Новая наука экологических приложений

ЗЕМЛЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Новая наука
экологических приложений
ДЖЕФ ДОЗЬЕ
(JEFF DOZIER)
University of California,
Santa Barbara
УИЛЬЯМ Б. ГЕЙЛ
(WILLIAM B. GAIL)
Microsoft
Н
аука о Земле и окружающей среде прошла два больших этапа и входит в третий. На первом этапе, который завершился два десятилетия назад, наука о
Земле и окружающей среде была в большой мере
ориентирована на дисциплину и сфокусирована на получении знаний в геологии, химии атмосферных процессов, экосистемах и других аспектах Земли.
В 1980-х гг. научное сообщество осознало тесную взаимосвязь этих дисциплин и начало изучать их как взаимодействующие элементы единой системы. На втором этапе возникла
парадигма науки о Земле. С ней пришла возможность понимания сложных системно-ориентированных феноменов, таких как изменение климата, которые объединяют концепции
науки об атмосфере, биологии и поведении человека. Крайне
важной для изучения взаимодействующих систем Земли была
возможность сбора, управления и предоставления данных
спутниковых наблюдений. Параллельно с этим были разработаны новые модели для выражения нашего растущего понимания сложных процессов в динамике системы Земли [1].
На новом, третьем этапе, научные знания дополняются
знаниями, созданными для практических применений. Это
новое направление знаний можно назвать наукой приложений окружающей среды. Изменение климата является самым
ярким примером важности этого перехода. До сегодняшнего
дня научное сообщество по вопросам климата было сфокусировано на критических вопросах, которые включали базовые
знания от измерения величины изменения до определения
причин. Теперь, когда уже получено базовое понимание, возникает потребность в знаниях программного обеспечения для
климата. Как можно количественно оценить и отслеживать
ЧЕТВЕРТАЯ ПАРАДИГМА
13
общую биомассу лесов, чтобы рынки эмиссионных квот могли охарактеризовать его выбросы? Какое влияние оказывают региональные изменения в водных
ресурсах на демографические тренды, показатели сельского хозяйства и производство электроэнергии? В какой степени морские дамбы и другие конструкции, необходимость в которых вызвана повышением уровня моря, влияют на
побережье?
Ответы на эти вопросы дает фундаментальная наука, но они вызывают дополнительные проблемы, которые можно решить только посредством новой
научной дисциплины, сфокусированной именно на приложениях, которая объединяет физические, биогеохимические, инженерные и человеческие процессы.
Эти основные вопросы отражают фундаментальную пытливость в отношении
самой природы мира, в котором мы живем, и которая сдерживается пониманием того, что важность вопроса растет вместе с его соответствием требованиям общества. Как заметил лауреат Нобелевской премии и министр энергетики
США Стивен Чу (Steven Chu): «Мы ищем решения. Мы больше не ищем — могу
ли я сказать так? — просто научные факты» [2].
Чтобы проиллюстрировать взаимосвязь фундаментальной науки и приложений, подумайте о роли стока талых вод в запасах воды. Во всем мире 1 млрд
человек зависит от таяния снегов или ледников, обеспечивающих запасы воды
[3]. Конструкция и принципы работы систем водоснабжения традиционно полагались на исторические измерения стационарного климата вместе с эмпирическими взаимосвязями и моделями. С изменением климата и землепользования,
ростом и перемещением населения, а также с устареванием созданных нами
систем эти эмпирические методы управления нашими водными запасами стали неточными — это ребус под названием «стационарность умерла» [4]. Талые
воды обычно дают воду для различных целей: городское и сельскохозяйственное
водоснабжение, гидроэнергетика, мелиорация и экосистемы. Во многих районах
идут и дожди, и снег, что приводит к мысли о том, что будущий, более теплый
климат, даст большую долю осадков в виде дождей, с поступлением воды за несколько месяцев до пиковых потребностей сельского хозяйства, и более быстрые
стоки, которые вызовут большее количество наводнений. В этих смешанных
системах со снегом и дождем потребность общества заключается в следующем:
«Как можно сохранить контроль над наводнениями и выгоды, которые вода
дает людям и экосистемам, если изменения во времени и величине стоков, скорее всего, сделают существующую инфраструктуру неадекватной?»
