Wie lange kann man noch Urlaub auf den Malediven machen?
Modellierungsthema
[Bearbeiten]Wir wollen herausfinden, in welchem Jahr die Malediven überschwemmt sind. Grund dieses Phänomens ist der jährliche Anstieg des Meeresspiegels.
Ziele
[Bearbeiten]- Darstellung einer spezifischen Insel der Malediven
- Darstellen einer Funktion, die den Meeresspielanstieg verdeutlicht
- Meeresspiegelanstieg und Fläche der Malediven in Zusammenhang bringen
Technische Werkzeuge:
Im OLAT befindet ist im Materialordner nun eine csv Datei der geographischen Daten, die in Octave eingelesen werden können, siehe die Skript 'Malediven'. Allerdings sieht die Insel anders aus, wieso?
Mathematische Werkzeuge für das Modell
[Bearbeiten]Sekundarstufe I
[Bearbeiten]- Datenrecherche des Insel, bzgl. Höhe und Größe
- Datenrecherche der Höhe des Meeresspiegels
- Datenrecherche und in Tabellenform bringen
- Diagramme erstellen, z.B. ein Säulendiagramm
- Summe berechnen mithilfe der Tabellenkalkulation
- Mittelwert berechnen der Jahre und des Anstiegs
- Programme: Tabellenkalkulation
Sekundarstufe II
[Bearbeiten]- Trendlinie erstellen
- Regressionsgerade berechnen
- Arbeiten mit der Regressionsgerade
- Satellitenbilder Auswertung
- Programme: Tabellenkalkulation, GeoGebra
Uni
[Bearbeiten]- Lineare Regression berechnen
- Matrixdarstellung in Octave
- Matrizen zusammenfügen (Wasser-und Inselmatrix)
Modellierungszyklen
[Bearbeiten]Zyklus 1: Insel in Matrix überführen
[Bearbeiten]Villingili, auch Wilingili genannt, ist die Insel, die wir darstellen. Sie gehört zum Addu-Atoll (Seenu). Dort befindet sich die höchste Erhebung der Malediven mit zwei Metern über dem Meeresspiegel. Dies ist der Grund, weshalb wir uns für diese Insel entschieden haben.
Mit Hilfe einer Satellitenaufnahme, die zeigt, welcher Teil der Insel bei welcher Erhöhung untergeht, haben wir eine 20x28 Matrix erstellt:
A=
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 7 6 6 7 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 7 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 7 7 7 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13 9 9 9 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 7 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 3 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Verbesserung des Zyklus 1: Insel in Matrix überführen
[Bearbeiten]
Um eine genauere Annäherung der Insel zu erhalten wurden die Quadrate, mit deren Hilfe die vorherige Matrix erstellt wurde, verkleinert.
Diese wurden mit Hilfe des Programmes GeoGebra eingeteilt. Dabei wurde jedes größere Quadrat in weitere kleinere geteilt. Die vorherige Einteilung der Quadrate lieferte jeweils einen Flächeninhalt von 1ha. Durch die Verkleinerung dieser, blieb ein Flächeninhalt pro Quadrat von 0,25ha übrig.
Da hier das Problem auftauchte, dass ein eingeteiltes Quadrat beispielsweise zur Hälfte aus Wasser und zur Hälfte aus Insel bestand, wurde auch hier mit Hilfe von GeoGebra eine Gewichtung durchgeführt. Um eine möglichst realitätsnahe Abbildung der Insel zu erhalten, wurde jeweils an den Randpunkten der Insel bestimmt zu welchem Prozentanteil Land, beziehungsweise Wasser vorhanden war. Diese Daten wurden in einem Tabellenkalkulationsprogramm (Excel) eingegeben um eine erste Ansicht der Matrix, die die Insel repräsentiert zu erhalten. Im unteren Bild ist die Matrix in der Excel-Datei abgebildet.
