Entrades amb l'etiqueta ‘arbres’

Aquestes misterioses direccions

divendres, 19/05/2017

Hi ha arbres que són molt més disciplinats que altres. Quasi totes les branques del pollancre de la imatge miren cap amunt, mentre que les de la figuera pugen i baixen (he pintat la direcció de dues branques d’un i altre, les primeres en groc i les altres en vermell). És clar que hi ha arbres més interessats en pujar cap amunt que altres.

Mentre feia la foto de la figuera, vaig pensar en la resposta d’un estudiant de fa uns anys a una pregunta d’examen. En una determinada imatge com la de la figuera, però d’un model geomètric sintètic, preguntàvem la direcció en què s’havia fet la foto virtual. La resposta del noi va ser curta, simple i errònia: va dir que s’havia fet en una direcció perpendicular al punt de vista.

Tant en el món real com en el de la geometria, cada cosa es pot mesurar d’una certa manera però no d’altres. Els minuts ens permeten mesurar el grau de cocció d’un plat que estem cuinant, els euros ens ajuden a discernir quina companyia aèria és la que ens ofereix millors condicions per viatjar, i els mil·ligrams ens informen de si la dosi que hem de prendre d’un medicament és la correcta. Però no podem mesurar els vols d’avió en grams ni les píndoles en metres. I amb les branques dels arbres passa el mateix. Una branca, si és força recta, queda ben definida per la seva posició (que pot ser, per exemple, el punt d’on es bifurca i neix) i la seva direcció, de la mateixa manera que per explicar com hem fet una foto hem de dir on ens hem posat per fer-la i en quina direcció l’hem fet. Per saber i poder explicar on són les coses hem de parlar de punts (posicions) i direccions (vegeu la nota al final). El punt des d’on vaig fer la foto de la figuera era prop de les seves branques i la direcció, si mireu la imatge, veureu que era una mica cap avall.

Els punts permeten calcular distàncies i les direccions, angles. Podem parlar de la distància entre l’extrem d’una branca d’un arbre i una determinada fulla d’un altre, i podem saber l’angle que formen dues branques determinades entre elles. Donades tres direccions de referència (per exemple, la direcció horitzontal cap al nord, la que apunta  a l’est i la vertical), qualsevol altra direcció queda determinada pels angles que forma amb aquestes tres (el conjunt de tres direccions de referència i un punt s’anomena sistema de coordenades cartesianes). Podem trobar parelles de direccions que formin angle recte i siguin perpendiculars. Però mai una direcció podrà ser perpendicular a un punt.

Gràcies al geni de Carl Friedrich Gauss, tenim una representació molt bonica de les direccions: el mapa de Gauss (o esfera de Gauss). Imagineu una esfera de radi 1, com la que teniu a la imatge. Per representar la direcció de les dues branques del pollancre (fletxes grogues), les porteu a l’origen de l’esfera, i representeu les seves direccions pels punts (grocs a la imatge) en els que aquestes direccions intersequen la superfície de l’esfera (observeu que els vectors de les direccions són en 3D, i que per tant, els punts d’intersecció poden caure més endavant o més enrere. Si ara feu el mateix amb les direccions (vermelles) de les branques de la figuera, obtindreu els dos punts vermells del mapa de Gauss. Imagineu que repetiu el mateix per totes les branques del pollancre. Cada branca té una direcció, i cada direcció és un punt a l’esfera de Gauss. Al final tindreu un globus (una mena de bola del món) amb tot de punts que ens mostren el mapa de les direccions de totes les branques. Amb el mapa de Gauss, la complexitat de les direccions a l’espai es redueix a un conjunt de punts en una bola. Els punts del mapa de Gauss del pollancre seran propers a la seva part superior, perquè totes les branques pugen amunt; en canvi, la figuera ens donarà un mapa amb punts als dos hemisferis i fins i tot amb petits segments que representen la variació continua de direcció al llarg de les branques corbades.

