Κρίσιμες μεταβολές βασικών θερμοδυναμικών παραμέτρων του κλιματικού συστήματος
Authors: Φωτάκη Ελένη-Φωτεινή 
Published: August 2023

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε με στόχο την μελέτη των μεταβολών των θεμελιωδών θερμοδυναμικών παραμέτρων του κλιματικού συστήματος και των συνεισφορών τους στην κλιματική αλλαγή, η οποία θεωρείται ως αλλαγή κρίσιμων παραμέτρων και καταστάσεων των μη-γραμμικά αλληλεπιδρώντων υποσυστημάτων του (ατμόσφαιρα, κρυόσφαιρα, υδρόσφαιρα, λιθόσφαιρα και βιόσφαιρα). Οι πληροφορίες για τις βασικές παραμέτρους του κλίματος της Γης αντλήθηκαν από επίγεια και δορυφορικά δεδομένα, καθώς και από παγκόσμιες βάσεις δεδομένων. Η ανάλυση των δεδομένων αυτών υλοποιήθηκε με την χρήση σύγχρονων μεθόδων γραμμικής και μη γραμμικής δυναμικής. Η διατριβή αυτή εστίασε κυρίως στη μελέτη της χωρο-χρονικής μεταβολής διαφόρων θερμοδυναμικών παραμέτρων με τη χρήση βασικών εργαλείων ανάλυσης της εντροπίας του κλιματικού συστήματος(κατά Boltzmann-Gibbs και Tsallis) αλλά και μεθόδων γραμμικής αλλά και μη γραμμικής ανάλυσης, όπως είναι η μέθοδος DFA (Detrended Fluctuation Analysis) και «Φυσικού Χρόνου» (Natural Time). Μέσω της διατριβής δίδονται πληροφορίες για την δυναμική εξέλιξη του κλιματικού συστήματος και περιγράφονται οι χωρο-χρονικές μεταβολές που συνθέτουν την πολυπλοκότητά του. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο Κεφάλαιο ερευνάται η μη γραμμική συμπεριφορά της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας θεωρουμένης ως βασικής συνιστώσας του κλιματικού συστήματος. Για το λόγο αυτό πραγματοποιείται αρχικά λεπτομερής περιγραφή των μεθόδων Detrended Fluctuation Analysis (DFA) και Natural Time Analysis (NTA). Στη συνέχεια εφαρμόζεται η μέθοδος DFA στα παγκόσμια δορυφορικά δεδομένα μεταβολών θερμοκρασίας τροπόπαυσης, τα οποία είναι διαθέσιμα από το University of Alabama in Huntsville - UAH, και τα ληφθέντα αποτελέσματα ελέγχονται χρησιμοποιώντας τα κριτήρια Maraun. Έπειτα, οι χρονοσειρές της θερμοκρασίας τροπόπαυσης μετατρέπονται σε χρονοσειρές απόλυτων τιμών ή αλλιώς χρονοσειρές πλάτους και εκφράζονται στο πεδίο του «φυσικού χρόνου» ώστε να εφαρμοστεί εκ νέου η μέθοδος DFA ακολουθούμενη από τα κριτήρια Maraun. Τα τελικά αποτελέσματα αποκαλύπτουν τον εκθέτη DFA να κυμαίνεται μεταξύ 0.8 και 1. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν την διαπίστωση επίμονης συμπεριφοράς κλιμάκωσης της θερμικής τροπόπαυσης σε διάφορα γεωγραφικά πλάτη και μάλιστα με τη μορφή 1/f. Στο δεύτερο κεφάλαιο ερευνάται η συμπεριφορά κλιμάκωσης της τύρφης κατά την περίοδο του Ολόκαινου με στόχο την καλύτερη κατανόηση των παρελθουσών κλιματικών καταστάσεων ώστε να ενισχυθεί η κατανόηση των μελλοντικώνδυναμικών συμπεριφορών του κλιματικού