Download full System engineering applied to fuenmayor karst aquifer san julián de banzo huesca and c

Page 1


George Island Antarctica 1st Edition

David Chinarro (Auth.)

Visit to download the full and correct content document: https://textbookfull.com/product/system-engineering-applied-to-fuenmayor-karst-aquif er-san-julian-de-banzo-huesca-and-collins-glacier-king-george-island-antarctica-1st-e dition-david-chinarro-auth/

More products digital (pdf, epub, mobi) instant download maybe you interests ...

Antarctica: What Everyone Needs to Know® David Day

https://textbookfull.com/product/antarctica-what-everyone-needsto-know-david-day/

Spatial Analysis in Karst Geomorphology: An Example from Krk Island, Croatia Ela Šegina

https://textbookfull.com/product/spatial-analysis-in-karstgeomorphology-an-example-from-krk-island-croatia-ela-segina/

Mathematics Applied to Engineering and Management 1st Edition Mangey Ram (Editor)

https://textbookfull.com/product/mathematics-applied-toengineering-and-management-1st-edition-mangey-ram-editor/

Basic Finite Element Method as Applied to Injury Biomechanics 1st Edition King-Hay Yang (Editor)

https://textbookfull.com/product/basic-finite-element-method-asapplied-to-injury-biomechanics-1st-edition-king-hay-yang-editor/

An Introduction to Applied Cognitive Psychology 2nd Edition David Groome

https://textbookfull.com/product/an-introduction-to-appliedcognitive-psychology-2nd-edition-david-groome/

An Introduction to Applied Cognitive Psychology 2nd Edition David Groome

https://textbookfull.com/product/an-introduction-to-appliedcognitive-psychology-2nd-edition-david-groome-2/

Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering Systems: Selected contributions to the 5th Algerian Congress of Mechanics, CAM2015, El-Oued, Algeria, October 25 – 29 1st Edition Taoufik Boukharouba

https://textbookfull.com/product/applied-mechanics-behavior-ofmaterials-and-engineering-systems-selected-contributions-tothe-5th-algerian-congress-of-mechanics-cam2015-el-oued-algeriaoctober-25-29-1st-edition-taou/

China’s Financial System: Growth and Inefficiency 1st Edition Dominique De Rambures

https://textbookfull.com/product/chinas-financial-system-growthand-inefficiency-1st-edition-dominique-de-rambures/

Applied Engineering Mathematics 1st Edition Brian Vick

https://textbookfull.com/product/applied-engineeringmathematics-1st-edition-brian-vick/

Springer Theses

Recognizing Outstanding Ph.D. Research

System Engineering Applied to Fuenmayor Karst Aquifer (San Julián de Banzo, Huesca) and Collins

Glacier (King George Island, Antarctica)

SpringerTheses

RecognizingOutstandingPh.D.Research

AimsandScope

Theseries‘‘SpringerTheses’’bringstogetheraselectionoftheverybestPh.D. thesesfromaroundtheworldandacrossthephysicalsciences.Nominatedand endorsedbytworecognizedspecialists,eachpublishedvolumehasbeenselected foritsscientificexcellenceandthehighimpactofitscontentsforthepertinent fieldofresearch.Forgreateraccessibilitytonon-specialists,thepublishedversions includeanextendedintroduction,aswellasaforewordbythestudent’ssupervisor explainingthespecialrelevanceoftheworkforthefield.Asawhole,theseries willprovideavaluableresourcebothfornewcomerstotheresearchfields described,andforotherscientistsseekingdetailedbackgroundinformationon specialquestions.Finally,itprovidesanaccrediteddocumentationofthevaluable contributionsmadebytoday’syoungergenerationofscientists. Thesesareacceptedintotheseriesbyinvitednominationonly

• TheymustbewritteningoodEnglish.