Els models matemàtics d’arbres es basen en determinades constatacions experimentals, com per exemple que la forma de la seva copa tendeix a ser esfèrica quan les fulles es distribueixen uniformement al llarg de les branques, mentre que quan les seves fulles són bàsicament al final de les branques, la forma de l’arbre acaba sent cònica. D’altra banda, s’ha vist que la suma dels gruixos de les branques que surten de qualsevol bifurcació és habitualment més gran que el de la branca inicial abans de dividir-se. Tot això, junt amb altres mesures específiques per a cada espècie en concret, permet l’elaboració de models estadístics que preveuen el gruix i direcció de les branques, la distribució de les fulles i la forma final de tot l’arbre. En tot cas, els mapes de Gauss sobre l’esfera unitària podrien ser una molt bona eina per caracteritzar la distribució de les direccions de les branques a cada tipus i espècie d’arbre, tot i que he de reconèixer que no he estat capaç de trobar ningú que ho hagi estudiat i que representi arbres en esferes de Gauss. Seria bonic, oi?  Un arbre quedaria representat com una munió de punts (el que s’anomena un “núvol de punts”) a l’esfera. Els pollancres tindrien els punts dalt de tot i els salzes més aviat a baix.

Cal reconèixer que és més fàcil pensar en punts i distàncies que en direccions i angles. Tots ens atrevim a fer càlculs aproximats de distàncies amb la vista. Però si ens pregunten quin és l’angle d’elevació de la lluna en un cert moment a la nit, és quasi segur que ens equivocarem (vegeu la nota al final). Les direccions són enganyoses. La lluna sembla gran quan surt de l’horitzó i després veiem que es fa petita a mesura que va pujant, però tot és fals, perquè l’ample de la lluna (que no és més que l’angle entre les direccions en que veiem els seus dos extrems a dreta i esquerra) no canvia. El que passa és que som maldestres a l’hora de mesurar angles entre direccions.

Sabríeu imaginar quin aspecte té el mapa de Gauss dels arbres del vostre carrer o jardí? Hi ha algun dia de l’any en que totes les direccions que apunten cap al Sol al llarg del dia es trobin en un únic pla? Com calcularieu, sense mirar cap mapa i sense bruíxola, l’angle entre les façanes de dues cases de carrers diferents del vostre poble? Quin és el mapa de Gauss de les direccions de vol de les orenetes?

Per cert, la Marxa per la Ciència va aplegar un total de més de un milió de manifestants a  tot el món, fet que no té precedents. Aquesta Marxa per la Ciència ha passat a ser el major esdeveniment de la història de la ciència mundial.

———

NOTA: Els elements més simples de la geometria són els punts, les rectes i els plans. Un punt té posició (que podem indicar amb les seves tres coordenades x, y, z) però no es pot mesurar, com bé deia Euclides. Una recta, per exemple la que passa per dos punts A i B, ja té posició i orientació; de fet, en té dues, de direccions, perquè la podem definir com la recta que passa pel punt A (posició) i que té la direcció que va de A a B, o com la que passa pel punt B i té la direcció que va de B a A. Si parlem només d’una de les dues possibilitats, tenim el cas d’una recta orientada. Les direccions es representen habitualment per vectors unitaris, perquè el seu mòdul no serveix de res si només volem saber la direcció. En altres paraules, la direcció de la recta anterior vindria definida per un vector que podríem calcular com (B-A) dividit per la distància entre A i B. Finalment, un pla es pot definir amb un punt P (qualsevol punt del pla) i la seva direcció normal n. Amb aquestes dues dades, és clar que el pla és el conjunt de punt Q tals que la direcció que va de P a Q és perpendicular a n.

L’angle d’elevació de la lluna és l’angle entre la direcció en què veiem la lluna a la nit i el pla del terra. Parlant en termes d’angle entre dues direccions, també podem dir que és el mínim de tots els angles entre la direcció en què veiem la lluna i totes les possibles direccions 2D del terra. Per cert: donat qualsevol pla, és fàcil veure que la representació, en el mapa de Gauss, de totes les direccions que conté, és un cercle màxim de l’esfera.

Els vectors (que, donat un sistema de coordenades cartesianes 3D, podem representar pels seus tres components vx, vy, vz) tenen propietats interessants. Per exemple, donats dos vectors v1 i v2, els vectors que podem calcular com a*v1 + b*v2 per qualsevol valor de a i b, ens donen totes les possibles direccions 2D del pla que conté un punt qualsevol i que també conté les dues direccions donades v1 i v2. El producte escalar entre v1 i v2 ens permet calcular l’angle que els separa (tant en 2D com en 3D) amb una d’aquestes formules simètriques que ens fan gaudir de la bellesa de la simplicitat geomètrica. Si el producte escalar és zero, sabem que les dues direccions són perpendiculars, i el producte vectorial de v1 i v2 dona com a resultat un vector v3 que és a la vegada perpendicular a v1 i a v2.