συστήματος. Στο κεφάλαιο αυτό διερευνώνται τα δυναμικά χαρακτηριστικά της ύγρανσης της τύρφης, του επιπέδου κάτω από το οποίο το έδαφος είναι πλήρως κορεσμένο σε νερό (Water Table DepthWTD) αλλά και της θερμοκρασίας του αέρα αναλύοντας παλαιοκλιματικά δεδομένα από την περιοχή Valdai Uplands της Ρωσίας. Η μελέτη πραγματοποιείται μέσω της χρήσης της DFA ακολουθούμενης από τα κριτήρια Maraun αλλά και τηςανάλυσης Εnsemble Empirical Mode Decomposition (EEMD). Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η τύρφη παρουσιάζει επίμονη συμπεριφορά κλιμάκωσης, και πιο συγκεκριμένα με τη μορφή 1/f, γεγονός που δύναται να επιτρέψει την χρήση της τύρφης ως δείκτη της κλιματικής αλλαγής σε μελλοντικές έρευνες. Έπειτα, οι χρονοσειρές μετατρέπονται σε χρονοσειρές «φυσικού χρόνου» και εφαρμόζεται εκ νέου η μέθοδος DFA ακολουθούμενη από τα κριτήρια Maraun. Τα αποτελέσματα της DFA στον Φυσικό Χρόνο αλλά και των κριτηρίων Maraun επιβεβαιώνουν την συμπεριφορά κλιμάκωσης τύπου 1/f για τις παραμέτρους της ύγρανσης της τύρφης και της θερμοκρασίας του αέρα αλλά όχι και της παραμέτρου WTD. Στο τρίτο κεφάλαιο διερευνάται η πολυπλοκότητα και η ποσοτικοποίηση αυτής για μεγάλες χρονοσειρές κλιματικών παραμέτρων μέσω της εφαρμογής της εντροπίας Tsallis στα δεδομένα. Για τον λόγο αυτό αρχικά παρέχεται μια επισκόπηση των διαφορετικών τύπων εντροπίας, και στην συνέχεια η εντροπία Tsallis εφαρμόζεται στα παγκόσμια δορυφορικά δεδομένα μεταβολών θερμοκρασίας τροπόπαυσης, τα οποία είναι διαθέσιμα από το University of Alabama in Huntsville - UAH. Οι προκύπτουσες τιμές εντροπίας Τσάλλη, υπολογισμένες για πολλές τιμές της παραμέτρου μη εκτατικότητας q, παρέχουν επιπλέον πληροφορίες για τη συμπεριφορά κλιμάκωσης της τροπόπαυσης ενώ τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη δυνητική χρησιμότητα της εντροπίας Tsallis ως εργαλείο για την ανάλυση κλιματικών χρονοσειρών.Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια περιεκτική περίληψη των αποτελεσμάτων από τις πολύ-μεθοδολογικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια και εκφράζονται τα συμπεράσματα της διατριβής. Πιο συγκεκριμένα, οι μέθοδοι DFA και NTA εφαρμόστηκαν σε παγκόσμια δορυφορικά δεδομένα μεταβολών θερμοκρασίας τροπόπαυσης, αποκαλύπτοντας τη συμπεριφορά κλιμάκωσης τύπου 1/f της θερμικής τροπόπαυσης. Η μελέτη της τύρφης μέσω των αναλύσεων DFA, NTA, EEMD και Hurst αποκάλυψε ότι υπόκειται και αυτή σε συσχετίσεις μακράς εμβέλειας χαρακτηριζόμενη από επίμονη συμπεριφορά κλιμάκωσης τύπου 1/f, ενώ την ανέδειξε ως χρήσιμο κλιματικό δείκτη για τηνμελέτη των μεταβολών των κλιματικών προτύπων. Η ανάλυση εντροπίας Tsallis κατέδειξε την πολυπλοκότητα των χρονοσειρών με τις διαφορετικές τιμές q να αποκαλύπτουν διακριτά μοτίβα εντροπίας.