Dagmara Bożek: Jesteś hydrodynamikiem, choć często określa się Ciebie jako hydrologa. Jaka jest różnica między tymi dwiema profesjami?

Dr hab. inż. Monika Kalinowska: Hydrologia i hydrodynamika to dwie odrębne dziedziny zainteresowań zawodowych. Kiedyś nieco opierałam się, gdy nazwano mnie hydrologiem. Obecnie już to zaakceptowałam, ale w rzeczywistości zajmuję się głównie hydrodynamiką. To dział fizyki, który stara się opisać ruch płynów. Z kolei hydrologia zajmuje się badaniem procesów, takich jak obieg wody w przyrodzie.

D.B.: Nomen omen płynnie możemy przejść do Twojego obszaru zainteresowań badawczych. Zajmujesz się modelowaniem komputerowym procesów środowiskowych. Opowiedz więcej o tym, ponieważ słowo „modelowanie” pojawi się w naszej rozmowie jeszcze kilkakrotnie.

SŁUCHAJ TEŻ NA SPOTIFY >>>

M.K.: Modelowanie można rozumieć wielorako w zależności od kontekstu. W moim przypadku jest to modelowanie komputerowe, czyli tworzenie programów, które później można użyć do opisu różnych zjawisk. Moje badania koncentrują się na rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń w powierzchniowych wodach płynących, czyli rzekach, kanałach, strumieniach.

D.B.: Sięgnijmy do przeszłości, a mianowicie do Twojej pracy magisterskiej. W ramach dyplomu zajmowałaś się mieszaniem się wód w Wiśle i Rudawie. Dlaczego wybrałaś taki temat?

M.K.: To bardzo dawne czasy. (śmiech) Studiowałam na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na Wydziale Fizyki i Techniki Jądrowej na kierunku fizyka komputerowa. Tematycznie krążyliśmy wokół tworzenia różnych modeli komputerowych. Nawiązałam wtedy współpracę z Zakładem Fizyki Środowiska na Wydziale Fizyki i poszło to w kierunku modelowania procesów środowiskowych, stąd temat pracy magisterskiej. Głównym celem było stworzenie modelu komputerowego, który miał opisywać wybrane zjawisko fizyczne. Stworzyłam wtedy pierwszy większy model komputerowy, który był związany z początkiem mojej pracy w Instytucie Geofizyki i punktem wyjścia do mojej pracy doktorskiej oraz utworzenia większego dwuwymiarowego modelu RivMix od angielskiego River Mixing (nazwa inspirowana procesem mieszania się rzek). Tego modelu można używać nie tylko do opisywania mieszania się wód rzecznych, ale również w sytuacji, kiedy do rzeki dostają się różnego rodzaju zanieczyszczenia i chcemy sprawdzić, jak się przemieszczają w dół rzeki i w jakim stężeniu pojawią się w różnych punktach. Może to być bardzo przydatne w sytuacji katastrof ekologicznych czy awarii.

D.B.: Zapytam jeszcze o wspomniany przez Ciebie model RivMix. Kiedy go opracowywałaś, były zupełnie inne możliwości techniczne. Czy obecnie nadal można z niego korzystać?

M.K.: Nie jest to łatwe pytanie, ponieważ obecnie bardzo trudno nadążyć za technologią. Rzeczywiście to były inne czasy. Cały czas programuję w popularnym języku programowania, jakim jest C++, i w nim właśnie jest napisany wspomniany model. Zanim jednak zajmiemy się programowaniem, tak naprawdę trzeba rozwiązać wiele równań matematycznych, fizycznych opisujących nasze procesy. Trzeba wybrać odpowiednie schematy numeryczne. Wtedy było to o wiele trudniejsze, bo komputery, z których korzystaliśmy, miały o wiele większe ograniczenia zarówno jeśli chodzi o pamięć, jak i o procesory. To, co kiedyś liczyło się bardzo długo, teraz liczy się błyskawicznie. Pisząc programy, trzeba było brać pod uwagę np. oszczędność pamięci. To było wyzwaniem i nas limitowało, jeśli chodzi np. o obszar, dla którego chcemy prowadzić obliczenia, czy jak dokładnie (jak gęsto) jesteśmy w stanie zobrazować, co będzie działo się w rzece, kiedy dostanie się do niej jakieś zanieczyszczenie. Wspomniany obszar trzeba przełożyć na tak zwaną siatkę obliczeniową i konkretne odległości pomiędzy jej punktami. Gęstość tej siatki nie mogła być zwykle tak dobra, jak byśmy chcieli, ponieważ nie mieliśmy odpowiedniej mocy obliczeniowej. Dzisiaj jest to dużo łatwiejsze. Oczywiście staramy się nadal kod pisać w odpowiedni sposób, istnieją obecnie metody zrównoleglania obliczeń. Możemy wykonywać obliczenia na maszynach wieloprocesorowych, kiedyś to była zwykle maszyna jednoprocesorowa.