 

Arbres i cròniques

dijous, 14/07/2016

Fa poc, mentre passejava, vaig trobar-me un arbre tallat. És el de la foto. Alguna cosa se’m va remoure per dins. Calia tallar-lo? No ho sé, però tinc els meus dubtes. Recordo molts arbres, als carrers, que van ser part de la meva vida durant anys i anys i que, un cert dia, algú va decidir tallar perquè feien nosa. Hi ha qui creu que, a tota reforma urbanística, el primer que cal fer és treure entrebancs i tallar arbres. Per què? He de confessar que em sento més proper als qui van projectar l’ampliació d’algunes carreteres com la que va a Vilalleons o la que surt d’Es Mitjorn Gran: van respectar el tram antic, cobert per una meravellosa doble filera de plàtans (pins), deixant-la per al pas en una de les direccions i van construir, al costat, un nou tram per a la circulació en direcció contrària.

Heu sentit parlar dels dendrocronòlegs? La dendrocronologia és la branca de la ciència que estudia els anells dels arbres i analitza els missatges que amaguen. El principi és ben senzill: La majoria d’arbres formen un nou anell de creixement cada any. El gruix d’aquest anell depèn de la temperatura i humitat durant l’any en qüestió, perquè els arbres creixen millor i de manera més perllongada els anys de clima benigne i humitat adequada. En canvi, a les èpoques de sequera creixen menys i fan anells més prims. D’altra banda, els arbres propers i de la mateixa zona viuen condicions climàtiques similars i per tant produeixen patrons semblants de creixement dels seus anells, tot i que cada arbre té la seva individualitat i el seu propi model de creixement. Per exemple, tendeixen a créixer menys a mesura que es fan vells de manera que els anells centrals són més separats que els exteriors, com podeu veure a la imatge de dalt.

La prehistòria s’amaga a la foscor dels temps perquè els humans no vam començar a escriure i deixar constància del que passava fins fa uns cinc mil anys. Però molt abans, els arbres ja anaven escrivint (escrivint-se) la crònica anual del seu entorn. La diferència amb el que ens expliquen altres sistemes de datació (com el basat en el carboni-14) és que la crònica dels arbres de l’antiguitat és viva i diversa. Els arbres d’un bosc viuen els mateixos canvis climàtics, però amb matisos. Els arbres més protegits al centre del bosc no produeixen i escriuen els mateixos anells que els que es troben en zones exposades al vent i a les inclemències del temps. Els dendrocronòlegs saben llegir els factors ambientals comuns a tots els arbres d’una mateixa regió junt amb les especificitats de cada un d’ells. Interessant, oi?

La dendrocronologia ve de lluny. El Laboratori d’investigació dels anells dels arbres de la Universitat d’Arizona va iniciar la seva activitat l’any 1937, i des de llavors es dedica a recopilar i guardar dades. Els investigadors han anant recopilant informació i creant un bon nombre de bases de dades, que ara poden compartir els científics de tot el món. La imatge que podeu veure a sota és d’aquest article de l’any 1941 de A.E. Douglas (fundador del laboratori ja comentat de la Universitat d’Arizona) i mostra com es feien coincidir, a mà, els patrons dels anells de 4 arbres que van viure fa 750 anys. Podeu veure que l’any 1260 va ser clarament més suau que el 1270, i que el 1251 va ser un any de sequera, amb una clara coincidència entre el que van percebre i enregistrar per separat cada un dels quatre arbres.

A les excavacions és fàcil trobar soques fossilitzades o semi-fossilitzades. No és difícil mesurar l’amplada dels anells de qualsevol d’elles. Un cop corregits efectes subjectius (de l’arbre) com el de l’envelliment, obtenim una seqüència d’amplades d’anells que cobreix tota la vida de l’arbre. És el seu testament, la crònica de la seva vida. L’arbre no sap res del que va passar abans de néixer ni ens pot dir res del que va succeir després de la seva mort, però ens regala el patró de tots els daltabaixos climàtics al llarg de la seva vida. Els dendrocronòlegs comparen els patrons d’arbres de la mateixa zona i els van emparellant anell a anell, de manera que acaben descobrint les pautes objectives de variació climàtica. El gràfic que podeu veure en aquesta pàgina web explica molt bé el que s’ha aconseguit esbrinar fins ara. És la variació climàtica a l’Europa central, any a any, des de fa 14.000 anys fins fa uns 10.200 anys, coneguda i entesa només a partir de l’estudi dels anells dels arbres. Estem parlant de molts anys abans de la revolució neolítica. Els humans no escrivien, però els arbres van preservar els canvis climàtics any rere any i ara ens regalen la seva crònica particular.

