ιαχείριση Υδατικών Οικοσυστηµάτων Πληθυσµοί οικολογικών συστηµάτων-στοιχεία Κλιµατολογίας

Transcript

1 ΠΜΣ Επιστήµη και Τεχνολογία Υδατικών πόρων ιαχείριση Υδατικών Οικοσυστηµάτων Πληθυσµοί οικολογικών συστηµάτων-στοιχεία Κλιµατολογίας Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 24 ΓΕΝΙΚΗ ΙΑΡΘΡΩΣΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΙ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Πληθυσµός: οµάδα ατόµων του ίδιου βιολογικού είδους που σε µια συγκεκριµένη χρονική στιγµή ζουν σε ένα χώρο, ώστε να µπορούν να αναπαραχθούν µεταξύ τους είγµα: το υποσύνολο ατόµων ενός πληθυσµού που τα στατιστικά χαρακτηριστικά του χρησιµοποιούνται για να εκτιµηθούν τα χαρακτηριστικά ολόκληρου του πληθυσµού (π.χ. ύψος, βάρος, πυκνότητα, κατανοµήηλικιών) υναµική πληθυσµών: κατ εξοχήν µαθηµατικός κλάδος της Οικολογίας που µελετά τη διαχρονική µεταβολή των πληθυσµών και διερευνά τα αίτιά της Στόχος της πληθυσµιακής οικολογίας: εκτίµηση-πρόβλεψη της χρονικής και χωρικής µεταβολής των πληθυσµών αφθονίας κάθε πληθυσµού στη βιολογική κοινότητα κατανοµής των ατόµων ενός πληθυσµού κατά ηλικία και φύλο ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΓΜΑΤΟΣ Σχήµα στατιστικών επεξεργασιών ΠΛΗΘΥΣΜΟΣ Ν Π ΕΙΓΜΑ (Ν < Ν Π ) ειγµατοληψία Συµπύκνωση πληροφορίας ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΕΡΩΤΗΜΑΤΩΝ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΠΛΗΘΥΣΜΟ Τι πιθανότητα έχει να εµφανιστεί µια τιµή σε συγκεκριµένο διάστηµα Σε τι τιµή αντιστοιχεί κάποια πιθανότητα Εκτίµηση πιθανοτικών µεγεθών ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΙΓΜΑΤΟΣ Μέση τιµή Τυπική απόκλιση Συντελεστής διασποράς Συντελεστής ασυµµετρίας Μοντελοποίηση ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΝΟΜΩΝ Συναρτήσεις κατανοµής και πυκνότητας πιθανότητας Επιλογή θεωρητικής κατανοµής Στατιστικές δοκιµές καταλληλότητας 2

3 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΓΜΑΤΟΣ Προσαρµογή θεωρητικής κατανοµής 2 ΑΤΟΜΑ ΑΝΑ ΚΛΑΣΗ (%) 2 1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟ ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΤΟΜΩΝ (% ΚΛΑΣΕΙΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΚΛΑΣΕΙΣ Γερασµένος πληθυσµός ΗΛΙΚΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ > 6 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ - ΕΤΩΝ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΕ ΚΛΑΣΕΙΣ ΗΛΙΚΙΑΣ (%) ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟ ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ (%) - ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ > 6 ΕΤΩΝ Αναπτυσσόµενος πληθυσµός > 6 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ - ΕΤΩΝ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟ ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ > 6 ΕΤΩΝ Στάσιµος πληθυσµός > 6 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟ ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΕΤΩΝ 2 - ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ > 6 ΕΤΩΝ Επίδραση εξωτερικού συµβάντος > 6 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ - ΕΤΩΝ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟ ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΕΤΩΝ -2 ΕΤΩΝ 2-4 ΕΤΩΝ 4-6 ΕΤΩΝ > 6 ΕΤΩΝ 3

4 ΧΩΡΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ ένδρα (Redwood, Red maple) Πουλιά (Mallard duck, Snail kite) Πηγή: Christopherson, R, Geosystems, σελ. 68 ΧΩΡΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Αποτελέσµατα αναζήτησης από τη βάση δεδοµένων Φιλότης Οχιά Μήλου (Vipera lebetina) Γύπας (Gyps fulvus) 4

