie trajektoria jego lotu, z kolei satelita równikowy (Ryc. 3) ze względu na swój zasięg, nie jest w stanie zarejestrować informacji z obszarów biegunowych. Dlatego w dalszym ciągu niezastąpionym źródłem informacji meteorologicznej są dane rejestrowane przez naziemne punkty pomiarowe.

Głównym celem projektu EDUSCIENCE jest podnoszenie kompetencji uczniów w zakresie nauk matematyczno-przyrodniczych, z wykorzystaniem najnowszych technologii. Aby ukazać ważność i trud związany z pomiarami procesów na Ziemi oraz zaznajomić uczniów z problematyką pomiarową, w ramach projektu, 250 szkół zaopatrzonych zostało w stacje meteorologiczne wyposażone w podstawowe instrumenty pomiarowe (http://www.eduscience.pl/strony/monitoring-pomoc). W celu dostosowania trudności zadania do wieku uczestników projektu, monitoring został przygotowany z myślą o czterech etapach kształcenia. Wraz z przejściem na kolejny etap kształcenia wzrastała liczba parametrów meteorologicznych koniecznych do zarejestrowania. Pomiar prowadzony był raz na dobę, następnie za pomocą interfejsu internetowego szkoła przesyłała dane do centrum EDUSCIENCE w Warszawie.


Ryc. 4. Temperatura zarejestrowana przez szkoły dla 12 maja 2015 roku.

Dane były archiwizowane i wykorzystywane do generowania map z informacjami pogodowymi (Ryc. 4) dla obszaru Polski (http://eduscience.pl/monitoring/mapy). W tym miejscu należy zaznaczyć, że podobna procedura wykorzystywana jest przez prywatne, jak i państwowe służby meteorologiczne. Dane rejestrowane są przez wyspecjalizowanych meteorologów – obserwatorów, następnie w postaci depesz synoptycznych SYNOP, METAR przesyłane są do centrów pogodowych, gdzie podlegają analizie. To na ich podstawie kreślone są mapy pogodowe. Niemniej jednak, dane z posterunków meteorologicznych nie tylko pełnią funkcję informacyjną o aktualnej sytuacji pogodowej, ale również wykorzystywane są w celach prognostycznych.

Obecnie niemal każda prognoza pogody bez względu na jej źródło: radio, prasę, telewizję lub internet, bazuje na numerycznej prognozie pogody. Spieszę z odpowiedzią, co to właściwie jest prognoza numeryczna: Jest to prognoza, która tworzona jest w oparciu o równania matematyczne opisujące dynamikę procesów atmosferycznych. A jaką rolę odgrywają w niej dane z monitoringu przyrodniczego? Dane ze stacji pomiarowych wykorzystywane są jako dane w równaniach matematycznych. Jak to działa w praktyce postaram się przedstawić pokrótce poniżej. W celu pozycjonowania naszego położenia na kuli ziemskiej, podzieliliśmy Ziemię za pomocą siatki stworzonej z południków i równoleżników na części (Ryc. 5).

Ryc. 5. Siatka stworzona z południków i równoleżników, kolorem czerwonym zaznaczony został węzeł.