• ThetopicshouldfallwithintheconfinesofChemistry,Physics,EarthSciences, EngineeringandrelatedinterdisciplinaryfieldssuchasMaterials,Nanoscience, ChemicalEngineering,ComplexSystemsandBiophysics.

• Theworkreportedinthethesismustrepresentasignificantscientificadvance.

• Ifthethesisincludespreviouslypublishedmaterial,permissiontoreproducethis mustbegainedfromtherespectivecopyrightholder.

• Theymusthavebeenexaminedandpassedduringthe12monthspriorto nomination.

• Eachthesisshouldincludeaforewordbythesupervisoroutliningthesignificanceofitscontent.

• Thethesesshouldhaveaclearlydefinedstructureincludinganintroduction accessibletoscientistsnotexpertinthatparticularfield.

Moreinformationaboutthisseriesathttp://www.springer.com/series/8790

SystemEngineeringApplied toFuenmayorKarstAquifer (SanJuliándeBanzo, Huesca)andCollinsGlacier (KingGeorgeIsland, Antarctica)

DoctoralThesisacceptedby theUniversityofZaragoza,Spain

Author

SanJorgeUniversity

Zaragoza Spain

Supervisors

Prof.JoséL.Villarroel DepartmentofComputerandSystems Engineering

UniversityofZaragoza,Groupof TechnologiesinHarshEnvironments (GTE)

Zaragoza Spain

Prof.JoséA.Cuchí DepartmentofAgriculturalSciencesand NaturalHabitats,PolytechnicSchoolof Huesca

UniversityofZaragoza Huesca

Spain

ISSN2190-5053

ISSN2190-5061(electronic)

ISBN978-3-319-08857-0ISBN978-3-319-08858-7(eBook) DOI10.1007/978-3-319-08858-7

LibraryofCongressControlNumber:2014943252

SpringerChamHeidelbergNewYorkDordrechtLondon

SpringerInternationalPublishingSwitzerland2014

Thisworkissubjecttocopyright.AllrightsarereservedbythePublisher,whetherthewholeorpartof thematerialisconcerned,specificallytherightsoftranslation,reprinting,reuseofillustrations, recitation,broadcasting,reproductiononmicrofilmsorinanyotherphysicalway,andtransmissionor informationstorageandretrieval,electronicadaptation,computersoftware,orbysimilarordissimilar methodologynowknownorhereafterdeveloped.Exemptedfromthislegalreservationarebrief excerptsinconnectionwithreviewsorscholarlyanalysisormaterialsuppliedspecificallyforthe purposeofbeingenteredandexecutedonacomputersystem,forexclusiveusebythepurchaserofthe work.Duplicationofthispublicationorpartsthereofispermittedonlyundertheprovisionsof theCopyrightLawofthePublisher’slocation,initscurrentversion,andpermissionforusemust alwaysbeobtainedfromSpringer.PermissionsforusemaybeobtainedthroughRightsLinkatthe CopyrightClearanceCenter.ViolationsareliabletoprosecutionundertherespectiveCopyrightLaw. Theuseofgeneraldescriptivenames,registerednames,trademarks,servicemarks,etc.inthis publicationdoesnotimply,evenintheabsenceofaspecificstatement,thatsuchnamesareexempt fromtherelevantprotectivelawsandregulationsandthereforefreeforgeneraluse. Whiletheadviceandinformationinthisbookarebelievedtobetrueandaccurateatthedateof publication,neithertheauthorsnortheeditorsnorthepublishercanacceptanylegalresponsibilityfor anyerrorsoromissionsthatmaybemade.Thepublishermakesnowarranty,expressorimplied,with respecttothematerialcontainedherein.

Printedonacid-freepaper

SpringerispartofSpringerScience+BusinessMedia(www.springer.com)

Partsofthisthesishavebeenpublishedinthefollowingjournalarticles:

• ApplicationofWaveletCorrelationAnalysistotheKarstSpringof Fuenmayor.SanJuliandeBanzo,Huesca,Spain(2011).