Inicialment, aquesta anàlisi dels patrons dels arbres es feia manualment. Suposem que trobem una soca d’arbre semi-fossilitzat. Estudiem els seus anells, obtenim el patró de les variacions climàtiques anuals al llarg de la seva vida, i acabarem tenint una gràfica més curta (de 50, 100 o 200 anys) però molt similar a la de la web del WSL. Ara només cal veure on encaixa amb la gràfica temporal de tot el que ja hem aprés fins ara, i això ens dirà l’edat de la soca. Aquesta tècnica, anomenada de datació creuada, funciona perquè és molt improbable que el patró de variacions climàtiques al llarg de tota la vida d’un arbre encaixi bé a més d’un lloc en el gràfic de tota l’evolució ja coneguda, com bé ens explica l’estadística. Fixeu-vos un cop més en la gràfica del WSL. Veureu que hi ha una zona, al voltant de fa uns 12.500 anys, on encara no tenim dades. Però només és qüestió de temps: l’escletxa sense informació s’anirà tancant a mesura que trobem soques d’arbres que se superposin parcialment amb la zona verda o amb la blava de la gràfica i que a la vegada expliquin una mica dels anys del mig. Seran arbres que van néixer a la zona verda i van morir als anys desconeguts, o bé que van néixer durant aquests anys i que van morir ja a la zona blava de la gràfica.

Les tècniques actuals de datació creuada utilitzen mètodes estadístics i resolen el problema amb algorismes informàtics que permeten correlacionar patrons i testejar diverses hipòtesis en relació als factors ambientals. Es basen en calcular la probabilitat que unes determinades condicions climàtiques hagin acabat produint els anells que observem a la soca que hem trobat, i en el fet que el grau de certesa de les inferències estadístiques augmenta a mesura que recollim més i més dades. Tot plegat és un bon exemple de treball interdisciplinari entre biòlegs, estadístics i informàtics. En aquesta pàgina web podeu trobar tot tipus de dades i paquets informàtic/estadístics per al problema de les datacions.

Ara fa tres anys, els investigadors suïssos van trobar 257 soques de pi en una zona en construcció als peus del Uetliberg. Les soques, semi-fossilitzades, van poder ser analitzades i els seus anells ens van explicar que eren pins de fa 13.000 anys, pins que havien crescut just després de la darrera glaciació, quan les glaceres alpines començaven a retrocedir. És un descobriment molt important, que ens portarà llum sobre les condicions climàtiques a Suïssa a finals de la darrera edat de gel. Aquí teniu un mapa interactiu que també ho explica.

Els arbres semi-fossilitzats són veritables documents escrits que ens estan permetent desxifrar i interpretar allò que els nostres avantpassats no ens van saber dir.

Però el clima actual està embogint. El que diu en Ramon Folch és esfereïdor, mireu la cita del final d’aquest article. En Ramon Folch ens recomana aquest vídeo, que mostra la variació de la temperatura global de la Terra des de 1880 fins a 2015. Tal vegada, d’aquí a uns segles, els humans ens haurem suïcidat col·lectivament i ja no podrem gaudir de la crònica que els arbres escriuen any rere any. Però els arbres continuaran deixant constància escrita del que va passant al seu entorn, com ja ho van fer després de l’extinció dels dinosaures, esperant que alguna futura espècie, més conscient i sàvia que nosaltres, els torni a llegir.

——

Per cert, en Ramon Folch constata que, per vuitena vegada consecutiva, a la Terra hem tingut el mes globalment més càlid de l’últim segle. Diu que el clima canvia perquè els humans escalfem l’atmosfera amb la combustió massiva de combustibles fòssils, i que no és mala sort, sinó que és una conducta temerària i culpable.

 

Arbres abrigats i arbres que abriguen

dijous, 26/05/2016

El meu pare deia que a l’hivern era bo protegir els fruiters. Quan s’apropaven els mesos de gener i febrer, embolicava els troncs del llimoner i del taronger amb draps gruixuts de llana i cotó, per a que “no passessin fred”. La veritat és que no ho vaig acabar mai d’entendre. Els humans ens abriguem per reduir la dissipació de calor i no refredar-nos. La roba d’hivern ens permet mantenir la temperatura del cos amb menys despesa energètica. Però a ningú se li acut embolicar les pedres, perquè la temperatura de les pedres, les papereres i les baranes del carrer s’equilibra amb la temperatura ambient tant si les abriguem com si no. Per què hem d’abrigar els arbres, si a l’hivern semblen tan freds com les tanques dels jardins?

