Există o temperatură medie a planetei? Despre paradoxul Simpson și implicațiile sale

Ori de câte ori valuri de ger polar se abat deasupra planetei, explicația oferităad hoceste de genul: „și valurile de ger, ca și cele de arșiță, au o cauză comună: încălzirea globală antropogenă”. Cum se pot explica ambele extreme meteo printr-o cauză anume și nu prin alta? Simplu, punând accentul principal pe tendința crescătoare al unui parametru statistic numit „temperatura medie globală (TMG)” (Fig. 1).

Fig. 1. Variația temperaturii medii globale (TMG) cu începere din anul 1880. Barele albastre de incertitudine indică intervalul de 95% confidență. (Sursa: NASA GISS)

Pentru mine, TMG a fost de la început ceva teribil de imprecis și de multă vreme încerc să aflu răspunsuri la niște întrebări simple: De ce se folosește o anumită medie și nu alta? Temperaturile globale ale aerului sunt mediate pe sezon, zi, noapte, altitudine și locație pentru a produce în final o medie anuală, care va fi apoi mediată pe intervale de 5 ani? (Fig. 1)

Variațiile temperaturii sunt o aproximare destul de bună a conținutului global de căldură, dar au ele oare suficientă semnificație?

În ciuda gândirii populare, temperatura și energia nu sunt echivalente. Temperaturile pot fi foarte mari la energii foarte scăzute. În timp ce căldura este o formă de energie, temperatura este, în mod fundamental, o măsură a modului în care energia este răspândită în stările cuantice. De exemplu, radiațiile de la un laser mic, alimentat cu baterii cu lanterne, pot avea temperaturi ajungând până la ~1011K. Acestea sunt mai mari decât cele aflate în multe interioare stelare, dar căldura fasciculului nu se poate simți nici măcar pe mână[1].

Cel mai tulburător aspect al parametrului numit „temperatură medie globală” mi se pare faptul că valori calculate statistic sunt considerate ca reprezentând temperaturi reale și că sistemul climatic, aflat într-o stare de non-echilibru termodinamic, ar avea numai o temperatură (în Fig. 1, acea temperatură ar fi fost, în 2017, cu 0,9°C mai mare în raport cu valoarea de bază, care, la rândul ei, este o medie a temperaturilor anilor 1951-1980). Dar o medie a temperaturilor măsurate într-un sistem termodinamic instabil nu este o temperatură. Iar Pământul nu se află în echilibru termodinamic nici cu componentele sale interioare, nici cu spațiul înconjurător. De aceea, nu putem vorbi doar de o singurătemperatură.[2] (et passim)

Variabile extensive și variabile intensive

Variabilele extensive (volumul, masa, distanța, energia, entropia, sarcina electrică, conținutul de apă din roci ș.a) sunt proporționale cu mărimea sistemului din care provin, fiind bazate pe logica relațiilor parte-întreg. Aceste variabile sunt aditive, asta însemnând că valorile lor însumate sau mediate își vor păstra semnificațiile originale și vor fi reprezentative pentru sistemele din care provin. De exemplu, dacă torn 2 litri vin într-un vas conținând 1 litru de vin, voi obține 3 litri de băutură.

Variabilele intensive, bazate pe logica co-variației, sunt independente de mărimea sistemului din care provin și reprezintă mai degrabă o proprietate a acelui sistem: temperatura, presiunea, potențialul electric, potențialul de curgere al apei ș.a. Combinarea a două variabile intensive nu este aditivă, asta însemnând că o însumare a două subsisteme nu va produce o variabilă intensivă egală cantitativ cu suma componentelor. De exemplu, dacă torn un lichid compus din 20% vin și 80% apă într-un vas care conține 60% vin, restul apă, nu voi obține un lichid cu 80% vin, pentru că concentrația finală depinde de proporțiile sub-componentelor, nu de suma lor! Iar consumatorii serioși vor înjura probabil, urmând blestemul lui François Villon (În beciuri de Gheenă să ajungă, /Crâşmarii care toarnă apă-n vin!)

Un alt exemplu: Însumarea temperaturilor sau presiunilor a două subsisteme identice nu va genera o temperatură sau presiune totală de două ori mai mare decât a componentelor inițiale. Însumarea variabilelor intensive nu are sens. Iar a calcula o medie aritmetică (suma componentelor împărțită la numărul componentelor) este și asta fără sens. Ceea ce se încearcă în cazul temperaturilor este ponderarea mediei, folosind circumstanțe care ar putea (teoretic) să aproximeze condițiile de echilibru după însumare. Numai că o astfel de încercare este irelevantă în cazul climei terestre – un sistem ne-echilibrat termodinamic prin definiție.

