Chương 2. Ngành khoa học mới bắt nguồn từ những ứng dụng trong lĩnh vực môi trường

Trở về Mục lục cuốn sách

Jeff Dozier | University of California, Santa Barbara
William B. Gail | Microsoft

Khoa học về Trái đất và môi trường đã trưởng thành qua hai giai đoạn chính và đang bước vào giai đoạn thứ ba. Trong giai đoạn đầu tiên, vốn đã kết thúc cách đây hai thập kỉ, khoa học Trái đất và môi trường đa phần là mang tính chuyên môn và tập trung vào việc phát triển kiến thức về địa chất, hóa học khí quyển, hệ sinh thái, và các lĩnh vực khác của hệ Trái đất. Đến thập niên 1980, cộng đồng khoa học đã nhận ra sự ràng buộc chặt chẽ giữa các chuyên môn này và bắt đầu nghiên cứu chúng như những thành tố của một hệ thống đơn nhất. Trong suốt giai đoạn thứ hai này, mẫu hình của khoa học hệ thống Trái đất đã xuất hiện. Đi cùng nó là khả năng hiểu được các hiện tượng phức tạp, có tính hệ thống như biến đổi khí hậu, vốn kết nối giữa các khái niệm về khoa học khí quyển, sinh học, và hành vi loài người. Điều cốt yếu để nghiên cứu các hệ thống tương tác trên Trái đất là khả năng tiếp nhận, xử lý, và làm các dữ liệu từ vệ tinh trở nên sẵn có; và đồng thời, các mô hình mới đã được xây dựng để thể hiện những ý tưởng đang phát triển của chúng ta về các quá trình phức tạp bên trong hệ thống Trái đất đầy biến động [1].

Trong giai đoạn thứ ba mới xuất hiện này, kiến thức được phát triển, chủ yếu cho mục đích hiểu biết khoa học, được bổ trợ bởi kiến thức tạo ra nhằm vào các quyết định và hành động thực tế. Sự nỗ lực về mặt kiến thức này còn được gọi đến với tên khoa học dành cho những ứng dụng môi trường. Biến đổi khí hậu chính là một ví dụ điển hình cho vai trò của sự thay đổi này. Đến bây giờ, cộng đồng khoa học khí hậu đã tập trung vào những câu hỏi cốt yếu liên quan tới kiến thức cơ bản, từ việc đo đạc lượng thay đổi đến xác định các nguyên nhân. Với những hiểu biết cơ bản giờ đã được xây dựng vững chắc, nhu cầu đối với các kiến thức liên quan đến ứng dụng về khí tượng đang trỗi dậy. Bằng cách nào mà ta có thể định lượng và theo dõi tổng sinh khối của rừng cây sao cho các thị trường các-bon1 và có thể mô tả được những đặc điểm của nguồn cung? Đâu là các ngầm định của sự dịch chuyển trong từng vùng về tài nguyên nước theo diễn biến dân cư, lượng nông sản, và năng lượng sản xuất được? Những tường chắn sóng và các giải pháp chống nước biển dâng sẽ ảnh hưởng đến bờ biển ở phạm vi nào?

Những câu hỏi trên đều do khoa học cơ bản đạt ra, nhưng chúng gây nên những vấn đề bổ sung khác mà chỉ có thể được nhận định giải quyết bởi một ngành khoa học mới chuyên về ứng dụng—một ngành có kết hợp tất cả các mặt vật lý, sinh-hóa, công nghệ và con người. Câu hỏi chính của ngành khoa học này phản ánh một sự thôi thúc muốn hiểu biết về một cách cơ bản về thế giới mà ta đang sống, củng cố bởi ý thức rằng tầm quan trọng của mỗi câu hỏi đều tỉ lệ với mức liên quan đến sự bức thiết đối với xã hội. Như Thư ký Bộ Năng lượng Hoa Kì, Steven Chu, người từng được giải Nobel, đã nhận định, “Chúng ta tìm kiếm giải pháp. Tôi có thể nói điều này chứ?—chúng ta không còn tìm kiếm những tài liệu khoa học nữa rồi.” [2]