Després vaig saber que justament, un costum dels jardiners japonesos a l’hivern és el d’abrigar els arbres. La tècnica més popular és el faixí de palla, wara no obi o wara-maki, que utilitzen per protegir les parts més sensibles del tronc o fins i tot per tapar-lo totalment de manera més o menys artística, com podeu veure a la imatge (que podeu trobar aquí). Un altre dels dissenys força popular a l’hivern en els parcs japonesos és una construcció cònica feta amb tires de palla nuades a un pal central de bambú anomenada yuki-tsuri, més artística i que limita la convecció i dissipació d’aire calent sobretot a la zona del centre, tal com podeu veure aquí. La veritat és que mai sabré si el meu pare ho havia aprés dels jardiners japonesos.

L’Alberto Pérez Izquierdo explica que si a l’hivern hem de deixar el cotxe a la nit al ras, si veiem que pot glaçar el millor que podem fer és aparcar-lo sota un arbre. Explica que el metabolisme dels arbres els manté per damunt dels zero graus encara que faci més fred. Com que els cotxes i objectes que deixem sota els arbres tendeixen a equilibrar la seva temperatura amb la de l’arbre, la seva superfície no es congela. Els arbres abriguen i protegeixen del fred, perquè els seus processos vitals fan que siguin petites estufes. Subtils, però apreciables.

Però, què és el metabolisme? El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc en un organisme per a mantenir-lo viu. El metabolisme fabrica les molècules que són bàsiques per la vida (carbohidrats, aminoàcids i lípids), però quan cal, també les crema per a generar energia. Una cosa sorprenent del metabolisme és la gran semblança entre les reaccions químiques metabòliques de tots els éssers vivents, incloent els microbis, les plantes i arbres, els animals i nosaltres. Com podeu llegir aquí, aquestes semblances són probablement degudes a la seva aparició ben al principi de la historia de la vida, quan es van estabilitzar com a reaccions bioquímiques de gran eficiència. La fàbrica metabòlica que tots portem dins és molt semblant a la dels arbres, té més de dos mil milions d’anys i ve dels orígens de la vida a la Terra. Ho explica molt bé en Freeman Dyson, que defensa el doble origen de la vida a partir de la simbiosi entre partícules que sabien metabolitzar i d’altres que podien reproduir-se per duplicació. Però la fàbrica vital del metabolisme no s’escapa al segon principi de la termodinàmica: quan generem energia per moure’ns i créixer, hem de dissipar energia i escalfar el medi exterior. Tot el que genera treball i moviment és una petita estufa que escalfa el medi ambient: les fàbriques i els cotxes, les cases i les motos, però també els arbres i nosaltres pel sol fet de viure. Perquè el metabolisme manté l’ordre dins dels nostres cossos per mitjà de la creació de desordre (escalfament) exterior.

He tardat anys a entendre-ho, però el meu pare tenia raó. Tot el que viu genera calor, perquè la vida és metabolisme i el metabolisme dissipa calor. Les plantes, els arbres, els insectes i tots els animals vius són una mica més calents que el seu entorn, independentment de si són o no de sang (o saba) freda. En una fotografia nocturna amb càmera d’infraroigs, els arbres vius mostren el color de la seva radiació subtil, mentre que els troncs dels arbres morts surten negres. I a l’hivern, els arbres poden sobreviure els dies gèlids perquè el seu metabolisme manté la part central dels seus troncs a temperatures per damunt dels zero graus (o damunt de la seva temperatura de congelació). L’escorça ja és una bona protecció natural, però els hiverns molts freds, una protecció addicional sempre els pot ajudar a no congelar-se, de la mateixa manera que nosaltres ens posem l’abric damunt el jersei. Per això, la tècnica wara-saki dels japonesos protegeix els arbres del fred, a més dels insectes i de la neu. Els hiverns durs i congelats, i més si sou al camp, penseu en els jardiners japonesos i abrigueu els arbres (sobretot els que venen de regions càlides). Quan vingui el bon temps, us ho agrairan amb flors i fruits. I si a l’hivern no sabeu on aparcar, feu-ho sota un arbre.

Per cert, en Toni Güell diu que la visió, fa una setmana, de milers i milers de rodes en flames en l’incendi del cementiri de pneumàtics de Seseña, ens mostra clarament que alguna cosa fonamental s’ha esguerrat en el camí del progrés.