Mai concret, temperatura T unui sistem cu energia internă E depinde de entropia sistemului S, printr-o relație matematică particulară, de forma (definiția termodinamică):

unde¶E și ¶S sunt derivatele parțiale ale energiei și, respectiv, entropiei. În viața de toate zilele, temperatura nu este aproape niciodată măsurată conform definiției de mai sus. Se folosesc măsurători indirecte sau proxy: variația unui volum, îndoirea unei lamele bimetalice, spectre de radiație, lățimea inelele din tulpina copacilor (dendrocronologie), grosimile varvelor din sedimente, diferențele dintre concentrațiile relative ale izotopilor de oxigen etc.

Toate aceste măsurători se bazează pe diferite prezumții care trebuie îndeplinite aprioric. Deși bine-cunoscute în lumea fizicienilor și chimiștilor, aceste restricții metrologice nu se regăsesc și în măsurarea/calcularea valorilor medii ale indicelui de temperatură (vezi Fig. 1), valori folosite ca argument suprem în dezbaterile actuale despre schimbările climatice. Mai mult, nu există argumente fizice în favoarea folosirii unui parametru statistic – indexul temperaturii medii globale – pentru a fi considerat forța motoare a schimbărilor climatice.

Dacă International Organization for Standardization (ISO) a publicat deja normele metrologice pentru măsurarea gazelor cu efect de seră (ISO 14064 și ISO 14065), nu același lucru s-a întâmplat și cu adoptarea unui standard internațional pentru măsurarea temperaturilor medii globale, deși a fost promis de mulți ani.

Parametrul statistic, numit TMG, reprezintă doar un tip particular de medie. Nu este singura MEDIE posibilă, pentru că există o infinitate de opțiuni matematice legitime. În articolele de meteorologie și climatologie s-au folosit peste 100 metode diferite de mediere a temperaturilor, și noi propuneri apar regulat.[3] ISO a încercat să impună o metodă unică, universală, dar a eșuat.

De ce? Pentru că nu există, conform lui Popper, niciun experiment practic ori o modalitate teoretică de a falsifica o alegere particulară a unei medii. Dacă mediile sunt proclamate a fi temperaturi reale, ne vom lovi de consecințele unui paradox, discutat de Edward Simpson în 1951.

Paradoxul Simpson – Media mediilor nu este o medie

Paradoxul Simpson esteun fenomen prezent în probabilitate și statistică: Când apare o tendință în mai multe grupuri diferite de date, acea tendință dispare sau se inversează atunci când aceste grupuri sunt combinate.

Descris în multiple cazuri din științele sociale sau statistici medicale, doresc, pentru prima dată în literatura română, să argumentez inexistența unei temperaturi medii globale (TMG) și prin existența paradoxului Simpson.

Să considerăm două perechi de evenimente climatice reprezentate prin vectori roșii și albaștri (Fig. 2)

Fig. 2. O interpretare vectorială a paradoxului Simpson (modificare după Sursa)

În figura de mai sus, se poate ușor observa că cele două linii roșii se plasează deasupra liniilor albastre. Dar când datele sunt combinate (însumare vectorială, dar pot fi folosite și alte metode), tendința „roșu deasupra albastru” se inversează. Simplu spus, acesta este paradoxul Simpson.

Versiunea matematică se poate scrie sub forma:

Dar combinarea celor două seturi de date nu generează obligatoriu o relație de tipul:

De exemplu (folosind orientativ și Fig. 2):

aa

Pentru a demonstra că media mediilor nu este o medie, să considerăm următorul set de valori (temperaturi, nivelul mării, umidități etc.):

4; 5; 6; 6; 5,5

Media aritmetică a setului este 26,5/5 =5,3

Să împărțim acum setul inițial în două sub-seturi:

4; 5

6; 6; 5,5

Media primului sub-set este: 9/2 =4,5

Media celui de-al doilea subset este: 17,5/3 =5,83

Media celor două sub-seturi este: 5,17, care este mai mică decât media inițială (5,3). Adică, media mediilor nu este o medie.