5 ΧΩΡΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Αποτελέσµατα αναζήτησης από τη βάση δεδοµένων Φιλότης Φώκια η Μεσογειακή (Monachus monachus) Κέδρος (Juniperus communis communis) ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Παράµετροι µεταβολής πληθυσµού Ρυθµός γεννήσεων (γεννητικότητα) Ρυθµός θανάτων (θνησιµότητα) Ρυθµός µετανάστευσης από ή προς τον πληθυσµό Συµβολή ενός ατόµου στη µεταβολή πληθυσµού Αριθµός απογόνων κάθε περιόδου Εύρος αναπαραγωγικής ζωής Χρόνος πρώτης αναπαραγωγής Χωρητικότητα του συστήµατος Η χωρητικότητα του συστήµατος για συγκεκριµένο είδος είναι ο αριθµός των ατόµων που το σύστηµα µπορεί να υποστηρίξει συνεχώς. Ο πληθυσµός µπορεί να αυξηθεί πάνω από αυτόν τον αριθµό αλλά όχι για µεγάλο χρονικό διάστηµα. ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΧΡΟΝΟΣ

6 ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Εκθετικό µοντέλο Περιγράφει µια απεριόριστη αύξηση του πληθυσµού. Υποθέτει ότι ο πληθυσµός ζει σε άπειρο χώρο και διαθέτει άπειρους πόρους για την ανάπτυξή του. Με βάση την υπόθεση ότι το κάθε άτοµο θα παράγει σταθερό αριθµό απογόνων σε δεδοµένο χρονικό βήµαπροκύπτειτοµοντέλο: dn/dt = r*n Λογιστικό µοντέλο Περιγράφει την εξέλιξη του πληθυσµού εφόσον δεν υπάρχουν ανεξάντλητοι διαθέσιµοι πόροι. Ηαύξησητουµεγέθους εντείνει τον ανταγωνισµό µεταξύ των ατόµων του (ενδοπληθυσµιακός) ή µε τα άτοµα άλλου πληθυσµού (διαπληθυσµιακός), τα οποία προσπαθούν να διεκδικήσουν τους ίδιους πόρους και ειδικότερα τον πόρο που αντιπροσωπεύει ο περιοριστικός παράγοντας. Σε αυτές τις συνθήκες ο πληθυσµός εµφανίζει αυτοπεριορισµό και η χρονική µεταβολή του µπορεί να περιγραφεί από το µοντέλο: dn/dt = r*n-q*n 2 θέτοντας q=r/k έχουµε: dn/dt = r*n(1-n/k) Ν r t Κ ο πληθυσµός ορυθµός µεταβολής το χρονικό βήµα η χωρητικότητα του συστήµατος ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ Ν = ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Παραδείγµατα Εκθετικό µοντέλο Λογιστικό µοντέλο r=.1 r=.4 r= ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ 4 3 Ν= r=.6 r=.3 r=.9 Κ=4 Κ=4 r=.6 r=.9 r=.3 r= ΧΡΟΝΟΣ 2 1 Ν = ΧΡΟΝΟΣ 6

7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Χρονική εξέλιξη παγκόσµιου πληθυσµού 1 1 ΕΚΑΤΟΜΜΥΡΙΑ ΑΤΟΜΑ ΕΚΑΤΟΜΜΥΡΙΑ ΑΤΟΜΑ ΕΠΟΧΗ µ.χ π.χ. µ.χ µ.χ µ.χ µ.χ µ.χ µ.χ µ.χ ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΑ ΧΡΟΝΟΣ ΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ (ΕΤΗ) Χρόνος διπλασιασµού σε διάφορες περιοχές και περιόδους ΕΥΡΩΠΗ ΣΟΒ. ΕΝΩΣΗ Β. ΑΜΕΡΙΚΗ Ν. ΑΜΕΡΙΚΗ ΑΦΡΙΚΗ Α. ΑΣΙΑ Ν. ΑΣΙΑ ΩΚΕΑΝΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ Χρονική εξέλιξη πληθυσµού των µεγαλύτερων πόλεων Οι µαύροι αριθµοί δείχνουν το πληθυσµό τηςπόληςτο1991 (σε εκατοµµύρια κατοίκους) Οι κόκκινοι αριθµοί δείχνουν το ποσοστό του πληθυσµού της χώρας που ζει στη συγκεκριµένη πόλη Πηγή: Arms, K., Environmental Science σελ. 7