Để minh họa những mối quan hệ giữa khoa học cơ bản và ứng dụng, hãy xét vai trò của dòng nước do tuyết tan đối với sự cung cấp nước. Trên khắp thế giới, có đến 1 tỉ người phụ thuộc vào nguồn cấp nước từ tuyết tan [3]. Việc thiết kế và vận hành những hệ thống cấp nước vốn theo truyền thống phụ thuộc vào các số liệu đo đạc trong quá khứ ở nền khí hậu ổn định, cùng với những công thức và mô hình toán kinh nghiệm. Khi khí hậu và tình trạng sử dụng đất thay đổi, dân số tăng lên và có sự định cư lại, và các cơ sở hạ tầng của con người đã cũ và xuống cấp, thì những phương pháp kinh nghiệm như vậy để quản lý nguồn nước trở nên lỗi thời—một vấn đề nan giải được đặc trưng bởi “tĩnh tại là chết” [4]. Băng tan nói chung sẽ cung cấp nước cho những nhu cầu có tính cạnh tranh: nước dùng cho thành thị và nông thôn, thủy điện, vui chơi giải trí, và cho hệ sinh thái. Ở nhiều vùng, nơi có cả mưa và tuyến, đã dấy lên mối lo ngại rằng khí hậu tương lai ấm lên sẽ dẫn đến nước mưa dần trở nên đa số, và nước đến trước hàng tháng so với lúc đỉnh điểm nhu cầu của trồng trọt, và dòng chảy nhanh hơn sẽ gây lũ nhiều hơn. Ở những nơi có cả mưa và tuyết như vậy, nhu cầu xã hội là: Làm sao ta có thể duy trì việc kiểm soát lũ và những lợi ích mà nước mang lại cho con người và hệ sinh thái khi thay đổi về mặt thời gian và lượng dòng chảy dường như sẽ khiến cho cơ sở hạ tầng hiện có không thể đáp ứng đủ?

Giải pháp đối với nhu cầu xã hội yêu cầu một hiểu biết cơ bản hơn, về cơ chế và quá trình của vòng tuần hoàn nước. Hiện nay, dữ liệu đo trong quá khứ chi phối các hành động và quyết định kiểm soát lũ và vận hành hệ thống cấp nước. Việc vận hành chống lũ và dung tích hồ chứa tích nước lũ đều được quyết định trước bởi các quy trình cứng nhắc, không phụ thuộc vào dạng năm thủy văn, hiện trạng của lớp tuyết, hay rủi ro về lũ. Trong nhiều năm, lượng nước từ tuyết tan sớm không được giữ lại, do các tính toán dựa theo thống kê đã ước đoán ra lũ [lẽ ra cần thông tin tốt hơn] thì thật ra lại không có, bởi vì tuyết đã tan hết rồi. Khi khí hậu ám lên càng nhiều, hiện tượng này sẽ càng ảnh hưởng thường xuyên đến việc cấp nước [5]. Các thách thức khoa học có liên quan bao gồm: (1) Những phương pháp thống kê hiện được dùng không nhằm ước tính cán cân tài nguyên nước trong lưu vực, và với mạng lưới các trạm đo thậm chí ở Mỹ hiện nay, ta vẫn thiếu thông tin về lượng tuyết trên lưu vực; (2) Chúng ta không thể xác định đúng tỉ lệ thành phần mưa và tuyết, hoặc thành phần giữa bốc thoát hơi và dòng chảy; (3) Ta thiếu kiến thức phục vụ quản lý sự liên hệ giữa lớp tuyết, rừng cây, và kho dự trữ các-bon; (4) Các dự báo về dòng chảy mà không dựa trên bản chất vật lý liên quan đến tuyết tan đều thường không chính xác; (5) Ta không biết những sự bố trí về mặt tổ chức hay hình thức ủng hộ nào sẽ dẫn đến quản lý lưu vực tốt hơn về mặt sinh thái.