Să considerăm un alt exemplu, folosind temperaturi:

Pe masa dumneavoastră din bucătărie ați așezat o cană cu apă și gheață (temperatura 2°C) lângă o cană cu cafea (temperatura 34°C). Cele două căni nu se ating una cu alta (sisteme izolate) și sunt lăsate să se relaxeze la temperatura aerului din bucătărie (20°C) conform legii lui Newton de răcire/încălzire a fluidelor. Dacă așteptați 10 minute, cum veți caracteriza mediul din bucătăria dumneavoastră prin prisma evoluției „climatice” a celor două căni cu lichide diferite? Global „warming”, global „cooling” ori altceva?! Ce fel de sistem termodinamic este bucătăria dvs.? Puteți aplica paradoxul Simpson pentru a evalua starea sistemului bucătărie-cană cu apă înghețată-cană cu cafea?

Un posibil răspuns ar fi următorul: Într-un sistem aflat în non-echilibru termodinamic, putem experimenta paradoxal încălziri și răciri simultane. Urmând graficul din Fig. 2 și ce se întâmplă cu cele două căni, rezultă că un sistem se „încălzește” sau se „răcește” paradoxal în funcție de alegerea temperaturii medii, o alegere care este independentă de sistemul însuși.

Dar dacă valorile statistice TMG calculate de diverse organizații cu însărcinări climatice (NASA, NOAA, GISS, hadCRUT ș.a.) nu sunt temperaturi reale, ce sunt ele, totuși? Cum pot fi utilizate ca semnale de alarmă climatică? Nu cumva sunt doar niște numere ad hoc, care exemplifică infinitatea alegerilor disponibile pentru calcularea TMG?

Până în prezent, susținătorii încălzirii globale antropogene nu au oferit un răspuns plauzibil la aceste întrebări. Faptul că prea puțini oameni își pun aceste întrebări firești -acceptând, în schimb, consensul celor 97% experți care sunt de acord cu încălzirea globală antropogenă – poate fi explicat parțial prin puterea obișnuinței. Oamenii aud și folosesc intens conceptul de medie și îl acceptă fără să vocifereze, chiar dacă, de multe ori, media este un parametru statistic lipsit de sens. Veniturile personale și înălțimea au sens și la nivel individual și ca medie la nivelul unei populații. Dar pentru numerele de telefon, care au sens și sunt utile la nivel individual, însumarea și calcularea mediei lor sunt acțiuni fără noimă.

Dacă suporterii încălzirii globale antropogene nu prea se sinchisesc de lipsa de claritate metrologică și fizică a parametrului numit TMG, ei se pricep, în schimb, foarte bine, să sperie lumea cu profeții apocaliptice, unele năstrușnice rău de tot, dar atribuibile fără excepție încălzirii globale antropogenice: infecții virale la broaște[4], encefalită la cai[5], scăderea fertilității masculine[6] sau creșterea avorturilor printre femeile care locuiesc lângă ocean sau pe malurile unor râuri[7].

Consecințele paradoxului Simpson asupra calculării TMG sunt devastatoare. Pentru că acea valoare magică (TMG), folosită ca argument suprem al politicilor climatice de argumentare a existenței unei încălziri globale antropogene, este construită ca media mai multor medii, cu tot ce implică această operațiune. NASA și NOOA, cele mai importante organizații federale americane însărcinate cu măsurarea temperaturilor globale și emiterea de alarme climatice, folosesc diferite metode de calculare a mediilor temperaturilor (în Fig. 2 sunt ilustrate două dintre acestea).

Dar mai grav mi se pare faptul că algoritmul de mediere variază cu timpul. Conform lui Peterson și Vose [3], s-a produs o reducere semnificativă a stațiilor meteo disponibile, mai ales după 1990, când numărul punctelor de înregistrare a temperaturilor de pe întregul glob a scăzut la jumătate în doar patru ani. Unii critici au remarcat că cele mai multe „tăieri de pe listă” au fost operate în cadrul stațiilor rurale (neinfluențate de efectul de insulă termică urbană), a celor de la latitudini mai mari și a celor de la altitudini mai ridicate, unde temperaturile sunt mai scăzute. Consecința „tăierilor” de stații meteo din cele trei areale a fost supradimensionarea efectelor insulelor termice urbane asupra temperaturilor înregistrate și propuse pentru calcularea TMG; practic, s-a produs o creștere „din condei” a încălzirii globale.

Citeste intreg articolul si comenteaza pe Contributors.ro