Zyklus 2: Matrix Darstellung in Octave
[Bearbeiten]Um genauere Werte zu bekommen, haben wir die Matrix in Octave interpoliert. Interpolation bezeichnet dabei eine Klasse von Problemen und verfahren, um zu gegebenen diskreten Daten eine stetige Funktion zu finden, die diese Daten abbildet. Man sagt die Funktion interpoliert die Daten.
In Octave haben wir jedoch die kubische-Spline Interpolation verwendet, da diese die Daten Stückweise mit einem Polynom dritten Grades approximiert. In der Mathematik ist die bikubische Interpolation eine Erweiterung der kubischen zum Interpolieren von Datenpunkten auf einem zweidimensionalen regulären Gitter . Die interpolierte Oberfläche ist glatter als die entsprechenden Oberflächen, die durch bilineare Interpolation oder Interpolation zum nächsten Nachbarn entsteht. Für eine Anwendung der bikubischen Splint-Interpolation, müssen die zu interpolierenden Punkte in einem rechteckigen Gitter angeordnet sein. Jede zwischen vier Punkten aufgespannte Fläche wird durch ein zweidimensionales Polynom von 16 Koeffizienten charakterisiert:
Für eine zweidimensionale Darstellung müssen die Koeffizienten so gewählt werden, dass die aus allen Flächen zusammengesetzte Funktion zweimal stetig in x- und y-Richtung differenzierbar ist. Das heißt, neben S selbst sind die folgenden Ableitungen stetig auf ganz :
Jede Teilfäche , die durch 4 Punkte aufgespannt wird, kann durch ein kubisches Polynom mit vier Koeffizienten, welches parallel zur x-Achse oder y-Achse läuft, beschrieben werden. Zu jeder Fläche , welche das zweidimensionale Polynom beschreibt, stehen vier eindimensionale Randpolynome mit 16 Koeffizienten: .
Um diese Randpolynome von den Teilflächen "zusammenzurechnen" ist es erforderlich, ein System von 16 linearen Gleichungen aufzustellen.
Die Matrix A1 wurde nun in Octave eingegeben und mit dem Befehl der kubischen-Interpolation dargestellt. (Bilder siehe unten)
Die erweiterte und verbesserte Matrix A1:
Die 3D-Darstellungen der A1 Matrix und der interpolierten Matrix:
Verbesserung des Zyklus 2: Matrix Darstellung in Octave
[Bearbeiten]Die gewonnen Daten aus den Satelliten aufnahmen, bezüglich der Höhe, entsprechen hier nicht der Realität. Diese liefern, wie in der Abbildung zu sehen eine maximale Höhe der Insel von 13m. Zu beachten ist hier, dass die gewonnenen Satellitenbilder nicht berücksichtigen ob der Boden der Insel dieser Höhe entspricht. Hier wurden vermutlichen die auf der Insel befindlichen Palmen mit berücksichtigt, sowie eventuell erbaute Gebäude. Die Insel hat nach Recherchen eine reale Höhe von 2,4m. Um also eine reale Abbildung der Insel in Octave zu erhalten, wurde die Insel mit dem Faktor :
multipliziert. Das liefert eine geänderte Matrix, deren Höhe der Realität entspricht. Zu sehen ist hier der Plot der gewichteten Matrix. Diese wurde ebenfalls in Octave Interpoliert und dargestellt. Dabei erkennt man hier einen besseren Übergang zwischen Meer und Insel.
Zyklus 3: Meeresspiegelanstieg im Laufe der Zeit (Jahren)
[Bearbeiten]Wir haben die Daten des Meeresspiegelanstiegs gesammelt und in einer Exceltabelle zusammengetragen. Die Daten beginnen im Jahr 1961 und reichen bis ins Jahr 2008, wobei der Meeresspiegel bis 1992 jährlich um 1,8mm und ab 1993 um 3,1mm gestiegen ist. Ab dem Jahr 2004 steigt er nur noch jährlich um 2,5mm.
