Opinie Wouter de Heij
Obecne obliczenia azotu nikomu nie pomagają
Pomiar to wiedza. Tak byś pomyślał. Lekarz może bardzo dokładnie zmierzyć temperaturę, ale nie może od razu stwierdzić, czy jesteś chory, czy nie. To samo dotyczy natury i Aeriusa, termometru ekologa. Stwierdza to Wouter de Heij, z wykształcenia inżynier chemik i aktywny przedsiębiorca w dziedzinie innowacji w żywności.
Załóżmy, że lekarze decydują się zgłosić osobę chorą, jeśli temperatura jej ciała wzrośnie powyżej 37,0°C. Chociaż teoretycznie ta wartość graniczna wydaje się bardzo jasna i precyzyjna, od razu pojawia się problem. Szybko staje się to widoczne, gdy spojrzymy na sprzęt pomiarowy. Termometr ze skalą 0,2°C może mierzyć stopnie tylko w odstępach co 0,2°C. Lekarz nie może rejestrować wahań temperatury z większą liczbą miejsc po przecinku.
Wygląd precyzji
Przykład pokazuje, jak precyzja funkcjonuje w praktyce w świecie medycznym. Lekarze rozumieją, że temperatura ciała poszczególnych osób waha się w pewnym zakresie. Dlatego nie stosują sztywnego limitu, lecz jeden zasięg. W swojej codziennej praktyce lekarz w celu poprawy stanu pacjenta opiera się bardziej na kryteriach diagnostycznych niż na pozornie „twardej jak skała” precyzji. Ponieważ temperatura ciała dorosłych waha się pomiędzy 35,5°C a 37,2°C, ustalenie granicy na poziomie 37,0°C nie jest przydatne w praktyce medycznej, ale też nie jest naukowo, ponieważ błędnie interpretuje się stan ludzi.
Schodzimy o krok głębiej. Załóżmy, że ktoś ma termometr kliniczny z wyświetlaczem z pięcioma miejscami po przecinku, a lekarz odczytuje go jako 37,23542°C. Jeśli temperatura tej osoby jest o 0,03542°C wyższa od typowej górnej granicy 37,2°C, można pomyśleć, że jest chora. Dokładność przyrządu pomiarowego zależy jednak nie tylko od liczby miejsc dziesiętnych, które może wyświetlić, ale także od faktycznej precyzji wykonanego pomiaru. Jeśli termometr ma maksymalną dokładność jednego miejsca po przecinku, oznacza to, że tylko miejsce po przecinku jest uważane za znaczące. W tym przypadku zmierzona temperatura 37,23542°C jest w rzeczywistości z dokładnością tylko do 37,2°C, ponieważ miejsca po przecinku nie są istotne. Ani dla samego pomiaru (który nie daje „faktu”, ale daje liczbę), ani dla diagnozy.
Te dwa przykłady pokazują, że ważne jest, aby jasno określić, co oznacza dokładność. W nauce, medycynie, a nawet świecie prawa musimy zdawać sobie sprawę z ograniczeń i dokładności (co w technicznym sensie nazywa się hałasem) przyrządów pomiarowych, przepisów i norm, aby podejmować świadome decyzje i wyciągać właściwe wnioski. Dokładność to nie tylko kwestia liczb, ale także zrozumienia kontekstu, w którym są mierzone i wykorzystywane.
Aerius, termometr ekologa
Podobna potrzeba dokładności dotyczy dokumentacji dotyczącej azotu. Będziemy szukać w pliku azotu pojęć, które spełniają podobne funkcje jak gorączka jako oznaka choroby. Kluczowe pytanie: jakiego termometru używamy w dokumentacji azotowej, aby określić stan zdrowia przyrody?
Na przykład standardem choroby w przypadku gorączki jest temperatura ciała wynosząca 37,2°C lub wyższa. Im wyższa jest temperatura ciała, tym większa szansa, że faktycznie jesteś chory. Lekarze jednak wiedzą, że to tylko szansa i że muszą wziąć pod uwagę także inne aspekty. Weź pod uwagę różne czynniki, takie jak wysiłek fizyczny, temperatura otoczenia lub wysoki poziom stresu. Czynniki te mogą również wpływać na temperaturę.