D.B.: Szybkość obliczeń, o której wspomniałaś, to jedno. A co z dokładnością obecnych obliczeń?

M.K.: Oczywiście dokładność może się zwiększać, gdy mamy lepsze możliwości obliczeniowe. Ale muszę państwu zwrócić uwagę na inną kwestię. Bazując na moim doświadczeniu związanym z tworzeniem modeli komputerowych na przestrzeni lat, muszę przyznać, że największym wyzwaniem nie jest ich tworzenie, rozwiązywanie skomplikowanych równań opisujących transport substancji rozpuszczonej w rzece, dobór metod numerycznych i implementacja w danym języku programowania. Oczywiście jest to żmudne i czasochłonne. Największym wyzwaniem jest używanie tych modeli i „nakarmienie” ich właściwymi danymi wejściowymi. Podajemy w nich różnego rodzaju parametry i to jest tak naprawdę najtrudniejsze. Dlaczego? Zazwyczaj w sytuacjach, kiedy coś się dzieje, te dane są dosyć ograniczone. A tak naprawdę one głównie wpływają na dokładność otrzymywanych obliczeń. Przykładem mogą być zdarzenia na naszych rzekach, jak awaria oczyszczalni Czajka czy też katastrofa ekologiczna na Odrze. W takich sytuacjach zawsze u nas w Instytucie rozdzwaniają się telefony i słyszymy prośby o to, żeby jak najszybciej odtworzyć, policzyć, co się wydarzyło. Natomiast za każdym razem musimy zadać pytanie o dane. I zawsze jest z tym problem. Nie ma nigdzie dostępnej dokładnie zobrazowanej batymetrii zarówno dla Wisły, jak i dla Odry. Oczywiście dysponujemy fragmentami danych, wcześniejszymi analizami, z których możemy skorzystać, ale kluczowe byłoby pełne zobrazowanie dla obu tych rzek. Najlepiej ogólnodostępne, żebyśmy zawsze mogli z tego skorzystać. Kolejna kwestia, jak w przypadku Odry, to odpowiednie dane do modeli rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń czyli dane z monitoringu. Choć po tej katastrofie sporo zaczęło się zmieniać i wiem, że jest planowany duży monitoring wszystkich rzek w Polsce, już działa pilotażowy monitoring na Odrze, to wtedy mogliśmy mówić o chaotycznie zebranych danych w kilku punktach w różnych odstępach czasu. W takich warunkach trudno „zmusić” jakikolwiek model, żeby z pożądaną dokładnością był w stanie opisać, co tam się działo.

D.B.: Jeśli chodzi o monitorowanie sytuacji na Wiśle i Odrze, wymaga to kompleksowych działań i współpracy środowiska naukowego ze strukturami rządowymi. Ale chyba jeszcze trochę zostaje do zrobienia w tym zakresie?

M.K.: Ta współpraca jest kluczowa, ale pozostaje trudna. Oczywiście nie mówię, że w ogóle jej nie ma, bo jako naukowcy jesteśmy zapraszani do różnych eksperckich gremiów żeby się wypowiedzieć. Ale często mam wrażenie, że kończy się tylko na rozmowach. Wynika z naszej natury ludzkiej i nie dotyczy tylko wody, że gdy mamy do czynienia z awarią, katastrofą, a w mediach jest o tym głośno, wtedy wszyscy na hura szukają odpowiedzi i koncentrują się na sytuacji. Wtedy padają słowa zapewnienia o wsparciu i jak najszybszym rozpoczęciu prac nad poprawą sytuacji. Nie można zapomnieć, że systemy monitoringu czy systemy alarmistyczne takie jak ten na rzece Ren pozwalają w sytuacji katastrofy ocenić, co może się wydarzyć i jaki może być zasięg skażenia. O takich systemach przy okazji każdej z podobnych sytuacji staramy się mówić, że jest potrzeba stworzenia odpowiednich systemów zarówno dla Wisły, jak i dla Odry. Mamy nadzieję, że w końcu uda się taki cel osiągnąć. Dzięki danym pochodzącym z monitoringu moglibyśmy pójść o krok dalej i stworzyć modele (systemy), które będą pomocne w takich sytuacjach jak np. awaria Czajki.

D.B.: Zostawmy na chwilę Wisłę i Odrę i przekierujmy się na mniejszą rzekę, a mianowicie na Narew. W 2006 roku uczestniczyłaś w projekcie Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, w ramach którego prowadziliście bardzo duży eksperyment znacznikowy na tej rzece. Jest to kolejna metoda badań, z której korzystasz.