Nhìn chung, các mô hình đều không xét đến những kiểu tương tác nói trên; vì vậy nảy sinh nhu cầu về một ngành khoa học ứng dụng cho môi trường. Những đặc điểm cốt yếu của ngành khoa học hộc này so với khoa học cơ bản về Trái đất và môi trường như sau:

  • Động lực phát triển do nhu cầu thay vì do tính hiếu kì. Khoa học cơ bản phát triển là từ những câu hỏi; trái lại, ngành khoa học mới này được dẫn hướng bởi nhu cầu xã hội thay vì sự tò mò trong khoa học. Thay vì tìm kiếm lời giải đáp cho các câu hỏi, nó tập trung tạo ra khả năng tìm kiếm phương pháp hành động và xác định các hậu quả.
  • Bị hạn chế từ phía ngoài. Những điều kiện ngoại cảnh thường quyết định khi nào và bằng cách nào mà những kiến thức áp dụng được cần đến. Sự tạo thành thị trường kinh doanh các-bon sẽ không đợi đến tận khi chúng ta hoàn thành việc ước tính tổng lượng các-bon của rừng cây. Nó sẽ xảy ra theo kế hoạch bị chi phối bởi chính sách và kinh tế. Việc xây dựng và sửa chữa hạ tầng cấp thoát nước đô thị sẽ không đợi việc hiểu biết hình thái mưa diễn biến thế nào. Khoa học ứng dụng sẽ phải được chuẩn bị để tư vấn các hành động dưới ảnh hưởng của các nhân tố bên ngoài này, không phụ thuộc vào lịch trình học thuật là khi nào và lúc nào kiến thức được hoàn thiện.
  • Có hệ quả và mang tính lặp lại. Các hoạt động nảy sinh từ kiến thức của ta về Trái đất thường làm thay đổi môi trường, từ đó tạo ra nhu cầu về kiến thức mới nghiên cứu những thay đổi ta vừa thực hiện. Chẳng hạn, ta càng biết nhiều về vị trí các quần thể cá, thì càng nhiều hiện tượng đánh bắt cá quá mức diễn ra đến nay; kiến thức gốc của chúng ta về điều này đã nhanh chóng trở nên lỗi thời trải qua chuỗi các hoạt động của bản thân chúng ta. Khoa học ứng dụng tìm kiếm để không chỉ hiểu được các khía cạnh về Trái đất xét theo một kịch bản nào đó, mà còn cả những hệ quả và hiệu ứng phụ phát sinh từ kịch bản ấy. Một ví dụ gần đây là sự chuyển đổi đất canh tác sang trồng ngô lấy cồn (ethanol)—một nỗ lực nhằm làm giảm quá trình biến đổi khí hậu mà ngày nay chúng ta nhận thấy rằng loại cây trồng này gây thiếu hụt nước nghiêm trọng.
  • Có ích ngay cả khi chưa hoàn thiện. Như trong ví dụ về lớp tuyết, thường cần có các hành động bất kể dữ liệu hay kiến thức còn dở dang đến đâu. Điều khó khăn của việc củng cố niềm tin vào chất lượng của kiến thức là rất phiền phức trong hoàn cảnh không có đủ sự ổn định đi kèm theo biến đổi khí hậu. Những cách thức mới để tận dụng hiệu quả lượng kiến thức dở dang này phải được nghiên cứu phát triển, gồm cả những máy suy luận và diễn giải thống kê đáng tin cậy.
  • Có để thay đổi kích cỡ thích hợp. Kiến thức khoa học căn bản không phải lúc nào cũng điều chỉnh được kích cỡ để hỗ trợ mọi ứng dụng cần thiết. Ví dụ về kinh danh các-bon đã minh họa rõ điều này. Khoa học cơ bản chỉ cho chúng ta thấy cách liên hệ giữa hàm lượng các-bon và kiểu cây trồng cũng như mật độ cây đo được, nhưng không cho ta công cụ để phóng lời giải này lên áp dụng cho nguồn tài nguyên trên toàn cầu. Những công cụ tri thức mới phải được thiết lập để tạo ra và cập nhật nguồn tài nguyên này bằng viễn thám, với giá thành hợp lý, hay những phương tiện khác.
  • Mạnh. Những người ra quyết định, khi dùng kiến thức ứng dụng, thường chỉ hiểu biết có hạn cách phát triển và phạm vi ứng dụng của các kiến thức này. Để tránh việc sử dụng sai, kiến thức cần được đặc trưng bởi tính mạnh. Nó phải bền vững theo thời gian và ít biến động khi được diễn giải bởi nhiều người, trong nhiều tình huống và các điều kiện đặc biệt.
  • Dựa nhiều vào dữ liệu. Khoa học cơ bản vốn đã phụ thuộc vào dữ liệu, nhưng nhưng nguồn dữ liệu làm cơ sở cho khoa học cơ bản thường không đủ để hỗ trợ các ứng dụng. Những tác động từ địa phương với phạm vi ảnh hưởng toàn cầu, chẳng hạn sự xâm nhập của các loài sinh vật, thường rất khó đảm bảo cho những dự án tập trung với số ít người nghiên cứu. Các nguồn thích hợp cho ứng dụng hpari được nhận diện, và những cách quan trắc mới (gồm cả việc huy động người dân thu thập dữ liệu) phải được lập ra.