Чтобы разработать решения в ответ на требования общества, необходимо
более фундаментальное понимание, основанное на процессе круговорота воды
в природе. В настоящее время практиками и решениями для систем защиты от
наводнений и водоснабжения управляют исторические данные. Противопаводковые мероприятия и объемы водохранилищ определяются распоряжениями,
которые статичны и не учитывают тип гидрологического года, текущее состояние снежной массы или риск наводнения. На протяжении многих лет ранние
талые воды не сохранялись, так как основанные на статистике предположения в
14
ЗЕМЛЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
отношении наводнений не реализовывались ввиду отсутствия снега. Чем дальше
будет идти потепление, тем чаще подобные случаи будут влиять на запасы воды
[5]. Связанные с этим научные задачи таковы: (1) Используемые сейчас статистические методы не пытаются оценивать баланс воды в бассейнах, и при наличии существующих сетей измерений даже в США нам не хватает необходимой
информации о количестве снега в бассейнах; (2) Мы не можем разделить воду,
поступающую в виде дождя и снега, или разделить этот снег и дождь между эвапотранспирацией и стоками; (3) Нам не хватает знаний для управления взаимосвязью между снежным покровом, лесами и углекислотой; (4) Прогнозы стока, не
основанные на физических принципах, относящихся к таянию снегов, зачастую
неточны; и (5) Мы не знаем, какие стимулы и организационные мероприятия
обеспечат лучшее управление водосборными бассейнами для услуг экосистемы.
В целом модели не учитывают такие типы взаимодействий, а следовательно,
и необходимость науки приложений для окружающей среды. Ее ключевые характеристики отличают ее от фундаментальной науки о Земле и окружающей
среде:
• Управление от потребности против управления от пытливости. Фундаментальная наука управляется вопросами; в отличие от нее, новая прикладная
наука управляется в большей степени общественными нуждами, чем научным интересом. Вместо поиска ответов на вопросы она сосредоточена на создании возможности для поиска образа действий и определения их последствий.
• Внешние ограничения. Внешние обстоятельства зачастую определяют, когда и как потребуются знания и приложения. Процесс создания рынков квот
на выбросы углерода не будет ждать, пока мы полностью подсчитаем количество углерода в лесах. Это произойдет согласно графику, продиктованному политикой и экономикой. Процессы строительства и ремонта городской
инфраструктуры водоснабжения не будут ждать, пока ученые разберутся в
глобальных изменениях климата. Прикладная наука должна быть готова к
обслуживанию действий, вызванных такими внешними механизмами, без
привязки к академическим графикам, которые описывают время и методы
для наилучшего получения знаний.
• Последовательность и рекурсивность. Действия, возникающие из наших знаний о Земле, зачастую изменяют ее, что создает необходимость в новых знаниях о том, что мы изменили. Например, чем больше мы узнавали о местонахождении популяций рыб, тем больше эти популяции истощались. Наши
исходные данные о них быстро устаревали в результате наших же собственных действий. Прикладная наука ищет понимания не только этих аспектов
Земли, на которые направлены отдельные сценарии использования, но и
последствий и внешних эффектов, которые возникают в результате такого
сценария использования. Свежий пример — перевод сельскохозяйственных
ЧЕТВЕРТАЯ ПАРАДИГМА
15
угодий на выращивание зерновых для получения этилового спирта: попытка
компенсации изменений климата, которые мы видим сейчас в форме существенного сокращения водных ресурсов.
• Полезность даже в незавершенном виде. Как показывает пример снежной
массы, действия часто бывают необходимы, несмотря на неполные данные
или частичные знания. С учетом утраты постоянства, связанного с изменением климата, особенно смущает неуверенность в качестве наших знаний.
Следует разработать новые средства эффективного использования частичных знаний, включая надежные механизмы составления выводов и статистической интерпретации.
• Масштабируемость. Знания фундаментальной науки не всегда масштабируются для поддержки требований приложений. Превосходная иллюстрация — это пример торговли квотами на выбросы углерода. Фундаментальная
наука говорит нам, как соотнести содержание углерода с измерениями типа
и плотности вегетации, но она не дает нам инструментов для масштабирования на мировые запасы. Необходимо создать новые инструменты знаний
для точного создания и обновления этих запасов посредством экономичных
дистанционных датчиков или других средств.