M.K.: Większość mojej pracy spędziłam przed komputerem. Natomiast to jest ta przyjemniejsza część obowiązków, czyli praca w terenie przy okazji eksperymentów znacznikowych. To wiąże się z tym, o czym już wcześniej mówiłam, że najtrudniejsze jest „nakarmienie” modeli komputerowych danymi wejściowymi, abyśmy mogli z pożądaną dokładnością uzyskać wynik. Potrzebujemy oszacować występujące w modelach różne parametry i tu z pomocą przychodzą eksperymenty znacznikowe, które są pożądane zwłaszcza w sytuacjach, gdy mamy do czynienia ze skomplikowaną geometrią czy kanałami mocno porośniętymi roślinnością. Wtedy oszacowanie tych parametrów jest dużo trudniejsze. W eksperymentach znacznikowych używamy tak zwanego znacznika. W naszym wypadku jest to czerwony barwnik bezpieczny dla środowiska, rodamina WT od angielskiego water transport. Znacznikiem może być też sól, ale nie zawsze chcemy ją stosować w słodkich wodach, bo nie jest obojętna dla środowiska. W niektórych sytuacjach stosuje się też znaczniki radioaktywne. Nie wiem, jak jest teraz, bo dawno nie próbowałam ubiegać się o pozwolenie na użycie innego znacznika niż rodamina, ale pamiętam, że kiedyś łatwiej było uzyskać pozwolenie na sól czy znacznik radioaktywny. Głównie dlatego, że ich nie widać. Oczywiście są używane w stężeniach nie powodujących znacznych szkód dla środowiska, a ich użycie było łatwiejsze ze względów logistycznych, bo nikt nie podnosił larum. Natomiast barwnik, którego my używamy, jest czerwony i woda może wyglądać dramatycznie dla kogoś, kto nie wie, co się dzieje. Dlatego wyzwaniem jest dotarcie do mieszkańców, aby wiedzieli o naszych planach i nie byli przestraszeni. Jest to naturalna reakcja i chciałabym, żeby ludzie zawsze reagowali na widok wody w dziwnym kolorze. Aby temu zapobiec, staraliśmy się prowadzić kampanię informacyjną. Kanały oficjalne nie zawsze dobrze działały, ale doskonale sprawdzały się na przykład ogłoszenia parafialne czy dotarcie do lokalnych szkół. Warto tu wspomnieć serię eksperymentów znacznikowych, które prowadziliśmy w małej miejscowości pod Warszawą. Skorzystaliśmy z kontaktów, które udało nam się zbudować w ramach projektu BRITEC. Był to projekt związany z nauką obywatelską w szkołach. Dzięki temu zaangażowaliśmy uczniów i nauczycieli w eksperymenty. Informacja, że będziemy takie eksperymenty przeprowadzać, bardzo szybko się rozprzestrzeniła, ponieważ była to mała miejscowość. Dzięki temu nie mieliśmy trudności.

D.B.: Wracając do rodaminy – jaki jest cel jej wykorzystania i jaką informację dzięki niej otrzymujecie?

M.K.: To jest symulacja sytuacji, do której może dojść, gdy niepożądana substancja dostanie się do wody. W sposób kontrolowany wrzucamy do niej barwnik i dzięki temu, że bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie, jesteśmy w stanie sprawdzić za pomocą specjalnych urządzeń – fluorymetrów – w jaki sposób jest transportowany w dół rzeki i w jakim stężeniu znajduje się w różnych miejscach. Później dzięki szeregowi analiz jesteśmy w stanie określić istotne parametry i współczynniki i później wykorzystać je w modelach komputerowych.

D.B.: Czy obserwacje prowadzone na mniejszych rzekach mogą być przydatne do określania sytuacji czy tworzenia prognoz dla większych rzek jak Wisła i Odra?

M.K.: Jest to trudne ponieważ, procesy transportu nie są tak łatwo skalowalne. Dlatego w przypadku takich dużych rzek procesy, które będziemy chcieli analizować i opisywać, będą trudniejsze do opisu. Są to procesy dwuwymiarowe. To, co możemy w małym cieku czy kanale traktować jako proces jednowymiarowy, wynika z tego, że zanieczyszczenie czy też barwnik dostaje się do wody i bardzo szybko się miesza wzdłuż szerokości kanału. Natomiast w przypadku dużych, szerokich rzek to mieszanie jest bardzo wolne. Jest takie popularne zdjęcie Renu, gdzie akurat zarejestrowano zanieczyszczenie cieplne kamerą termowizyjną. Widać wyraźnie, jak struga ciepłej wody może się odróżniać od całej reszty na bardzo długim odcinku. Dlatego do modelowania i symulacji tego, co dzieje się w dużych rzekach powinniśmy stosować modele dwuwymiarowe, mniej uproszczone niż modele jednowymiarowe. Oczywiście, my procesy, które tak naprawdę są trójwymiarowe, upraszczamy między innymi ze względu na szybkość obliczeń. Uproszczenie do dwóch wymiarów jest o tyle uzasadnione, że rzeki są dosyć płytkie w porównaniu z ich długością i szerokością. Są też stosowane modele jednowymiarowe do dużych rzek, ale jest to zbyt daleko idące uproszczenie. Jeśli chodzi o wspomniane wcześniej parametry dla rzek, istnieją formuły empiryczne na podstawie różnych wcześniejszych doświadczeń. Możemy próbować szukać rzek o podobnych parametrach i na tej podstawie szacować. Natomiast najdokładniejszą informację jesteśmy w stanie uzyskać na podstawie eksperymentu znacznikowego.