Monitorując granicę, na której przyroda jest zagrożona emisją azotu, Holandia wykorzystuje krytyczną wartość depozycji (KDW). Wartość ta jest porównywalna z wartością graniczną 37,2°C wskazywaną przez lekarza na termometrze. KDW wskazuje, że istnieje ryzyko, że przyroda ulegnie degradacji. W przypadku przekroczenia KDW wzrasta ryzyko pogorszenia się jakości przyrody. Jeśli jednak utrzymamy się poniżej KDW, ryzyko depozycji azotu nie istnieje lub jest znikome.
Wartość KDW została ustalona przez ekologów. Robili to głównie na podstawie badań praktycznych, w których nawóz (azot) jest aplikowany do gleby. Dzieje się to w mniej lub bardziej precyzyjnych etapach. Można to zrobić przy użyciu 5, 10, 20, a nawet 50 kilogramów azotu na hektar. W praktyce jednak badań nie prowadzi się w przeliczeniu na hektar, lecz na znacznie mniejszej powierzchni, np. na jednym metrze kwadratowym. Tak naprawdę dzieje się tak głównie w donicach, ponieważ pozwalają one na dokładniejsze pomiary. To drugie wskazuje, że badania prowadzone są poza naturą, w warunkach laboratoryjnych.
W przypadku gorączki lekarz używa termometru klinicznego jako przyrządu pomiarowego prawdziwe życie sytuacja. Następuje prawdziwy pomiar. Jednak w ekologii nie mamy „miernika”, który pozwalałby tak łatwo określić całkowite osadzenie. Nawet badacze akademiccy nie są w stanie dokładnie zmierzyć osadzania w praktyce, nie mówiąc już o wartościach po przecinku. Dlatego rząd odpowiedzialny za monitorowanie stanu przyrody w Holandii zdecydował się na wykorzystanie modelu komputerowego Aerius. Wartość tę kalibruje się na podstawie rzeczywistych pomiarów stężenia azotu w powietrzu; Sam Aerius jest modelem służącym do wykonywania obliczeń. Nie mierzy, ale oblicza na podstawie założeń, jaka jest całkowita depozycja azotu na danym obszarze w przeliczeniu na hektar rocznie. Czym termometr w rękach lekarza, tym Aerius w rękach ekologów.
Precyzja i poprawność
Chociaż lekarz może bardzo precyzyjnie zmierzyć temperaturę, zauważyliśmy, że lekarz ma więcej kryteriów diagnostycznych niż tylko sztywną i precyzyjną wartość graniczną, aby ocenić stan zdrowia swojego pacjenta. A co z dokładnością KDW i Aeriusa jako termometru ekologicznego w postaci modelu obliczeniowego?
Najpierw coś o pojęciu „poprawności”. W statystyce dokładność to stopień zgodności między (średnią) wartością serii obserwacji a wartością prawdziwą. Dokładność wartości, którą traktujesz jako punkt wyjścia do diagnozy, określa tzw błąd systematyczny. Im bardziej wartości systematycznie odbiegają od wartości prawdziwej, tym mniej dokładne są obserwacje. Wielkość błędów systematycznych zależy od liczby nieznanych czynników – i ich wzajemnego wpływu – które pełnią rolę szumu wokół badanego czynnika. Jeśli nie zidentyfikujesz błędu systematycznego, otrzymasz modele odbiegające od rzeczywistości.
Kolejna koncepcja ze statystyki: precyzja. To wskazuje na coś zupełnie innego. Precyzja to stopień, w jakim pomiary lub obliczenia różnią się lub to, jak spójne pomiary i zastosowane do nich algorytmy zawsze dają te same wyniki. Precyzja jest określana na podstawie błędu losowego. Im mniejsze odchylenia losowe, tym większa precyzja. Wpływ obu koncepcji na rozumienie rzeczywistości można zrozumieć na przykładzie strzału w dziesiątkę.
Źródło: Wikipedia
Na lewym obrazku widać, że precyzja jest wysoka, ponieważ punkty są blisko siebie. Jednocześnie widać, że celność jest niska, ponieważ są one daleko od celu. Oznacza to błąd systematyczny. Na prawym obrazie widać, że dokładność jest lepsza, ale precyzja jest niższa. W takim przypadku odchylenie w instrumencie, którego używamy do rejestrowania rzeczywistości w wartości, jest mniejsze.
Można się spodziewać, że KDW będzie można wyznaczyć z dokładnością +/- 35 do 70 moli na hektar rocznie. Odpowiada to rzeczywistej dokładności pomiaru próbki obornika. W ramce znajdziesz uzasadnienie tych liczb Krytyczna wartość osadzania poniżej.