Authors:DavidChinarro,JoséL.VillarroelandJoséA.Cuchí.

Chapterinbook: AdvancesinResearchinKarstMedia.Series:Environmental EarthSciences.

Authors:Carrasco,Francisco;DuránValsero,JuanJosé;LaMoreaux,JamesW. (Eds.).

Publisher:Springer.1stEdition,2011,ISBN978-3-642-12485-3.

• WaveletanalysisofFuenmayorkarstspring,SanJuliándeBanzo,Huesca, Spain(2011and2012).

Authors:D.Chinarro,J.L.VillarroelandJ.A.Cuchí.

Journal:EnvironmentalEarthSciencesISSN:1866-6299,doi:10.1007/s12665011-1351-y,September17,2011.13pages.

Reprinted:April2012,ISSN1866-6280,2012,Volume65,Number8,pages 2231–2243.

• LinearSystemTechniquesAppliedtotheFuenmayorKarstSpring,Huesca (Spain)(2013).

Authors:J.A.Cuchí,D.ChinarroandJ.L.Villarroel. Journal:EnvironmentalEarthSciences.

• Applicationofwaveletcorrelationanalysistothekarstspringof Fuenmayor.SanJuliándeBanzo,Huesca,Spain(2010).

Authors:D.Chinarro,J.A.CuchiandJ.L.Villarroel. Congress:4thInternationalSymposiumonKarst(ISKA-2010).Málaga,Spain, April2010.

• Polarglacier,theeyewitnessoftheclimatechange.

Author:D.Chinarro,J.L.VillarroelandJ.A.Cuchi,C.Dominguezand A.Eraso(2012).

Congress:InternationalGeographyCongress,IGCCOLOGNE2012,Germany, August2012.

• ClimatechangescenariosfortemperatureandprecipitationinAragón (Spain)(2013).

Authors:J.RibalayguaandM.R.PinoandJ.PórtolesandE.Roldánand E.GaitánandD.ChinarroandL.Torres Journal:ScienceofTotalEnvironment.

• AStudyoftheRelationshipbetweenWeatherVariablesandElectricPower DemandinsideaSmartGrid/SmartWorldFramework(2012).

Authors:LuisHernández,CarlosBaladrón,JavierM.Aguiar,LorenaCalavia, BelénCarro,AntonioSánchez-Esguevillas,DianeJ.Cook,DavidChinarroand JorgeGómez.

Journal:Sensors2012,12,11571-11591;doi:10.3390/s120911571.ISSN14248220.

• AMulti-Agent-SystemArchitectureforSmartGridManagementand ForecastingofEnergyDemandinVirtualPowerPlants(2013).

Authors:LuisHernández,CarlosBaladrón,JavierM.Aguiar,BelénCarro, AntonioSánchez-Esguevillas,JaimeLloret,DavidChinarro,JorgeJ.Gómez, DianeCook.

Journal=IEEECommunications,volume51,No.1,pages106–114.

• ModelosmatemáticosaplicadosalAcuíferodeFuenmayor(Sierrade Guara)(2010).

Authors:DavidChinarro.Proceedingsemminar:AguasSubterráneas.IV Jornada.Ciclosobreresiduos.PublishedbyFundaciónGenesyGentes(2010), page:57–66.

• Avancesenlocalización,comunicacionesTTEygeofísicaaplicablesa cavidadesdeinterésturístico(2010).

Authors:Ayuso,N;Bataller,V;Aisa,J;Cabrero,S;Chinarro,D;Cuchi,JA; Larma,R;Lera,F;Mediano,A;Molina,P;Muñoz,A;Tardioli,D;Sicignano, D;Viñals,V;Villarroel.

Congress:IIICongresoEspañoldeCuevasTurísticas(CUEVATUR2010). Aracena(Huelva),4–6Noviembre,2010.PublishedbyJ.J.DurányF.Carrasco (Eds.),Cuevas:Patrimonio,Naturaleza,CulturayTurismo,pp.363–370, Madrid,AsociacióndeCuevasTurísticasEspañolas.ISBN:978-84-614-4630-8. EAN:9788461446308.