8 ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΥΟ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ Συµβίωση: η αύξηση του κάθε πληθυσµού επηρεάζεται θετικά από την παρουσία του άλλου και η αλληλεπίδραση τείνει να οδηγήσει το σύστηµα των δύο πληθυσµών σε ταχύτερη αύξηση ή να διευρύνει τη φέρουσα ικανότητα του περιβάλλοντος Ανταγωνισµός: σχέση δύο πληθυσµών που απαιτούν τους ίδιους περιορισµένους πόρους του περιβάλλοντος (χώρο, τροφή, φως κλπ). Η αρχή του ανταγωνιστικού αποκλεισµού (νόµος του Gause) υποστηρίζει ότι όταν δύο πληθυσµοί διεκδικούν τους ίδιους περιορισµένους πόρους και οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι σταθερές τότε ο ανταγωνισµός τους δεν µπορεί να διαρκέσει απεριόριστο χρόνο. Ένας από τους δύο πληθυσµούς θα αποδειχτεί ικανότερος στη χρησιµοποίηση των πόρων και θα επικρατήσει, ενώ ο άλλος θα εξαφανιστεί Αλληλεπίδραση θηρευτή-θηράµατος: αντιστοιχεί στη γενική τροφική σχέση όπου ένας οργανισµός καταναλώνει έναν άλλον (π.χ αρπακτικό-λεία, φυτοφάγοφυτό, παράσιτο-ξενιστής). Η αλληλεπίδραση αυτή διακρίνεται σε 4 κατηγορίες: Θηρευτές που φονεύουν πολλά θηράµατα (τα περισσότερα σαρκοφάγα και πολλά φυτοφάγα) Θηρευτές που καταναλώνουν µόνο ένα µέρος από πολλά θηράµατα, χωρίς να τα φονεύσουν (τα περισσότερα φυτοφάγα) Θηρευτές που φονεύουν µόνο ένα θήραµα στη διάρκεια της ζωής τους (ορισµένα έντοµα παράσιτα άλλων εντόµων) Θηρευτές που καταναλώνουν ένα µέρος από ένα µόνο θήραµα στη διάρκεια της ζωής τους (τα περισσότερα παράσιτα) ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ Ανταγωνισµός δύο πληθυσµών Εκθετικό µοντέλο Λογιστικό µοντέλο dn 1 /dt = r 1 N 1 -a 21 N 1 N 2 dn 1 /dt = r 1 N 1 -a 21 N 1 N 2 -(r 1 /K 1 )N 2 1 dn 2 /dt = r 2 N 2 -a 12 N 1 N 2 dn 2 /dt = r 2 N 2 -a 12 N 1 N 2 -(r 2 /K 2 )N 2 2 Αλληλεπίδραση θηρευτή-θηράµατος (εξισώσεις Lotka-Volterra) Εκθετικό µοντέλο Λογιστικό µοντέλο dn 1 /dt = r 1 N 1 -a 21 N 1 N 2 dn 1 /dt = r 1 N 1 -a N 21 1 N 2 -(r 1 /K 1 )N 2 1 dn 2 /dt = -r 2 N 2 +a 12 N 1 N 2 dn 2 /dt = -r 2 N 2 +a 12 N 1 N 2 -(r 2 /K 2 )N 2 2 r 1 ορυθµός αύξησης του θηράµατος όταν δεν υπάρχει θηρευτής -r 2 ορυθµός µείωσης του θηρευτή όταν δεν υπάρχει θήραµα a 21, a 12 συντελεστές που ρυθµίζουν την ένταση της αλληλεπίδρασης 8

9 ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ Παραδείγµατα µεβάσητοεκθετικόµοντέλο 2 ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ 1 ΘΗΡΑΜΑ N 1 = r 1 =.3 a 21 =.1 ΘΗΡΕΥΤΗΣ N 2 = r 2 =. a 12 =.1 ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ ΘΗΡΑΜΑ N 1= r 1=.1 a 21=.1 ΘΗΡΕΥΤΗΣ N 2= r 2=. a 12=.1 ΧΡΟΝΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ 2 1 ΘΗΡΑΜΑ N 1= r 1=.1 a 21=.1 ΘΗΡΕΥΤΗΣ N 2= r 2=. a 12= ΧΡΟΝΟΣ 1 2 ΧΡΟΝΟΣ ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ Παραδείγµατα µεβάσητολογιστικόµοντέλο ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ ΘΗΡΕΥΤΗΣ Ν2=3 r 2 =.3 a 12 =. K 2 =12 ΘΗΡΑΜΑ Ν1= r 1 =.1 a 21 =.1 K 1 = 6 ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ ΧΡΟΝΟΣ ΘΗΡΕΥΤΗΣ Ν2=3 r2= a 12=. K2=3 ΘΗΡΑΜΑ Ν1= r1=.1 a 21=.1 K1= 6 ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΤΟΜΩΝ 2 1 ΘΗΡΕΥΤΗΣ Ν2=3 r2=.3 a 12=. K 2=12 ΘΗΡΑΜΑ Ν1= r1=.7 a 21=.1 K 1= ΧΡΟΝΟΣ 1 2 ΧΡΟΝΟΣ 9

