Turbulencja w rzekach jest jednym z najmniej rozpoznanych problemów w nauce, mimo, że oddziałuje na wiele procesów zachodzących w środowisku wodnym i przyrodniczym. Wpływa m.in. na stan siedlisk w ekosystemach rzecznych, rozwój flory dennej, przemieszczanie się zanieczyszczeń, rumowisk, a także fali powodziowej. Rozpoznanie i zdefiniowanie zjawisk związanych z wirującym i niejednostajnym ruchem wody jest sporym wyzwaniem dla badaczy. Hydrodynamiką ekosystemów wodnych i turbulencją rzeczną oprócz wielu innych dziedzin zajmuje się prof. dr hab. Paweł Rowiński, wiceprezes Polskiej Akademii Nauk.
– Panie prezesie, czy kierowanie najważniejszą instytucją naukową w Polsce, pozwala uczonemu na prowadzenie jeszcze prac badawczych?
– Przyznam, że pogodzenie funkcji administracyjnej z naukową nie jest łatwym zadaniem, ale staram się to robić. Pojawiają się zupełnie nowe możliwości w licznych kontaktach z uczonymi na świecie i te doświadczenia można też wykorzystywać w pracach badawczych. Dzięki temu poszerza się wiedzę w wielu dziedzinach i poznaje nowe perspektywy. Zajmowałem się przez wiele lat geofizyką, a szczególnie jej jedną gałęzią – szeroko pojętą hydrologią. Byłem dyrektorem Instytutu Geofizyk PAN, a to ogromnie rozszerzało zakres zagadnień, którymi się zajmowałem od strony administracyjnej, m.in. fizyką atmosfery, sejsmologią, magnetyzmem Ziemi, również badaniami polarnymi. Teraz, jako wiceprezes PAN obejmuję jeszcze szerszą tematykę od humanistyki do medycyny. To daje inny pogląd na sposób uprawiania nauki, bo można się bardzo dużo nauczyć od innych i przenieść część tych doświadczeń do swojej dziedziny. Ja nie przestaję pracować naukowo i kontynuuję swoje badania.
– Nad czym pan profesor teraz pracuje?
– Nadal zajmuję się hydrodynamiką, czyli tym wszystkim, co jest związane z ruchem wody. Nam się wydaje, że płynąca rzeka to jest coś oczywistego. Trzeba jednak zwrócić uwagę na fakt, że woda w rzece porusza się ruchem turbulentnym, a turbulencja jest to nadal jeden z najmniej rozpoznanych problemów w nauce. Próbujemy robić różnego typu modele, które mają pomóc w zrozumieniu tych skomplikowanych zjawisk. Prowadzone są badania na pograniczu wielu dyscyplin naukowych, tj. ekologii, biomechaniki, środowiskowej mechaniki płynów, geofizyki i matematyki stosowanej. Badania te zwracają szczególną uwagę na różne, zależne od skali mechanizmy, które pozwalają na poznanie podstawowych własności oddziaływań pomiędzy przepływem wody, transportem zanieczyszczeń i występowaniem organizmów żywych. Również prowadzimy eksperymenty terenowe, celem określenia dynamiki form dennych, jak również struktury turbulencji w różnych skalach geomorfologicznych
– Na czym polega turbulencja w rzekach?