D.B.: Wrócę jeszcze do projektu BRITEC z zakresu nauki obywatelskiej, w ramach którego współpracowaliście z wybranymi szkołami. Uczniowie dostarczyli wam dużo ciekawych zdjęć rzek z różnych okresów roku. Bardzo dobrze na nich widać, jak zmienia się roślinność w kanale rzecznym. To jest również obszar, którym zajmujesz się naukowo.

M.K.: Motywacją do podjęcia badań, jak roślinność wpływa na to, co się dzieje w rzece, czyli na przepływ i procesy mieszania oraz transportu, były również wspomniane parametry wymagane przez modele komputerowe. Jesteśmy w stanie dobrze szacować je dla „normalnych” rzek. Natomiast w sytuacji, gdy mamy do czynienia z roślinnością, parametry te są stosunkowo słabo opisane, bo roślinność mocno wpływa na to, co się dzieje w kanale. Badania, które do tej pory były prowadzone, skupiają się głównie na pracach w laboratoriach. Jest to związane z tym, że w laboratorium jesteśmy w stanie bardziej kontrolować różne warunki. W naturze jest bardzo dużo różnych dodatkowych czynników wpływających na wyniki. Dodatkowo w laboratoriach używamy różnych materiałów imitujących naturalną roślinność; czasami zdarzają się już badania, w ramach których ktoś sadzi rośliny w laboratorium. Badania te są kluczowe, bo pomagają nam zrozumieć procesy. To, co my chcieliśmy zrobić, to pójść trochę dalej, bo rzeczywiście to, co widzimy w naturze ma się nijak do warunków laboratoryjnych dla wybranych konfiguracji czy typów roślin. Badania naturalnie porośniętych kanałów czy rzek, kiedy mamy do czynienia z bardzo różną, mieszaną roślinnością, są jednak kluczowe. Uczniowie uczestniczący w projekcie BRITEC byli nam bardzo pomocni, ponieważ obserwowaliśmy dzięki ich zdjęciom szereg różnych rzek w tym samym czasie. Nie bylibyśmy w stanie sami tego zrobić. Dzieci prowadziły fotomonitoring, obserwując, jak roślinność się zmienia. Warto podkreślić, że te zmiany nie tylko następują w przestrzeni i czasie, ale też sezonowo i pod wpływem różnych warunków hydrometeorologicznych. Obserwacje pozwoliły nam wytypować kanał, w którym prowadzimy teraz pomiary i eksperymenty znacznikowe.

D.B.: Chciałoby się zapytać o więcej, ale ograniczę się do ostatniego pytania: co możesz powiedzieć na podstawie Twoich dotychczasowych obserwacji badawczych o kondycji rzek w Polsce?

M.K.: Moja praca nie skupia się na badaniu kondycji rzek, gdyż nie zajmuję się bezpośrednio jakością wody. Wiemy, że chociaż ona zmienia się na lepsze, to ciągle pozostawia wiele do życzenia. W wyniku zmian klimatycznych będziemy mieli do czynienia coraz częściej ze zjawiskami ekstremalnymi, czyli zarówno z powodziami, podtopieniami, jak i też z długimi okresami suchymi. To będą takie sytuacje, gdy będziemy mieli wody za dużo albo za mało. W obydwu tych przypadkach jakość wody zawsze się pogarsza. Kiedy mamy mniej wody, to np. stężenie ścieków, które do niej zrzucamy, jest większe, a jakość wody gorsza. Również w sytuacji powodzi jakość wody się pogarsza, co jest związane ze spłukiwaniem różnego rodzaju substancji z miast i pól czy też dostaniem się do rzeki niepożądanych substancji. Mam nadzieję, że świadomość społeczna i rządzących rośnie i będziemy szli w dobrym kierunku na tyle, na ile możemy. Chociaż od różnych katastrof i awarii nie uwolnimy się całkowicie, możemy jednak próbować się na nie przygotować i dbać o jakość naszych rzek na tyle, na ile potrafimy.

D.B.: Bardzo dziękuję za rozmowę.