Jahr | Meeresspiegel in mm |
---|---|
1900 | 0 |
1961 | 1,8 |
1962 | 3,6 |
1963 | 5,4 |
1964 | 7,2 |
1965 | 9 |
1966 | 10,8 |
1967 | 12,6 |
1968 | 14,4 |
1969 | 16,2 |
1970 | 18 |
1971 | 19,8 |
1972 | 21,6 |
1973 | 23,4 |
1974 | 25,3 |
1975 | 27 |
1976 | 28,8 |
1977 | 30,6 |
1978 | 32,4 |
1979 | 34,2 |
1980 | 36 |
1981 | 37,8 |
1982 | 39,6 |
1983 | 41,4 |
1984 | 43,2 |
1985 | 45 |
1986 | 46,8 |
1987 | 48,6 |
1988 | 50,4 |
1989 | 52,2 |
1990 | 54 |
1991 | 55,8 |
1992 | 57,6 |
1993 | 60,7 |
1994 | 63,8 |
1995 | 66,9 |
1996 | 70 |
1997 | 73,1 |
1998 | 76,2 |
1999 | 79,3 |
2000 | 82,4 |
2001 | 85,5 |
2002 | 88,6 |
2003 | 91,7 |
2004 | 94,2 |
2005 | 96,7 |
2006 | 99,2 |
2007 | 101,7 |
2008 | 104,2 |
Für die Jahre ab 2008 haben wir mithilfe von Excel den Meeresspiegel für die kommenden Jahrhunderte prognostiziert.
Jahr | Meeresspiegel in mm |
---|---|
2009 | 106,83004 |
2010 | 109,459734 |
2011 | 112,08942 |
2012 | 114,71922 |
2013 | 117,348815 |
2014 | 119,978509 |
2015 | 122,608203 |
2016 | 125,237897 |
2017 | 127,86759 |
2018 | 130,497284 |
2019 | 133,126978 |
2020 | 135,756672 |
2021 | 138,386365 |
2022 | 141,016059 |
2023 | 143,645753 |
2024 | 146,275447 |
2025 | 148,90514 |
2026 | 151,534834 |
2027 | 154,164528 |
2028 | 156,79422 |
2029 | 159,423915 |
2030 | 162,053609 |
2031 | 164,683303 |
2032 | 167,312997 |
2033 | 169,94269 |
2034 | 172,572384 |
2035 | 175,202078 |
2036 | 177,831772 |
2037 | 180,461465 |
2038 | 183,091159 |
2039 | 185,720853 |
2040 | 188,350547 |
2041 | 190,98024 |
2042 | 193,609934 |
2043 | 196,239628 |
2044 | 198,869322 |
2045 | 201,499015 |
2046 | 204,128709 |
2047 | 206,758403 |
2048 | 209,388097 |
2049 | 212,01779 |
2050 | 214,647484 |
2051 | 217,277178 |
2052 | 219,906872 |
2053 | 222,536565 |
2054 | 225,166259 |
2055 | 227,795953 |
2056 | 230,425647 |
2057 | 233,05334 |
2058 | 235,685034 |
2059 | 238,314729 |
2060 | 240,944424 |
2061 | 243,574119 |
2062 | 246,203814 |
2063 | 248,833509 |
2064 | 251,463203 |
2065 | 254,092898 |
2066 | 256,722593 |
2067 | 259,352288 |
2068 | 261,981983 |
2069 | 264,611678 |
2070 | 267,241373 |
2071 | 269,871067 |
2072 | 272,500762 |
2073 | 275,130457 |
2074 | 277,760152 |
2075 | 280,389847 |
2076 | 283,019542 |
2077 | 285,649237 |
2078 | 288,278931 |
2079 | 290,908626 |
2080 | 293,538321 |
2081 | 296,168016 |
2082 | 298,797711 |
2083 | 301,427406 |
2084 | 304,057101 |
2085 | 306,686795 |
2086 | 309,31649 |
2087 | 311,946185 |
2088 | 314,57588 |
2089 | 317,205575 |
2090 | 319,83527 |
2091 | 322,464965 |
2092 | 325,09466 |
2093 | 327,724354 |
2094 | 330,354049 |
2095 | 332,983744 |
2096 | 335,613439 |
2097 | 338,243134 |
2098 | 340,872829 |
2099 | 343,502524 |
2100 | 346,132218 |
Zyklus 4: Zusammenfügung der Wasser- und Inselmatrix
[Bearbeiten]In diesem Zyklus fügen wir zu der interpolierten Inselmatrix eine Wassermatrix mit verschiedenen Wasserhöhen hinzu.