10 ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ Παραδείγµατα κατάστρωσης διαφορικών εξισώσεων ύο συστήµατα τριών πληθυσµών Α, Β, Γ µε αντίστοιχα µεγέθη Ν 1, Ν 2, Ν 3 παρουσιάζουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Χαρακτηριστικά συστήµατος 1 Οι Β και Γ είναι θηρευτές του Α Οι Α και Γ έχουν ενδοπληθυσµιακό ανταγωνισµό Οι Β και Γ έχουν διαπληθυσµιακό ανταγωνισµό Οι Β και Γ µειώνονται όταν δεν υπάρχει θήραµα ιαφορικές εξισώσεις dn 1 /dt = r 1 N 1 -a 1 N 12 -a 21 N 2 N 1 -a 31 N 3 N 1 dn 2 /dt = -r 2 N 2 +a 12 N 1 N 2 -a 32 N 3 N 2 dn 3 /dt = -r 3 N 3 -a 3 N 32 -a 23 N 2 N 3 +a 13 N 1 N 3 Χαρακτηριστικά συστήµατος 2 Ο Α είναι σε ανταγωνισµό µε τον Β Ο Γ είναι θηρευτής του Α και δεν έχει άλλη πηγή τροφής Ο Β παρουσιάζει ενδοπληθυσµιακό ανταγωνισµό ιαφορικές εξισώσεις dn 1 /dt = r 1 N 1 -a 21 N 2 N 1 -a 31 N 3 N 1 dn 2 /dt = r 2 N 2 -a 2 N 22 -a 12 N 1 N 2 dn 3 /dt = -r 3 N 3 +a 13 N 1 N 3 Ροή ενέργειας (cal*cm -2 *min -1 *µm -1 ) Απορροφητικότητα ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ O 2 O 3 O 3 H 2 O H H 2 O 2 O CO H 2 O O 3 O H 2 2 O 2 CO 2 CO 2 CO O 2 2 Ηλιακή ακτινοβολία από µελανό σώµα στους6 Κ Εισερχόµενηηλιακήακτινοβολία στην επιφάνεια της γης H 2 O Εξερχόµενη γήϊνη ακτινοβολία από την κορυφή της ατµόσφαιρας Γήϊνη ακτινοβολία από µελανό σώµα στους29 Κ Μήκος κύµατος (µm) 1

11 ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΗΣ ΓΗΣ ΙΑΣΤΗΜΑ ΒΡΑΧΕΑ ΚΥΜΑΤΑ ΜΑΚΡΑ ΚΥΜΑΤΑ 19 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Απορρόφηση από το Ο 3 Απορρόφηση απ τα σύννεφα Απορρόφηση από τους υδρατµούς και τη σκόνη ΩΚΕΑΝΟΙ, Ε ΑΦΟΣ Εισερχόµενη 1 ηλιακή ακτινοβολία Εξερχόµενη ακτινοβολία βραχέων και µακρών κυµάτων ιάχυση απ την ατµόσφαιρα Ανάκλαση απ τα σύννεφα Απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας απ την επιφάνεια Ανάκλαση απ την επιφάνεια 117 Εκποµπή µακρών κυµάτων απ την επιφάνεια Απορρόφηση και εκποµπή απ τα αέρια Απορρόφηση θερµοκηπίου και εκποµπή (CO 2, H 2 O κ.ά.) απ τα σύννεφα 111 Ροή αισθητής θερµότητας (αγωγή, κατακόρυφη µεταφορά) 96 Απορρόφηση µακρών κυµάτων απ την επιφάνεια 7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος (1997) Ροή λανθάνουσας θερµότητας (εξατµιση, διαπνοή) 23 ΟΝΟΜΑ-ΟΓΚΟΣ (%) ΙΟΞΕΙ ΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (CO 2 ).3% ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (1) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΗΪΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Συγκέντρωση C 2 (µέρη στο εκατοµµύριο) ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ Έτος Υ ΡΑΤΜΟΙ (H 2 O) -4% ΜΕΘΑΝΙΟ (CH 4 ).17% CH 4 (ppmv) * ΧΡΟΝΟΣ (έτη πριν)