– Woda w rzece podlega intensywnym zawirowaniom, a turbulencja to w pewnym sensie kompozycja tych zawirowań, chaotycznych ruchów nałożonych na główny kierunek przepływu. Zjawisko to pojawia się, gdy prędkość przepływu przekracza pewną graniczną wartość, powyżej której siły lepkości wody nie mogą wytłumić chaotycznych ruchów cząstek wody. Właściwie w rzekach ta wartość przekroczona jest zawsze. To jest zjawisko charakteryzujące się niezwykłą złożonością, podobnie zresztą jak geometria każdej rzeki, co dodatkowo bardzo komplikuje opisywane procesy. Turbulencyjne zachowania traktowane są jako jedne z najważniejszych w hydraulice koryt rzecznych. Stanowią istotne wyzwanie dla badaczy procesów fizycznych w rzekach. Te zjawiska w sposób losowy zmieniają się w przestrzeni i w czasie, dlatego są bardzo trudne do prowadzenia obliczeń numerycznych. Ponadto musimy pamiętać o niepowtarzalności procesów fizycznych w rzekach. Nie ma przecież dwóch takim samych rzek. Każda różni się kształtem, wielkością, budową podłoża i stopniem pokrycia danego terenu przez szatę roślinną. Panuje w nich inny reżim hydrologiczny. Te odmienne uwarunkowania utrudniają dokonywanie jednolitych pomiarów. Mierzone fluktuacje prędkości wody w punkcie decydują o stopniu turbulencji, a w dalszej kolejności o przebiegu np. procesów mieszania. Ogólnie rzecz biorąc za mieszanie (np. substancji zanieczyszczających) w rzekach odpowiadają dwa procesy – adwekcja, która powoduje przemieszczanie się substancji domieszkującej wraz ze średnią prędkością wody i dyfuzji turbulentnej będącej skutkiem istniejących fluktuacji prędkości, a zatem wspominanej turbulencji. To m.in. dyfuzja powoduje, ze zanieczyszczenie rozprzestrzeniania się w poprzek i w głąb strumienia. Opis wspomnianych zjawisk jest niebywale skomplikowany i trudny, nawet dla ekspertów w tej dziedzinie. Szczególnie jeśli chcemy opisać zjawiska językiem matematyki, albo jeszcze lepiej językiem zrozumiałym dla komputerów.
– Do czego są potrzebne badania dotyczące turbulencji w rzekach?
– Do wyjaśniania skomplikowanych procesów hydrologicznych i hydrofizycznych, a także do analizowania danych oraz przyczyn różnych zjawisk, w tym powodzi, transportu masy (zanieczyszczeń, rumowiska…). Skoro przepływ w rzece jest turbulentny to bez zrozumienia tych podstaw, te opisy będą zawsze fałszywe. Ja jestem matematykiem i geofizykiem dlatego opisując te procesy posługuję się równaniami matematycznymi, które służą do tworzenia określonych modeli komputerowych. To pozwala na analizę różnych scenariuszy, prognozę transformacji fali powodziowej, a także szczegółową analizę przepływu wody w rzece. W moich badaniach skupiałem się zwykle na transporcie rzecznego rumowiska oraz zanieczyszczeń. Opis tego jak to rumowisko się przemieszcza jest prawdziwym wyzwaniem dla badacza, a jest to bardzo ważne zjawisko, bo może spowodować np. zmniejszenie przepustowości koryta rzecznego. W przypadku analiz transportu zanieczyszczeń staramy się naszą wiedzę przekładać na prognozowane skutki, np. poprzez identyfikację obszarów kumulowania sie zanieczyszczeń. To są już poważne problemy do rozwiązania. Na Renie w Niemczech funkcjonują takie systemy, które pokazują dzięki modelowi komputerowemu, jak reagować na pojawiające się w rzece zanieczyszczenia, które dostały się do rzeki na skutek jakiejś katastrofy. Są jasne wskazówki jak blokować takie przepływ, żeby to zanieczyszczenie się nie rozprzestrzeniało.
– Czy u nas można też tworzyć takie modele do praktycznego wykorzystania?
– Przed laty próbowaliśmy zrobić taki model dla Górnej Narwi, która w obszarze Parku Narodowego stanowi tzw. system anastomozujący – jest unikalną na skalę europejską, nizinną rzeką płynącą wieloma korytami. Zbadaliśmy cały obszar od Zbiornika Siemianówka do Narwiańskiego Parku Narodowego. Na tym 90 km odcinku prowadzaliśmy unikatowe badania eksperymentalne (tzw. badania znacznikowe) wspólnie z kolegami z Wielkiej Brytanii. Symulowaliśmy awarie i wrzucaliśmy bezpieczny barwnik do rzeki, po to żeby obserwować co się z nim stanie, gdzie osiądzie, jak długo pozostanie w rzece. Taka wiedza jest niezwykle pomocna, żeby właściwie zareagować na katastrofy ekologiczne, ale również ataki terrorystyczne, kiedy do wody mogą trafić jakieś substancje toksyczne. Takie badania są przeprowadzane na różnych rzekach w wielu krajach. Nasz eksperyment ze względu na skalę był jednym z najtrudniejszych na świecie, ale się w pełni powiódł. Stworzyliśmy model matematyczny, który jest w stanie dokładnie określić co się stanie z zanieczyszczeniem, które dostanie się do rzeki np. na skutek awarii jakiejś instalacji przemysłowej, albo jeśli cysterna z paliwem wpadnie do wody.