Niedawno przesłuchano Rolanda Bobbinka Nowy Świat. Uważany jest za autorytatywnego ekologa i przyczynił się do przygotowania KDW dla holenderskich rezerwatów przyrody. Film dobrze ukazuje jego entuzjastyczną postawę i energię, która napędza jego myślenie. Był współautorem wielu opracowań i recenzji studiów. W Bobbinkach Przegląd i weryfikacja empirycznych ładunków krytycznych azotu dla Europy (110/2022) według typu przyrody (siedliska) można znaleźć, jaki według ekspertów jest ustalony KDW. Bardzo ważną rolę w podejmowaniu decyzji odgrywają komisje ekspertów. LNV poprosiło o tłumaczenie wartości eksperymentalnych dla holenderskich rezerwatów przyrody w latach 2008, 2012 i 2023. Autorytet Bobbinka dodał mu wagi.
Biorę Załącznik 2023 z najnowszego wydania (1):
Załóżmy, że KDW obszaru H3110 rzeczywiście wynosi 6 kilogramów na hektar rocznie. Wtedy liczba ta wskazuje również dokładność. W każdym razie jest tylko jedna cyfra znacząca; słusznie, nie podano liczby po przecinku. Mnożąc te 6 kilogramów przez 71,4 (z trzema cyframi znaczącymi), za pomocą kalkulatora otrzymasz 428,4 moli na hektar rocznie. Byłoby to jednak naukowo niepoprawne przedstawienie, które sugeruje zbyt dużą dokładność. Właściwie powinieneś zapisać tę liczbę z jedną cyfrą znaczącą: 4 x 10^2 mol; zapis 429 mol jest naukowo całkowicie „błędny”.
Innym sposobem spojrzenia na to jest uświadomienie sobie, że przy określaniu KDW w praktyce stosuje się szeregi nawozowe. Często na 1 kilogram lub na 2 kilogramy rozdzielczości (czyli 3, 4, 5, 6, 7 lub 4, 6, 8, 10 kilogramów na hektar), ale czasami także w krokach co 10 kilogramów. Można zatem bezpiecznie założyć, że określenie masy ma dokładność co najmniej +/- 0,5 kilograma (ale prawdopodobnie nawet +/- 1 kilogram lub więcej). Przeliczone z powrotem na mole: +/- 0,5 x 71,4 = +/- 40 mol lub +/- 1 kilogram x 71,4 = +/- 70 mol.
KDW dla bardzo wrażliwej natury wynoszą wówczas około 5 x 10^2 +/- 70 mol. Nigdy nie mogłyby być bardziej precyzyjne. Intuicyjnie jednak myślę, że musimy uwzględnić co najmniej +/- 100 moli. W debacie politycznej na temat azotu chodzi o jego niewielką część, czyli 0,0005 mola, a obecnie także o 1 mol lub 10 moli. Zależność pomiędzy tymi liczbami jest dość niejasna i z pewnością nie przemawia w dyskusji za bardziej precyzyjnymi wariantami.
W razie potrzeby komputery mogą obliczyć tysiące miejsc po przecinku. Modelarze, którzy spędzają zbyt dużo czasu za ekranem, a za mało w terenie, lub którzy są mniej wykwalifikowani w statystyce, mogą szczęśliwie pozwolić, aby ich procesory pracowały z okropnie fałszywą precyzją. Są to jednak tylko liczby, które nie mają żadnego rzeczywistego obiektu w świecie zewnętrznym. Niemniej jednak możemy spróbować oszacować precyzję i dokładność liczb, które model oblicza dla Aeriusa.
Zacznijmy od tego ostatniego: pomiary suchego osadzania są rzadkie. Modele suchego osadzania zostały porównane w badaniach naukowych (i wykazują znaczne różnice), ale każdy z tych obliczeń modelowych ma również swoją własną dokładność. W ten wcześniejszy tekst Omówiłem ilościowo sposób działania preparatu Aerius. Jednakże występuje niedokładność w każdym z etapów: emisja > dyspersja > osadzanie. Jeśli dla wygody przyjmiemy, że depozycja jest liniowo zależna od lokalnego stężenia azotu (amoniaku całkowitego i NOx), to pojawia się pytanie: z jaką dokładnością wiemy, jakie jest średnioroczne stężenie azotu i z jaką dokładnością to określamy? znasz ilość opadów? ?” Dokładność odnosi się do liczby cyfr znaczących, które są poprawne naukowo. Muszę przyznać, że nie przeprowadziłem obszernej analizy, ale deszcz jest wyrażany w milimetrach (a nie z miejscem po przecinku). Dlatego można śmiało powiedzieć, że maksimum to dwie cyfry znaczące. Stężenie amoniaku często podaje się z dokładnością do jednego lub dwóch miejsc po przecinku, jednak podejrzewam, że i w tym przypadku tylko dwie cyfry są znaczące.