12 ΟΝΟΜΑ-ΟΓΚΟΣ (%) ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (2) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΗΪΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 31 ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΞΕΙ ΙΟ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ (Ν 2 Ο).3% N 2 O (ppbv) ΕΤΟΣ.3 ΧΛΩΡΟΦΘΟΡΑΝ- ΘΡΑΚΕΣ (CFCs).1% CF 2 Cl 2 (ppbv) ΕΤΟΣ OZON (O 3 ).4% km 8 km 2 km 12 km ΦΩΤΟΪΟΝΙΣΜΟΣ N 2, O 2, O Μονοχρωµατική ακτινοβολία ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Μήκος κύµατος (µm) M.K. <.1µm Π.Η.Ε. =.3% Π.Α. = 1% Μονοχρωµατική ακτινοβολία ΦΩΤΟ ΙΑΣΠΑΣΗ Ο 2 Ο 2 + Υ.Α. =2Ο Μήκος κύµατος (µm) M.K µm Π.Η.Ε. =.1% Π.Α. = 1% 6 km 4 km 2 km ΦΩΤΟ ΙΑΣΠΑΣΗ Ο 3 Ο 3 + Υ.Α. = Ο 2 + Ο Μονοχρωµατική ακτινοβολία Μήκος κύµατος (µm) M.K µm Π.Η.Ε. = 1.7% Π.Α. = 1% ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΟΖΟΝΤΟΣ Ο 2 + Ο + Μ = Ο 3 + Μ Μήκος κύµατος Ποσοστό ηλιακής ενέργειας Ποσοστό απορρόφησης M.K. Π.Η.Ε. Π.Α. ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ ΟΖΟΝΤΟΣ ΑΠΟ ΝΟ Χ, ΝΟ, ΝΟ 2, Cl, ClO Cl + O 3 = ClO + O 2 ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΠΟ ΣΥΝΝΕΦΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΠΟ Υ ΡΑΤΜΟΥΣ Ε ΑΦΟΣ Μονοχρωµατική ακτινοβολία M.K µm Π.Η.Ε. = 4% Μονοχρωµατική ακτινοβολία M.K. >.72 µm Π.Η.Ε. = 3% Μήκος κύµατος (µm) Π.Α. = 17% Μήκος κύµατος (µm) 12

13 ΚΛΙΜΑ Κλίµα ονοµάζεται η σύνθεση των στοιχείων του καιρού για ένα µακρό χρονικό διάστηµα και ορίζεται από το σύνολο των µέσων τιµών των κλιµατικών παραµέτρων (θερµοκρασία, βροχόπτωση, υγρασία κλπ) για µια περίοδο τουλάχιστο 3 ετών Κλιµατική ταξινόµηση ονοµάζεται η διαίρεση των κλιµάτων της γης σε ένα παγκόσµιο σύστηµασυνεχόµενων περιοχών, καθεµιά από τις οποίες ορίζεται από σχετική οµοιογένεια των κλιµατικών παραµέτρων Παράγοντες που επιδρούν στο κλίµα Εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία υνητική και πραγµατική ηλιοφάνεια Γεωγραφικοί παράγοντες (πλάτος, ανάγλυφο, κατανοµή ξηράςθάλασσας, εδαφοκάλυψη, θαλάσσια ρεύµατα) Ατµοσφαιρική πίεση Γενική και τοπική ατµοσφαιρική κυκλοφορία ΚΛΙΜΑ ιακύµανση µηνιαίας θερµοκρασίας ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (oc) KANANGA (ZAIRE) φ=.88 o S, λ=22.4 o E, h=64m 3 ΕΤΟΣ: 23.6 ο C 2 1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (oc) DUNDAS (GREENLAND-DENMARK) φ=76.9 o N, λ=68.8 o W 3 ΕΤΟΣ: -1.4 o C MINSK (ΛΕΥΚΟΡΩΣΙΑ) φ=3.87 o N, λ=27. o E 3 ΕΤΟΣ:. ο C BRASILIA (BRASIL) φ=.78 o S, λ=47.9 o W 3 ATHINAI (GREECE) φ=37.97 o N, λ=23.7 o E, h=17m ΕΤΟΣ: 17.8 o C ΕΤΟΣ: 2.6 ο C MELBOURNE (AUSTRALIA) φ=37.82 o S, λ=144.9 o E, h=3 m ΕΤΟΣ: 14.8 ο C DAKAR (SENEGAL) φ=14.73 o N, λ=17. o W, h=27m ΕΤΟΣ: 24. ο C ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (oc) PUNTA ARENAS (CHILE) φ=3. o S, λ=7.8 o W 3 ΕΤΟΣ: 6.3 ο C 2 1 MCMURDO (ALL COUNTRIES) φ=77.84 o S, λ=166.6 o E 3 ΕΤΟΣ: o C LAGOS (NIGERIA) φ=6.8 o N, λ=3.3 o E, h=4m 3 ΕΤΟΣ: 26. ο C