Mỗi đặc tính trên bao hàm việc phát triển các kiểu tri thức mớicông cụ mới để thu nhận tri thức đó. Ví dụ về lớp tuyết đã cho thấy yêu cầu này đối với một vùng cụ thể là gì. Có bốn yếu tố gần đây đã kết hợp lại để khiến cho việc triển khai hệ thống thông tin và đo đạc có khả năng hỗ trợ việc ra quyết định cho một lưu vực sông lớn được khả thi: (1) vệ tinh cho phép ước tính chính xác, liên tục ược diện tích bị tuyết phủ trên toàn bộ dãy núi; (2) hệ thống đo từ xa và các đầu đo rẻ, đáng tin cậy để theo dõi tuyết độ ẩm trong đất; (3) dữ liệu về xã hội để bổ sung cho dữ liệu về điều kiện tự nhiên và kĩ thuật, nhằm giúp cho việc phân tích ra quyết định; và (4) tiến bộ về cơ sở hạ tầng thông tin để tích hợp dữ liệu và phân phối chúng gần như là trực tiếp.

Hình 1. Minh họa cho kiểu dữ liệu có ích cho việc phân tích độ che phủ của lớp tuyết. Hình bên trái cho thấy địa hình của Dãy Nevada và Thung lũng Trung tâm Californial, cùng với một phần Tây Bắc Nevada. Hình giữa cho thấy dữ liệu gốc từ ảnh vệ tính gồm 3 băng phổ (0,841–0,876; 0,545–0,565; và 0,459–0,479 μm) từ NASA’s Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), vốn thường cung cấp dữ liệu đo toàn cầu hằng ngày với độ phân giải từ 250 đến 1000 m theo 36 băng phổ. Từ 7 băng dùng cho “đất liền”, chúng tôi đã tính ra diện tích phần bị tuyết phủ—tức là phần diện tích của mỗi ô có kích thước 500 m bị tuyết phủ, như trên hình bên phải [10].

Với các lưu vực sông mà nguồn nước chủ yếu đến từ băng tuyết, thử thách khoa học lớn nhất là ước tính được sự phân bố về không gian và mức độ không đồng nhất của đương lượng nước trong tuyết—tức là lượng nước sẽ thu được nếu tuyết chảy hoàn toàn. Vì sau khi rơi xuống, tuyết còn bị gió thổi đi, nên sự phân bố của nó không đồng nhất hơn nhiều so với mưa rơi: trong tầm từ 10 m–100 m, độ dày mỏng của lớp tuyết có thể chênh nhau đến vài mét. Sự không đồng nhất về độ dày tuyết phủ làm trơn lượng dòng chảy theo ngày do sự biến động của khoảng thời gian trong đó băng tuyết tan đi [6]; theo mùa, nó sẽ hình thành những vùng giống như ven bờ sông, nơi có độ ẩm cao, và duy trì đến tận mùa hè. Cách tiếp cận để ước tính đương lượng nước trong tuyết bao gồm một số công đoạn liên quan đến dữ liệu: (1) kiểm định trên diện rộng các kết quả từ vệ tinh, gồm con số ước đoán diện tích tuyết che phủ và mức phản xạ, như trên Hình 1; (2) dùng kết quả từ một cân bằng năng lượng cho lớp tuyết phủ để cải thiện phép nội suy từ các đo đạc toàn diện hơn trong lòng đất và dữ liệu ảnh vệ tinh [7]; (3) phát triển các phương thức mới để đặc trưng độ không đồng nhất [8]; và (4) thử nghiệm các kết quả được nội suy theo một mô hình dòng chảy phân bố trong không gian [9]. Các kết quả đo đạc cũng giúp làm rõ độ chính xác trong ước tính lượng mưa từ các mô hình khí hậu vùng.