Oznacza to, że mokrego osadzania nigdy nie można zmierzyć lepiej niż za pomocą dwóch cyfr znaczących. Określenie suchej depozycji jest jeszcze trudniejsze. Znajduję różnice między modelami o współczynniku od 2 do 4. Myślę, że błąd względny wynosi co najmniej 50%. Ze względu na dodatek osadzania na mokro i na sucho, dokładność całkowitego osadzania w dużej mierze zależy od najmniej dokładnego osadzania (myślę, że na sucho). Jeśli pomiary są już tak niedokładne, jak możemy sądzić, że ogólny model pochodny Aeriusa może taki być?
Jeśli będziesz konsekwentnie podążać za tym rozumowaniem, nie będziesz mógł powstrzymać się od wniosku, że naukowa precyzja Aeriusa wynosi około +/- 25 do 50 moli lub więcej. Myślę też, że sucha depozycja jest w modelu mocno przeszacowana. Oznacza to, że Aerius jest nie tylko mało dokładny, ale prawdopodobnie występuje także błąd systematyczny w modelu osadzania. Ten błąd systematyczny oznacza, że dokładność również jest prawdopodobnie nieprawidłowa. Dokładność osadzania obliczona przez Aeriusa może okazać się o dziesiątki, a może sto moli większa niż w rzeczywistości. Dlatego Aerius trochę chybia celu.
Jeśli chodzi o termometr Aerius, komputerowy model, za pomocą którego rząd monitoruje stan przyrody, możemy założyć, że całkowity osad obliczony przez model ma porównywalny stopień dokładności z pomiarami, na których opiera się model. Oznacza to, że pomimo pozornej zdolności do obliczeń z wieloma miejscami po przecinku, Aerius prawdopodobnie ma dokładność +/- 25 do 50 moli na hektar rocznie. Zobacz ramkę Dokładność, jeśli chodzi o precyzję i poprawność poniżej w celu uzasadnienia tego szacunku.
Pojęcia precyzji i poprawności odgrywają kluczową rolę w różnych aspektach naszego życia, ale często wymagają kilku aspektów, aby uchwycić złożony proces w ramach teoretycznych, które są przydatne w praktyce. W pliku azotu KDW jest określana tylko jedną cyfrą znaczącą. Liczba ta podaje również oczekiwaną precyzję oznaczenia: myślę, że +/- 40 moli lub więcej. Jeśli chodzi o dokładność Aeriusa (tj. modelu jako przyrządu pomiarowego), precyzja wynosi +/- 25 do 50 moli lub więcej; prawdopodobnie występuje także błąd systematyczny, co powoduje, że nie można jeszcze nic powiedzieć o poprawności modelu.
Oprócz Komitetu Hordijka TNO sprawdziło również dokładność. W dniu 28 kwietnia 2022 r. TNO przesłało do Ministerstwa Rolnictwa, Przyrody i Jakości Żywności notatkę pt. Demarkacja w modelowaniu wkładu depozycji wkładów poszczególnych projektów (Faza 2) Wersja 3. TNO stwierdza, że szum w obliczonej depozycji mieści się w przedziale od 1 i 10 mol/ha/rok. TNO opierało się głównie na niepewności meteorologicznej w OPS (TNO mówi o „rozważaniu opartym na wybranej przez fizykę dolnej granicy arytmetycznej”). TNO nie zagłębiło się w pomiary suchego i mokrego osadzania oraz związaną z tym niedokładność pomiaru. To właśnie ta niedokładność pomiaru ostatecznie decyduje o dokładności (skalibrowanego) modelu. Fizycznie bezcelowe – i naukowo szkodliwe – jest uwzględnianie w obliczeniach modelu bardziej znaczących liczb niż oryginalne pomiary, na podstawie których model został zweryfikowany.