14 ΚΛΙΜΑ Βασικοί κλιµατικοί τύποι Ηπειρωτικό (Continental). Παρουσιάζεται στο εσωτερικό µεγάλων ηπείρων και χαρακτηρίζεται από το µεγάλο εύρος της θερµοκρασίας σε ετήσια και ηµερήσια βάση Θαλάσσιο (Maritime-marine). Παρουσιάζεται σε περιοχές που είναι κοντά στη θάλασσα και χαρακτηρίζεται από υψηλή σχετική υγρασία και από το µικρό εύρος της θερµοκρασίας σε ετήσια και ηµερήσια βάση Μεσογειακό (Mediterranean). Παρουσιάζεται στη λεκάνη της Μεσογείου και χαρακτηρίζεται από θερµά-υγρά καλοκαίρια και βροχερούς χειµώνες Τροπικό (Tropical). Παρουσιάζεται στις περιοχές βόρεια και νότια του Ισηµερινού µέχρι τα γεωγραφικά πλάτη ο -2 ο. Χαρακτηρίζεται από υψηλές θερµοκρασίες όλες τις εποχές και άφθονη βροχόπτωση (R> mm) και ευνοείται η ανάπτυξη των τροπικών δασών Μουσωνικό (Monsoon). Παρουσιάζεται σε περιοχές που είναι εκτεθειµένες σε µουσώνες και χαρακτηρίζεται από ξηρούς χειµώνες και υγρά καλοκαίρια Ξηρό (Dry). Χαρακτηρίζεται από µικρή βροχόπτωση µε µεγάλη µεταβλητότητα Τούνδρας (Tundra). Τύπος κλίµατος που σχετίζεται µε βλάστηση τύπου τούνδρας. Χαρακτηρίζεται από πολύ χαµηλές θερµοκρασίες για να ευνοηθεί η ανάπτυξη δέντρων, αλλά χωρίς µόνιµη παγοκάλυψη ή χιονοκάλυψη Στέπας (Steppe). Τύπος ηµιάνυδρου αλλά όχι ψυχρού κλίµατος που σχετίζεται µε χαµηλή βλάστηση (χορτάρι, διασκορπισµένοι θάµνοι και µικρά δένδρα) Ορεινό (Highlands). Κλίµα που ρυθµίζεται από τον παράγοντα του υψοµέτρου. Χαρακτηρίζεται από χαµηλή πίεση και έντονη ηλιακή ακτινοβολία ειδικότερα στην υπεριώδη περιοχή ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΚΑΤΑ KOPPEΝ Παραδείγµατα κλιµατικών τύπων ΤΡΟΠΙΚΟ IQUITOS (PERU) φ=3.7 o S, λ=73.2 o W, h=12 m ΚΛΙΜΑΤΙΚ ΟΣ ΤΥΠΟΣ: Af ΕΤΟΣ: 26.1 ο C ΞΗΡΟ RIYADH (SAUDI ARABIA) φ=24.72 o N, λ=46.7 o E, h=63m ΚΛΙΜΑΤΙΚ ΟΣ ΤΥΠΟΣ: BWh ΕΤΟΣ : 2.2 ο C ΥΓΡΟ ΜΕ ΗΠΙΟΥΣ ΧΕΙΜΩΝΕΣ ATHINAI (GREECE) φ=37.97 o N, λ=23.7 o E, h=17 m Κ ΛΙΜΑΤΙΚ ΟΣ ΤΥΠΟΣ: Csa ΕΤΟΣ: 17.8 o C ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) ΕΤΟΣ : mm ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) ΕΤΟΣ :112.7 mm ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) ΕΤΟΣ :394.8 mm ΥΓΡΟ ΜΕ ΨΥΧΡΟΥΣ ΧΕΙΜΩΝΕΣ WINNIPEG (CANADA) φ=49.9 o N, λ=97.2 o W, h=239m ΚΛΙΜΑΤΙΚ ΟΣ ΤΥΠΟΣ: Dfb ΕΤΟΣ : 8 ο C ΠΟΛΙΚΟ MCMURDO (ANTARCTICA) φ=77.84 o S, λ=166.6 o E ΚΛΙΜΑΤΙΚ ΟΣ ΤΥΠΟΣ: EF ΕΤΟΣ : o C ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) ΕΤΟΣ : 13.4 mm ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) ΕΤΟΣ:22. mm 14