• SistemicAnalysisofKarstSprings.ApplicationtoFuenmayorspring (SanJuliándeBanzo,Huesca)

Authors:JoséLuisVillarroelandDavidChinarro.

Institution:EstudiosAltoaragoneses,DiputacióndeHuesca.Report (2009–2010).

Ilovinglydedicatethisthesistomywife,who alwaysstoodbymeinallmydifficultduties; tomychildren,toencouragetheminthe adventureofacquiringandsharingnew skills;tomyparents,whoinstilledmethe endeavorinthestudyfromanearlyage

Supervisors’Foreword

Systemengineeringistypicallydefinedasanartandsciencetocreateprinciples, identifymethodologies,andestablishmodels,withthepurposeofderiving knowledgeoncontrollingandmanagingtheoperationofcomplex-engineered systems.Similarly,anaturalsystemcanbecategorizedascomplex,becauseofthe difficultyinidentifyingandquantifyingallinformationinvolvedinitsbehavior,in termsofestablishingallconstraintsandvariablesinvolvedinthesystem,and accuratelyquantifyingthetemporalandspatialparameters.DavidChinarro’s thesistacklesfundamentalquestionsposedintwonaturalsystems,viz,akarst aquifersystemandaglaciersystem,onthebasisoftransferabilityofsystem engineeringmethodologyandfromanexclusivelyhydrologicaloutlook.This workhasbeendevelopedinahigh-techresearchgroup,theI3Ainstituteatthe UniversityofZaragoza,wherewecarryoutasetofprojectsbyapplyingcomputingandcommunicationtechnologiestogroundwater,nivology,andgeology. Theguidanceofthisthesisbytwomentorshasallowedforittobedevelopedina multidisciplinaryway,duetocomplementaryprofilesfromanengineeranda hydrogeologist.

Identificationtechniques,developedtorepresenttypicalengineeringartificial systemsthroughlinearandnonlinearmodels,canbeappliedinthestudyofnatural systems,wherecouplingeffectsbetweenclimateandhydrosphereoccur.This thesisproposesenhancedmethodstomeetthenewrequirementsinidentification fields,innovatinganalysisandidentificationstrategiestodeterminemodelsthat betterrepresentthepeculiaritiesofthetwoparticularsystems.Onestudyspecificallyaimstoestimatethemutualinfluencebetweenprecipitationanddischargeof akarstaquifer,whichissituatednearSpanishPyreneesmountains.Another,using thesamedata-drivenmodels,dealswiththeimplicationsofairtemperatureina glaciermelting,specifically,asitmanifestsitselfinthestreamdrainageofCollins glacier,KingGeorgeisland,Antarctica.Inthisregard,specialtools,suchasthose basedonwavelettransform,havebeenconsideredinthepreparingandanalysisof timeseries,suchassmoothingofsignals,samplingfrequency,coherencelevels, anddataabnormalitydetection.Throughparametricandnonparametric

identificationprocesses,theauthortriestoidentifymodelsthatbestrepresentthe internaldynamicsofthesystembyiterativetestings,wheremodelsaresystematicallycheckedagainstmonitorizeddata,withanefficiencycriteriongiven.The bestobtainedsolution,intheassessmentofresultsdrawnfromdealtcases,has beenfoundamongthemodelstructuresinblocks.