Gdyby TNO miało przyjrzeć się tym praktycznym pomiarom, prawdopodobnie TNO musiałoby również dojść do wniosku, że niedokładność Aeriusa jest rzędu dziesiątek moli i że dolna granica szumu TNO wynosząca 1 mol jest bardzo konserwatywna (optymistyczna) strona. Na stronie 26 stosownej noty TNO porusza także kwestię nieścisłości zapisu KDW. Jako źródło podaje się Abbot i in. (2003). Opat zakłada niepewność dla KDW na poziomie 20%. Cytowano także Van Dobbena i in. (2012), który stwierdził, że niepewność wynosi kilka kilogramów na hektar rocznie. Myślę, że ta niepewność jest uzasadniona. TNO zakłada jednak, że KDW mierzy się z dokładnością do 0,1 kilograma, i dlatego stwierdza, że dokładność wynosi 7 moli. Van Dobben zapewne ma rację w swojej obserwacji, że +/- 1 kilogram to naprawdę najlepsza precyzja dla KDW (teoretyczna +/- 0,5). Zatem 7 moli TNO dla KDW jest przyjaznym, naukowym przypuszczeniem. Dlatego bardziej realistyczne jest założenie co najwyżej +/- 35 moli lub nawet +/- 70 moli na hektar rocznie dla dokładności KDW.
Obecnie w parlamencie toczy się gorąca debata na temat liczb 0,005 mola na hektar jako podstawy wymogu pozwoleń na projekty budowlane dla przedsiębiorstw i infrastruktury samego rządu oraz zastąpienia ich wartością dopuszczalną wynoszącą 1 mol. Odpowiedzialna minister Van der Wal mówi o dużej trosce, z jaką chce obchodzić się z prawem i rzeczywistością. Dlaczego skoro poprawność modelu jest tak rażąca? Można stwierdzić, że decydenci i parlament nie biorą pod uwagę ograniczeń i niedokładności stosowanych instrumentów pomiarowych i modeli.
Na przykład niemieckie firmy mogą emitować więcej azotu i pobierać wyższe podatki od pobliskich rezerwatów przyrody niż firmy holenderskie. Wydaje się, że Niemcy mogą przyjmować bardziej poprawne z naukowego punktu widzenia podejście do oceny depozycji azotu. Nasz wschodni sąsiad dopuszcza osadzanie 21 moli (300 gramów) jako wartość graniczną. Należy od razu zauważyć, że lepsza nauka i ulepszanie przyrody niekoniecznie są tym samym. Oznacza to jednak, że bardzo mocne ograniczenie azotu raczej nie pomoże ze względu na ograniczoną dokładność modeli, z którymi współpracuje holenderski rząd. Oznacza to, że w grę wchodzą nieznane, ale determinujące czynniki inne niż sam azot. Mówiąc wprost: jeśli utrzymasz temperaturę pacjenta chorego na serce z POChP w temperaturze wyraźnie poniżej 37,23542°C, ale zapomnisz podać mu wystarczającą ilość tlenu, wody, tabletek, respiratora i wdechu, pacjent i tak umrze.
Cała Holandia cierpi z powodu złej nauki
Ważne jest, abyśmy w Holandii podeszli do koncepcji dokładności w sposób naukowo poprawny, jak wcześniej stwierdził Komitet Hordijk. Nie należy wykorzystywać preparatu Aerius do celów uzyskania pozwoleń, ponieważ ze względów naukowych nie nadaje się on jako instrument prawny. Ponadto nadaje się jako termometr do monitorowania stanu holenderskiej przyrody tylko wtedy, gdy dokonana zostanie prawidłowa ocena błędu systematycznego.
Jeśli nie zagłębimy się w precyzję i poprawność (dokładność) i nie ustalimy błędu systematycznego opartego na algorytmie termometru azotowego Aerius, to ucierpi cała Holandia. Nie pomaga to przyrodzie, utrudnia życie firmom i rolnikom, a obywateli może kosztować niesamowitą ilość zmarnowanych pieniędzy. Rutte IV przeznaczyła prawie 25 miliardów euro na bardzo niedokładnie określone cele przyrodnicze. Inwestowanie jest w porządku, ale nie w zamki w powietrzu.
Niniejszy artykuł jest częścią współpracy merytorycznej pomiędzy Boerenbusiness en dziennik żywności.
Wouter de Heij
© Analiza rynku DCA. Niniejsza informacja rynkowa podlega prawu autorskiemu. Zabrania się reprodukowania, rozpowszechniania, rozpowszechniania lub udostępniania treści osobom trzecim za wynagrodzeniem w jakiejkolwiek formie bez wyraźnej pisemnej zgody DCA Market Intelligence.