15 ΙΩΑΝΝΙΝΑ ΚΟΖΑΝΗ ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΕΤΟΣ: 14.1 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΚΥΜΗ ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΤΡΙΠΟΛΗ ΕΤΟΣ:.4 ΕΤΟΣ: 14.1 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΕΤΟΣ: ΟΡΕΣΤΙΑ Α ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΙΕΡΑΠΕΤΡΑ ΝΑΞΟΣ ΡΟ ΟΣ ΕΤΟΣ: 14.3 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΕΤΟΣ:19. ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΕΤΟΣ: 18.1 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΕΤΟΣ: 18.9 ΜΕΣΕΣ ΜΗΝΙΑΙΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ( o C) ΤΟ ΚΛΙΜΑ ΤΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ (mm) Οι σηµειακές τιµές µηνιαίας θερµοκρασίας υπολογίστηκαν µε βάση τα δεδοµένα της ΕΜΥ για την περίοδο Η επιφάνεια ετήσιας βροχόπτωσης καταρτίστηκε µεβάσητις ισοϋέτιες καµπύλες της ΕΗ για την περίοδο και απεικονίστηκε µετηνµέθοδο της ψηφιδωτής διαµέρισης ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ ΙΑΘΕΣΙΜΑ Ε ΟΜΕΝΑ Παρατηρηµένες χρονοσειρές ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Μηνιαίες θερµοκρασίες στην Κεντρική Αγγλία από το 169 (το µεγαλύτερο οµογενές δείγµα στονκόσµο). Μηνιαίες θερµοκρασίες Ευρωπαϊκών πόλεων (Μόναχο από το 1781, Βιέννη-Βερολίνο- Παρίσι από το 1761). ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ Η πιο γνωστή χρονοσειρά βροχόπτωσης είναι συνδυασµός µετρήσεων από ερασιτέχνες παρατηρητές τον 18 ο και 19 ο αιώνα στην Αγγλία και Ουαλία που την επεξεργάστηκε ο Symons. Στη συνέχεια άλλοι ερευνητές την επέκτειναν προς τα πίσω µέχρι το 1727 και σήµερα συνεχίζεται από την Μετεωρολογική υπηρεσία της Αγγλίας. Στην Κίνα µε βάσηλεπτοµερείς αναφορές για ξηρασίες και πληµµύρες για κάθε έτος σε περισσότερα από 1 σηµεία ερευνητές έχουν δηµιουργήσει χρονοσειρά που αρχίζει από τον ο αιώνα. Αν και δεν προέρχεται από µετρήσεις αλλά από ιστορικές παρατηρήσεις είναι σηµαντική αναφορά για τις κλιµατολογικές συνθήκες. ΑΠΟΡΡΟΗ Έχουν βρεθεί χαραγµένες σε πέτρινη επιγραφή οι στάθµες του Νείλου για το χρονικό διάστηµααπό39-24 π.χ. Πιοαξιόπιστεςαλλάσποραδικέςστάθµες υπάρχουν κατά το διάστηµα µ.χ. Υποκατάστατα (proxy) δεδοµένα Στρωµατωµένοι πυρήνες πάγου, δακτύλιοι δένδρων, απολιθωµένη γύρη, παγετώνες, ίχνη από στάθµη λιµνών, αποθέσεις στον πυθµένα λιµνών και ωκεανών

16 x 1 16 m 3 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Ιστορική εξέλιξη υδροµετεωρολογικών µεταβλητών ιακύµανση του όγκου πάγων Συνολικος όγκος πάγων Max Min έτη πριν από το σήµερα Πηγή: Mason, 1976 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Ιστορική εξέλιξη υδροµετεωρολογικών µεταβλητών Μείωση της στάθµης θάλασσας (m) Αύξηση της παγοκάλυψης (1 6 km 3 ) C -1 C ιακύµανση της θερµοκρασίας, ηλιακής ακτινοβολίας, στάθµης θάλασσας και παγοκάλυψης 3 Καθαρή ακτινοβολία πάνω από 4 N (Vernekar 1972) Καθαρή ακτινοβολία πάνω από 4 N (Milankovitch 193) Χιλιάδες έτη πριν από το σήµερα Παγοκάλυψη 2 Θερµοκρασία αέρα Μεταβολή στην εισερχόµενη ηλίακή ακτινοβολία πάνω από 4 N (1 21 cal/yr) Πηγή: Mason,

17 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Ιστορική εξέλιξη υδροµετεωρολογικών µεταβλητών.8.6 Παρατηρηµένες µέσες θερµοκρασίες αέρα γιατοσύνολοτηςγης.4 Μέση ετήσια τιµή Μέση τιµή πενταετίας Απόκλιση από τη µέση τιµή Πηγή: Christopherson, Έτος ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Αιτίες Πρωτογενείς αιτίες Μεταβολές στην εξερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία Μεταβολές στην ατµοσφαιρική σύνθεση (φυσικές ή ανθρωπογενείς) Αστρονοµικές µεταβολές (απόσταση γης-ηλίου, αζιµούθιο ηλίου) Γεωλογικές µεταβολές ευτερογενείς αιτίες Μεταβολές στην ατµοσφαιρική κυκλοφορία Λειτουργία µηχανισµών αλληλεπίδρασης (αυξανόµενων ή αυτορυθµιζόµενων) Παραδείγµατα Αύξηση των πάγων αύξηση της ανακλαστικότητας µείωση της θερµοκρασίας αύξηση χιονιού και πάγων Αύξηση θερµοκρασίας αύξηση της εξάτµισης και των υψηλών νεφών αύξηση της ανακλώµενης ηλιακής ακτινοβολίας µείωση της θερµοκρασίας Αύξηση θερµοκρασίας αύξηση υδρατµών και διαπνοής των φυτών µείωση του διαλυµένου στους ωκεανούς CO 2 και αύξηση του µεθανίου από τους υγροτόπους αύξηση των αερίων θερµοκηπίου αύξηση θερµοκρασίας. 17