Dzięki podziałowi powierzchni Ziemi za pomocą siatki wiemy, że współrzędne geograficzne dla miasta Warszawa to 52.259 stopni szerokości geograficznej północnej oraz 21.020 stopni długości geograficznej wschodniej. Punkt przecięcia południka i równoleżnika o podanych współrzędnych, nie tylko pokazuje nam, gdzie zlokalizowana jest Warszawa, ale również tworzy węzeł (Ryc. 5). Tworząc prognozę dla obszaru Polski, obliczenia prowadzone są dla węzłów. Węzły w zależności od rozdzielczości modelu mogą być blisko lub daleko od siebie, może ich być więcej lub mniej. Jeżeli zależy nam na prognozie o dużej precyzji, wtedy stosujemy model pogodowy, gdzie węzły są blisko siebie i jest ich bardzo dużo. W obecnie wykorzystywanych modelach prognoz pogody odległości pomiędzy punktami wahają się od 60 km do 500 metrów. Modele pracujące w rozdzielczości 60 km to modele globalne obejmujące swoim zasięgiem całą kulę ziemską. Z kolei modele pogodowe pracujące w rozdzielczości 500 metrów to modele regionalne, za ich pomocą tworzone są prognozy pogody dla obszaru kraju. A co z naszymi pomiarami ze stacji pogodowych? Dane ze stacji meteorologicznych odgrywają trojaką rolę, służą do zasilania prognoz na początku pracy modelu, wykorzystywane są jako dane dodatkowe – korygującego jego pracę w trakcie obliczeń, a także służą do weryfikacji i oceny pracy modelu. W momencie kiedy dane ze stacji pomiarowych trafiają do centrum obliczeniowego, nanoszone są na siatkę odwzorowującą siatkę z węzłami, na której pracuje model. Niestety, ze względu na to, że jest to tylko model numeryczny, który stanowi kopię procesów zachodzących w atmosferze, nie możemy w wyniki generowane za jego pomocą ufać w 100%. Zapewne każdy na własnej skórze przekonał się, że mimo sprzyjających prognoz pogody na weekend i związanych z tym planów wycieczki, musiał zostać w domu, ponieważ pogoda pokrzyżowała mu szyki. Jednym ze sposobów minimalizacji powyższego problemu jest korekcja pracy modelu w czasie jego działania. Głównym założeniem w tym podejściu jest zminimalizowanie różnic w danych generowanych przez model a danych obserwowanych na stacji pogodowej. Ostatnim etapem jest weryfikacja i ocena prognozy generowanej przez model. Etap ten opiera się na porównaniu wybranych parametrów meteorologicznych obliczonych za pomocą modelu numerycznego, z danymi zarejestrowanymi przez posterunki pomiarowe.

W Instytucie Geofizyki PAN modele prognoz pogody są wykorzystywane jako wsparcie w badaniach procesów zachodzących w atmosferze. Pochodną pracy modelu numerycznego jest prognoza pogody. Rejestrowane przez was dane zestawione zostały z danymi z modelu numerycznego (Ryc. 6), dzięki czemu uzyskaliśmy informacje, dla którego obszaru należy jeszcze nasz model dopracować.


Ryc. 6. Zestawienie danych temperaturowych zarejestrowanych przez szkoły, a także dane uzyskane z modelu w dniu 19 marca 2014 roku.

W analizie wykorzystaliśmy dane z okresu od marca do listopada 2014 roku. W celu wizualizacji uzyskanych wyników przygotowana została aplikacja internetowa (https://aquavirgo.shinyapps.io/monit2/). Dane przedstawione zostały w postaci wykresów, tabel, map oraz statystyk końcowych, co w znacznym stopniu ułatwia analizę i wyselekcjonowanie stacji dla których numeryczna prognoza pogody miała największe błędy. Oprócz informacji graficznej w zakładce statystyka zestawione zostały najważniejsze informacje. Bazując na tych informacjach, wytrawny obserwator jest w stanie wyznaczyć ekstremalne temperatury zarejestrowane przez stacje monitoringu przyrodniczego (Ryc. 7) lub temperaturę przeciętną, zaopatrzony w te informacje w zakładce tabela może odszukać szkoły, dla których powyższa wartość została zmierzona (Ryc. 8).


Ryc. 7. Maksymalna temperatura zarejestrowana przez stację monitoringu przyrodniczego w dniu 19 marca 2014 roku.

Ryc. 8. Najwyższa temperatura w dniu 19 marca 2014 roku zarejestrowana została w szkole w miejscowości Obrowo (kolor czerwony). Dodatkowo istnieje możliwość zapisu danych w postaci pliku Excel (kolor niebieski), dzięki czemu mogą one zostać wykorzystane jako dane na lekcjach matematyki, przyrody czy geografii.


Miłej zabawy!!!

Tekst: Jakub Guzikowski

Ilustracje, przy których nie podano źródła: Jakub Guzikowski


Zegarmistrzowie języka

Postrzeganie czasu jest dla funkcjonowania ludzkiego umysłu kluczowe. Jego zaburzenie powoduje trudności np. w komunikacji językowej. Prowadzone przez nas badania pokazują, jak można naprawić zepsuty „zegar neuronalny” u osób z trudnościami…

Czytaj więcej

Co ma tundra do dwutlenku węgla?

Tundra to przykład biomu, czyli obszaru o określonym świecie roślinnym i zwierzęcym w danej strefie klimatycznej. Występuje głównie na półkuli północnej na obszarze Arktyki i pokrywa ok. 20% powierzchni Ziemi.

Czytaj więcej