Dabei lässt sich erkennen, dass keine Insel mehr vorhanden sein wird, wenn der Meeresspiegel eine Höhe von 13m erreicht hat.
Verbesserung des Zyklus 4
[Bearbeiten]Um besser darzustellen ab wann kein Leben mehr auf der Insel möglich ist, wurde die Gesamtfläche der Insel betrachtet. Diese wurde mit Hilfe der Matrix und den Satellitenaufnahmen erstellt. Zunächst haben wir die Länge eines Quadrates bestimmt, welche über das Bild der Insel gelegt wurde. Eine Länge entspricht dabei . Der Maßstab dieses Bildes war dabei .
Füge hier noch Bilder der skalierten und gewichteten matrix ein
Sek. II Niveau
[Bearbeiten]Auf dem Sek. II Niveau, kann man nun, wie wir es im Vorfeld getan haben, eine Fläche approximieren, indem man die Insel mit einer geometrischen Figur beschreibt. Weiter kann man die Insel mit Qudraten auslegen, deren Größe man schon kennt, um die Gesamtfläche zu bestimmen. Da wir im Vorfeld die Insel in Quadrate eingeteilt haben, nutzen wir diese Möglichkeit. Schaut man sich die Insel an, dann gibt es bei einem Meeresspiegel anstieg von , noch Qudrate mit einem Flächeninhalt von. Dies liefert also die folgende Rechnung:
Es existieren also bei einem Meeresspiegel anstieg von noch der Fläche der Insel.
Dies kann man für verschiedene Anstiege des Meeresspiegels berechnen.
Allgemein kann man also die Fläche berechnen als:
* der vorhanden Quadrate = die restliche Fläche der Insel
Meeresspiegel bei 2m:
Meeresspiegel bei 3m
Meeresspiegel bei 4m:
Meeresspiegel bei 5m:
Meeresspiegel bei 6m:
Meeresspiegel bei 7m:
Meeresspiegel bei 8m:
Meeresspiegel bei 9m:
Meeresspiegel bei 13m:
Laut dem Experiment „Weltacker", benötigt ein Mensch zum überleben eine Ackerfläche, von durchschnittlich , um alle lebenswichtigen Nahrungsmittel, sowie Energiepflanzen anzubauen. Diese Überlegung führt dazu, dass bei einem Meeresspiegel von noch durchschnittlich 36 Personen auf der Insel leben können. Bei kann nach diesem Projekt jedoch nur noch ein Mensch auf der Insel überleben. Zu beachten ist, dass man hierbei davon ausgeht, das kein Import stattfindet, sondern die Insel sich selbst versorgt.
Zyklus 5: Erstellung der Regressionsgerade und Prognose
[Bearbeiten]Um die Jahreszahl bestimmen zu können, berechnen wir mit unseren gegebenen Werten eine Regressionsgerade. Dabei nutzen wir den Mittelwert der Daten (hier beschriftet als Mitt X)
Um den Anstieg des Meeresspiegels ablesen zu können, ermitteln wir mithilfe der Regressionsanalyse eine (lineare) Regressionsgerade des Anstiegs in Abhängigkeit der Jahreszahlen.