18 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Αστρονοµικές µεταβολές ΙΑΤΑΣΗ ΤΡΟΧΙΑΣ (ORBITAL STRETCH) ΠΕΡΙΟ ΟΣ: 9. ETH ιακύµανση: -% Σηµερινή τιµή: 1.7% ΚΑΜΨΗ ΤΟΥ ΑΞΟΝΑ (AXIAL TILT) ΠΕΡΙΟ ΟΣ: 41. ETH Β φ ΗΛΙΟΣ ΓΗ ΗΛΙΟΣ Ελάχιστή κάµψη φ=21.8 ο Μέγιστη κάµψη φ=24.4 ο Σηµερινή κάµψη φ=23. ο Ν ΓΗ ΗΛΙΟΣ VEGA Ν ΠΟΛΙΚΟΣ ΑΣΤΕΡΑΣ Β ΤΑΛΑΝΤΕΥΣΗ ΤΗΣ ΙΕΥΘΥΝΣΗΣ ΤΟΥ ΑΞΟΝΑ (AXIAL PATH WOBBLE) ΠΕΡΙΟ ΟΣ: 21. ETH ΓΗ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Μεταβολές στην εξερχόµενηηλιακήακτινοβολία ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΑΡΙΘΜΟΥ ΗΛΙΑΚΩΝ ΚΗΛΙ ΩΝ 2 17 ος αιώνας 18 ος αιώνας ος αιώνας 2 ος αιώνας

19 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Πιθανές επιπτώσεις ανόδου θερµοκρασίας Άνοδος στάθµης της θάλασσας που θα οφείλεται κυρίως στη θερµική διαστολή του νερού και δευτερευόντως στην τήξη αλπικών παγετώνων. Αυτό θα έχει αποτέλεσµα τοπληµµύρισµα παραλιακών εκτάσεων και νησιών, αλλοίωση και διάβρωση των ακτών, υποβάθµιση των υδροφόρων οριζόντων Αλλαγές στη χωροχρονική κατανοµή των κλιµατικών παραµέτρων θα επηρεάσουν αρνητικά τη γεωργική παραγωγή, θα εντείνουν την ερηµοποίηση και την συχνότητα των φυσικών καταστροφών (ξηρασίες, πληµµύρες κλπ) Άλλες συνέπειες όπως η µετατόπιση δασών προς τις πολικές περιοχές, διατάραξη οικοσυστηµάτων, υποβάθµιση συνθηκών ζωής σε πόλεις µε τροπικό κλίµα, κατανάλωση ενέργειας για κλιµατισµό και δυσχέρεια λειτουργίας πολλών τεχνικών έργων (φράγµατα, αρδευτικά κλπ) ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ Ανίχνευση τάσεων οκιµή Kendall οκιµήγραµµική συσχέτισης X(t) Χρόνος (t) 8 Ανίχνευση αλµάτων οκιµή Kruscall-Wallis οκιµήδιαφοράςµέσων τιµών X(t) Χρόνος (t) 8 Ανίχνευση περιοδικοτήτων Προσδιορισµός αρµονικών κατά Fourier Περιοδόγραµµα X(t) Χρόνος (t) 19

20 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ahrens, C. D., Essentials of Meteorology, An Invitation to the Atmosphere, West Publishing, Minneapolis, 1993 Arms, K., Environmental Science, Saunders College Publishing, 1994 Manahan S. E., Environmental Science and Technology, Lewis Publishers, New York, 1997 Mason B. J., Towards the understanding and prediction of climatic variations, Quart. J. of the R. Meteorological Society, 1976 Skinner, B. J., and S.C. Porter, The blue planet, An introduction to earth system science, John Wiley & Sons Inc., 199 Κουτσογιάννης,. και Θ. Ξανθόπουλος, Τεχνική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1997 Μαµάσης, Ν., και. Κουτσογιάννης, Σηµειώσεις Υδροµετεωρολογίας - Μέρος B, Έκδοση 2, 176 σελίδες, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 2. Χατζηµπίρος Κ. και Α. Ανδρεαδάκης, Οικολογία για µηχανικούς, Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2 Χατζηµπίρος Κ., Οικολογία, Οικοσυστήµατα και προστασία του περιβάλλοντος, Εκδόσεις Συµµετρία, Αθήνα 21 2