Khâu thứ ba của khoa học Trái đất và môi trường sẽ tiến hóa trong thập kỉ tới khi cộng đồng khoa học bắt đầu theo đuổi nghiên cứu. Khoa học về thời tiết đã được nâng cao rõ rệt về khả năng ứng dụng; toàn bộ lĩnh vực khoa học tự nhiên cần phải tham khảo và nỗ lực phát triển. Nhu cầu về khoa học cơ bản vả khám phá xa hơn sẽ không biến mất, mà thay vào đó sẽ ghép vào và được mở rộng trong giai đoạn mới này. Câu hỏi đặt ra có cả tầm quan trọng thực tiễn lẫn sự hấp dẫn về trí tuệ. Liệu năng lực dự đoán thủy văn của chúng ta sẽ giảm đi khi sự thay đổi về lượng mưa làm xóa nhòa giá trị của những kiểu hình thống kê được trong quá khứ? Vấn đề lớn về thay đổi khí hậu sẽ phát sinh ở đâu, và những hoạt động chính sách nào được thực hiện ngày nay sẽ cho phép ta dự đoán được nó?

Cũng quan trọng là việc cải thiện cách áp dụng kiến thức này vào đời sống hằng ngày của chúng ta. Internet và điện thoại di động, với tầm vươn xa toàn cầu, đã tạo ra những cách mới để phát tán thông tin nhanh và rộng hơn. Thông tin có được để giúp tránh những hậu quả khủng khiếp từ sóng thần châu Á và cơn bão Katrina, nhưng ta vẫn thiếu những công cụ phục vụ cho việc quyết định nhanh và liên lạc để hành động. Do đó khoa học ứng dụng có tính tích hợp; nó ghép các hiểu biết về hiện tượng vật lý và nghiên cứu theo những cách mà cá nhân và tổ chức có thể sử dụng kiến thức tốt hơn vào việc ra quyết định. Toàn thể xã hội cũng trở thành một nguồn đóng góp quan trọng cho việc quan trắc môi trường ở từng địa phương, kết hợp với các mạng lưới vệ tinh và đầu đo vốn hạn chế, bằng những thiết bị đơn giản như điện thại di động chụp ảnh. Khả năng để nâng cao năng lực mới về thu thập dữ liệu này sẽ là một thử thách quan trọng đối với giai đoạn mới này của khoa học môi trường.

Sự an toàn và cuộc sống sung túc cho gần 7 tỉ người ngày càng phụ thuộc vào khả năng của chúng ta thu nhận và áp dụng những thông tin từ môi trường xung quanh. Khoa học môi trường cơ bản đã thiết lập nên một điểm khởi đầu hoàn hảo. Bây giờ ta phải phát triển tiếp thành một ngành khoa học mạnh với áp dụng trong lĩnh vực môi trường.

Tài liệu tham khảo

[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.


  1. Thị trường cấp phép xả khí thải có chứa khí CO2
Advertisements

1 Phản hồi

Filed under Mẫu hình IV, Sách

One response to “Chương 2. Ngành khoa học mới bắt nguồn từ những ứng dụng trong lĩnh vực môi trường

  1. Pingback: Mẫu hình thứ tư: Khám phá khoa học thiên về dữ liệu | Blog của Chiến

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s