Udało nam się ten model na tyle skalibrować, żeby przewidywać każdą taką sytuację. Problem tylko w tym, żeby z tego korzystać w praktyce. Przy okazji mogliśmy obserwować, że sztuczny Zalew Siemianówka, zlokalizowany w dolinie górnej Narwi odpowiada za poważne zakłócenia w ekosystemie wodnym. Został dość niefortunnie zbudowany, jest zbyt płytki, są tam zakwity, które płyną do rzeki, dlatego zdarzało się, że w Narwi występowała przyducha ryb.
– Jak można naprawić takie błędy z przeszłości, żeby nie zniszczyć ekosystemu?
– Przy obecnym stanie wiedzy wiele można zdziałać, ale nauka to jedno, a racjonalna gospodarka wodna, to drugie. Trzeba odejść od filozofii, która kiedyś dominowała, żeby zagospodarowywać rzeki i betonować nabrzeża. W tej chwili cały świat od tego odstępuje. Przez ich renaturyzację oraz inne rozwiązania próbujemy patrzeć na te zagadnienia kompleksowo. Rzeka to nie jest tylko przepływ wody w korycie, ale całe środowisko i obszar jej zlewni. Natura sama sobie poradzi z rozwiązaniem wielu problemów, jeśli tylko nie będziemy jej przeszkadzać. Ważne są kwestie zagospodarowania terenów w jej pobliżu, w jakiej odległości człowiek może się tam osiedlać. Jest szereg rozwiązań, które można wprowadzić i świat próbuje sobie z tym radzić, ale te rozwiązania są dość kosztowne, na pewno jednak tańsze od podnoszenia wałów i budowania kolejnych zapór – choć w uzasadnionych przypadkach te też mogą okazać się konieczne. Smutne jest to, że nie wyciągamy wniosków z katastrof powodziowych. Rzeka zawsze będzie wylewała i trzeba ten fakt zaakceptować, odpowiednio się do tego przygotowując. Nauka pomaga w dostarczeniu tej wiedzy kiedy i gdzie to nastąpi, należy tylko z tej wiedzy korzystać. Są bardzo dobrze opracowane mapy zagrożeń powodziowych, które pokazują gdzie nie należy budować i jakie skutki może spowodować nieprzestrzeganie tych zaleceń.
– Czy ktoś słucha uczonych, którzy ostrzegają przed takimi skutkami?
– Różnie z tym bywa. W jednym z miast po wystąpieniu powodzi i nasilającym się zagrożeniu, postanowiliśmy zrobić za darmo ekspertyzę, ale włodarze nie bardzo byli nią zainteresowani. Myślę, że naukowcy są trochę sami sobie winni, bo mówią gospodarzom miast jakie są zagrożenia w sensie statystycznym, a to czasem oznacza perspektywę nawet kilkuset lat. Ich interesuje najbliższa kadencja, a nie to, że za sto lat jakieś osiedle może być zniszczone przez żywioł. Często łączy się to z restrykcjami dla lokalnej społeczności, a to nie przysparza głosów. Sprawa jest też w edukacji społecznej. Tak długo, jak nie będziemy mieli wykształconych w tym zakresie elit, to ten problem będzie występował. Świadomość środowiskowa jest nadal w Polsce bardzo słaba. Adaptacja do zmian klimatu unaocznia nam jak wiele mamy problemów, których nie można lekceważyć, bo mogą się stać przyczyną kolejnych tragedii. Ważne jest tworzenie odpowiedzialnych strategii zrównoważonego rozwoju, uwzględniających wiedzę, którą uczeni chcą się dzielić ze społeczeństwem. Jest to szczególnie ważne dla wielu służb, bo wnioski z naszych badań ułatwiają podejmowanie właściwych decyzji w reakcji na różne zdarzenia.
Dziękuję za rozmowę
Z prof. Pawłem Rowińskim, wiceprezesem Polskiej Akademii Nauk rozmawiała Jolanta Czudak