• Надежность. Люди, ответственные за принятие решений, обычно имеют
ограниченное понимание того, как были получены знания, которыми они
руководствуются, и в каких ситуациях применимы эти знания. Чтобы исключить ошибки, знания должны быть описаны очень надежными терминами.
Они должны быть устойчивыми во времени и не поддаваться воздействию
индивидуальных интерпретаций, изменяющих контекст и особые условия.
• Использование большого количества данных. Фундаментальная наука по
праву использует большое количество данных, но источники данных, которые ее поддерживают, зачастую недостаточны для поддержки приложений.
Локализованные воздействия с глобальным масштабом, например, попадание инвазивных видов, часто бывает сложно проверить в централизованных
проектах с небольшим количеством исследователей. Необходимо определить новые, подходящие для приложений источники, и разработать новые
методы наблюдений (включая использование сообществ в качестве источников сбора данных).
Каждая из этих характеристик предполагает разработку новых типов знаний
и новых инструментов для получения этих знаний. Пример снежной массы иллюстрирует, что это требование означает для отдельного направления. Именно
теперь появились все четыре компонента, которые вместе дают возможность
развертывания системы измерений и информации, способной поддерживать
решения в масштабах крупных речных бассейнов: (1) точные и подтвержденные
спутниковые оценки заснеженных участков всех горных районов; (2) надежные
16
ЗЕМЛЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
и недорогие датчики и системы телеметрии для снега и почвенной влаги; (3)
данные социальных наук, которые дополняют данные природных и инженерных систем для того, чтобы появилась возможность анализа принятия решений
человеком; и (4) развитие киберинфраструктуры для интеграции данных и их
передачи практически в реальном масштабе времени.
Научная задача максимальной важности для речных бассейнов с преобладанием снега — это оценка пространственного распределения и разнородности
эквивалентного слоя воды, то есть количества воды, которая может образоваться
при таянии снега. Так как после выпадения снега он перераспределяется под действием ветра, снег на поверхности располагается более разнородно, чем дожди,
с разницей в несколько метров на расстоянии 10—100 м. Разнородность глубины
снега сглаживает ежедневные стоки за счет разной длительности таяния снежной
массы [6]; сезонно она образует квазиприводные зоны повышенной влажности
почвы, которые сохраняются до лета. Такой метод оценки эквивалентного слоя
воды включает в себя несколько задач с использованием усовершенствованных
данных: (1) расширенная проверка спутниковых оценок снежного покрова и его
отражения, как показано на рисунке 1; (2) использование результатов реконструкции баланса энергии снежного покрова для улучшения интерполяции от
более расширенных наземных измерений и спутниковых данных [7]; (3) разработка новых методов, чтобы характеризовать разнородность [8]; и (4) тестирование интерполированных оценок на модели пространственно-распределенных
стоков [9]. Измерения также могут помочь определить точность оценок осадков
из моделей регионального климата.
Третий этап науки о Земле и окружающей среде будет развиваться в следующем десятилетии, так как научное сообщество начинает его использовать.
Метеорология уже создала устойчивые возможности в прикладной науке;
наибольшая часть науки о Земле должна перенять и развить этот опыт. Необходимость в фундаментальной науке и дальнейших открытиях не исчезнет, а
будет дополнена и расширена этим новым этапом. Стоящие вопросы имеют как
практическую важность, так и интеллектуальную привлекательность. Придут
ли в упадок наши навыки гидрологических прогнозов, когда изменения осадков
устранят ценность статистики, полученной из исторических шаблонов? Где возникнет следующая крупная проблема изменения климата, и какие сегодняшние
действия смогут помочь нам ее предвидеть?
Также важно улучшать применение этих знаний в нашей ежедневной жизни.
Интернет и мобильные телефоны, с их глобальным охватом, дают новые методы
быстрого и широкого распространения информации. У нас была информация,
которая могла исключить большую часть разрушений от цунами в Азии и урагана Катрина, но у нас не было инструментов для быстрого принятия решений и
коммуникации по необходимым действиям.
Таким образом, прикладная наука является интегративной. Она объединяет
понимание физических феноменов и исследований в таком виде, чтобы люди и
организации могли использовать улучшенные знания для принятия решений.