Wie in Zyklus 3 sind dabei die Jahreszahlen auf der X-Achse zu finden und die Meeresspiegelhöhe auf der Y-Achse. Die Werte für die Berechnung entnehmen wir aus Tabelle 2. Wir besitzen also das Zahlenpaar.Dabei ist die Jahreszahl und die Höhe des Meeresspiegels.
Die gesammelten Daten liegen annähernd auf einer Funktion, die mit : beschrieben werden kann. Die Abweichung der Daten zu der Gerade bezeichnen wir mit Residuen, diese sollen dabei möglichst klein gehalten werden.
Wir suchen nun eine lineare Funktion, für die : minimal wird.
Wir suchen also reelle Zahlen a und b, so dass
minimal ist. Dabei nutzen wir die Formeln für
Dabei erhalten wir für
Die Regressionsgerade lautet nun:
Aus Octave erhalten wir die Angabe, dass die Insel bei ca. 13m völlig überflutet ist. Um nun die Jahreszahl zu ermitteln, wann dies der Fall sein wird, setzen wir die 13m in die Regressionsgerade ein. Dabei ist zu beachten, dass man nicht mit 13m rechnet, sondern mit 13000mm.
Im Jahre 8095 hat der Meeresspiegel eine Höhe von 13m,wenn der Meeresspiegel weiterhin so ansteigt. Im Jahre 8095 werden keine Malediven mehr sichtbar sein.
Um herauszufinden, wie stark der Zusammenhang zwischen x und y ist, berechnen wir den Korrelationskoeffizient . Dabei gilt:
- Ist so lässt sich der Wert von y gut mit dem Wert von x darstellen
- Ist so kann man kaum etwas über den Zusammenhang der Werte sagen
- Ist so sind die Werte positiv korreliert
- Ist so sind die Werte negativ korreliert
Also lässt sich ein Zusammenhang der Variablen feststellen, dies beweist keine Kausalität!
Modellierungsalternativen
[Bearbeiten]Zu beachten ist, dass wir in unserem Modell nicht berücksichtigt haben, dass sich die Ozeane jährlich erwärmen, sich das Wasser ausdehnt und der Meeresspiegel dabei schneller steigen könnte. Ebenso haben wir die geographische Beschaffenheit um die Insel nicht betrachtet, den z.B auch das Korallenriff hält das Wasser zurück und kann so den Anstieg verlangsamen. Umweltkatastrophen, die für einen Anstieg sorgen können, haben wir nicht in Betracht gezogen. Diese Faktoren könnte man in einem erweiterten Modell miteinbeziehen, um genauere Werte des Untergangs zu bekommen.
Fazit
[Bearbeiten]Die Insel Villingili (Addu-Atoll) wird im Jahr 8093 untergehen. Diese Jahreszahl ist ziemlich hoch und kommt so zustande, dass wir durch die Auswertung der Satellitenbilder eine Höhe der Insel von 13m angenommen haben. In der Literatur jedoch ist für die höchste Erhebung der Wert 5,1m zu finden. Da wir unser 3D-Modell auf die Satellitenbilder gestützt haben, haben wir uns entschlossen, mit den 13m zu rechnen anstatt mit den 5,1m.
Zuordnung des Themas zu den Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen
[Bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten]- Engel, J. (2009). Anwendungsorientierte Mathematik: Von Daten zur Funktion.: Eine Einführung in die mathematische Modellbildung für Lehramtsstudierende. Springer-Verlag.
- Church, J. A., & White, N. J. (2011). Sea-level rise from the late 19th to the early 21st century. Surveys in geophysics, 32(4-5), 585-602.
- Rahmstorf, S. (2007). Der Anstieg des Meeresspiegels. Der UN‐Weltklimareport. Bericht über eine aufhaltsame Katastrophe, Köln: Kiepenheuer & Witsch, 190-194.
- Meeresspiegelanstieg in Tropischen Inselstaaten
- Malediven von Claudia Heidenfelder
- Flood map
- Lehrpläne
- 3. Lineare Regression
- Wie viel Anbaufläche braucht ein Mensch?