Общество в целом также может вносить важный вклад в локализованные на-
ЧЕТВЕРТАЯ ПАРАДИГМА
17
Высота над уровнем
моря, км
0
1
2
3
MODIS, 19 января 2008 г.
Полосы 2,4,3 (RGB)
4
Распределение
снежного покрова
0
ССЫЛКИ
0.25 0.5 0.75 1.0
41N
40N
39N
38N
37N
36N
35N
122W
120W
118W 122W
120W
118W 122W
120W
118W
РИСУНОК 1.
Иллюстрация типа данных, полезных для анализа снежного покрова. В левой части показаны высоты Сьерра-Невада и Калифорнийской долины, вместе с частью северо-западной Невады. В центральной части — необработанные спутниковые данные в трех полосах спектра (0,841—0,876,
0,545—0,565 и 0,459—0,479 мкм), полученные от сканирующего спектрорадиометра среднего
разрешения (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometerfrom) (MODIS) NASA, который предоставляет ежедневные глобальные данные в разрешении 250—1000 м в 36 полосах спектра. Из
семи «наземных» полос с разрешением 500 м мы получили распределение снежного покрова — то
есть доли каждой 500-метровой ячейки, покрытой снегом, что показано в правой части [10].
[1] National Research council, Earth Observations from Space: The First 50 Years of
Scientific Achievement. Washington, D.c.: national Academies Press, 2007.
[2] R. DelVecchio, «Uc Berkeley: Panel looks at control of emissions», S.F. Chronicle,
March 22, 2007.
[3] T. P. Barnett, J. c. Adam, and D. P. Lettenmaier, «Potential impacts of a warming
climate on water availability in snow-dominated regions», Nature, vol. 438, pp.
303—309, 2005, doi: 10.1038/nature04141.
[4] P. c. D. Milly, J. Betancourt, M. falkenmark, R. M. Hirsch, Z. W. Kundzewicz, D. P.
Lettenmaier, and R. J. stouffer, «Stationarity is dead: whither water management?»
Science, vol. 319, pp. 573—574, 2008, doi: 10.1126/science.1151915.
[5] R. c. Bales, n. P. Molotch, T. H. Painter, M. D. Dettinger, R. Rice, and J. Dozier,
«Mountain hydrology of the western United states», Water Resour. Res., vol. 42,
W08432, 2006, doi: 10.1029/2005WR004387.
[6] J. D. Lundquist and M. D. Dettinger, «How snowpack heterogeneity affects
diurnal streamflow timing», Water Resour. Res., vol. 41, W05007, 2005, doi:
10.1029/2004WR003649.
[7] D. W. cline, R. c. Bales, and J. Dozier, «Estimating the spatial distribution of snow
in mountain basins using remote sensing and energy balance modeling», Water
Resour. Res., vol. 34, pp. 1275—1285, 1998, doi: 10.1029/97WR03755.
[8] N. P. Molotch and R. c. Bales, «Scaling snow observations from the point to the grid
element: implications for observation network design», Water Resour. Res., vol. 41,
W11421, 2005, doi: 10.1029/2005WR004229.
[9] C. L. Tague and L. e. Band, «RHessys: regional hydro-ecologic simulation system—
an object- oriented approach to spatially distributed modeling of carbon, water, and
nutrient cycling», Earth Int., vol. 19, pp. 1—42, 2004.
[10]T. H. Painter, K. Rittger, c. McKenzie, R. e. Davis, and J. Dozier, «Retrieval of
subpixel snow- covered area, grain size, and albedo from MODIs», Remote Sens.
Environ., vol. 113, pp. 868—879, 2009, doi: 10.1016/j.rse.2009.01.001.
блюдения Земли, дополняя ограниченные сети спутников и датчиков такими
простыми устройствами, как камеры мобильных телефонов. Для нового этапа
развития науки об окружающей среде возможность использования этих новых
способов сбора данных станет важной задачей.
Безопасность и благосостояние почти 7 млрд человек все больше зависит от
нашей возможности собирать и применять информацию об окружающем нас
мире. Фундаментальная наука об окружающей среде дала отличную стартовую
точку. Сейчас мы должны развить это в надежную науку экологических приложений.
18
ЗЕМЛЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
ЧЕТВЕРТАЯ ПАРАДИГМА
19