Thisthesisismeanttobeaformalstatementofengineeringsystemidentificationmethodology,mainlythroughnonlinearapproaches,inthecontextof aquifersystems,whichimprovesinmanycasestheresultsofkarsthydrology. RemarkableresultsarederivedfromthecharacterizationofFuenmayorspring responseanditscorrelationwithprecipitation,undertheassumptionofalinear systemtobecomplementedwithidentificationmethodsbasedonnonlinear techniques.Importantfindingssuchasatransferfunctionreducedtofiveparametersmaydescribeproperlythehydrologicbehaviorofthiskarstsystemunder linearassumption.AHammerstein–Wienermodelapproachpresentsahighefficiencyvaluethatexceedstheresultsobtainedbythelinearmodelsusingthesame efficiencycriterion.Likewise,approachesproposedforAntarctica’sglaciology, throughwaveletanalysisandrunoffmodels,scarcelyappearintheliterature,and canrevealessentialinformationwhenitisnotpossibletoclarifytheallphysics governingthesystem.Thewaveletcoherencedensityisusedtoestimatethe boundariesoftheSeasonalEffectiveCore(SEC),theperiodwhentheglacier dischargerespondsinacoherentwaytotemperature.Foreachyear,anacceptably coherentsamplingperiodisusedasrefineddatafortheidentificationprocessof theglacialsystem.LinearparametricidentificationwasappliedtoeachSEC. Nevertheless,itisdemonstratedthatnonlinearitiespresentinglacierbehaviorare duetothephasechangeofwater,afactrevealedbyHammerstein–Wiener structuresusedtodefinemodelswithgreaterefficiency.Moreover,twodifferent typesofglacierdynamicshavebeendiscovereddependingontheannualcycleand theSECaveragetemperature.

Therefore,systemengineeringtechniquesbasedonblack-boxidentification,as awell-developedscientificprocedure,areveryusefultoolstocharacterizethe hydrologicalresponseofakarsticsystemdischargeandtomodeltheresponseof glacierstreamtomeltingprocessesorclimatevariations.

Zaragoza,February2014

Acknowledgments

ItisverydifficulttoexpressinwordsthegreatgratitudeIfeelforwhohelpedme tobringtofruitionthiswork.

First,Iwouldliketothankmytwosupervisors,Dr.VillarroelandDr.Cuchí, becauseoftheirmentoringwork,richtechnicaldiscussionsandexcellentguidance duringthethesisdevelopment.Theirwiseadvicesandlongexperiencehavereally contributedtothebestfindingsofthiswork.Also,Iwouldliketorecognizethe learntlessonsfromlecturersofpostgraduateanddoctoralcoursesofUniversityof Zaragoza,GroupofTechnologiesinHostileEnvironments(GTE)andEngineering ResearchInstituteofAragon(I3A).

Someindividualsandentitieshaveselflesslysupportedmeandprovidedthe necessarydatatoperformtheexposedanalysis.Dr.AdolfoErasoandDr.Carmen Dominguez,fromGLACKMAfoundation(Glaciers,CrioKarstandEnvironment), havesuppliedlong-timeseriesfromglaciersensoringobtainedunderharshconditions.Dr.BartolomeAndreohasoutstandinglyassessedandrecommendedthe findingsofthisthesis,regardingitdeservesaninternationaldissemination.Imust recognizethecontributionofseveralAntarticbases:theBellingshausenRussian base,formerJubanyStation-Dallmannlaboratory,UruguayanArtigasbaseand ChileanCapitaniadelPuertoBahíaFildes,forthemeteorologydatasupplyand logisticalsupport.Also,thankstoauthoritiesof NaturalParkofSierraand CanyonsofGuara forgrantingaccesspermissionstotheFuenmayoraquifer enclosureanditssurrounding.

GratefulnesstomanagersandofficialsofSanJorgeUniversity,whohave allowedmetoparticipateandleadinternationalresearchprojectswithanotorious impactoncertainissuesofthecurrentthesis.Likewise,tosomeofmycolleagues fortheirhelpandencouragement.

2SystemIdentificationTechniques

2.4.1WaveletFunction.........................20

2.4.2WaveletTransforms.......................22

2.4.3WaveletPowerSpectrum(WPS)..............25

2.4.4WaveletTransformationCaveats..............26

2.5.1LinearTime-invariant(LTI)models............29 2.5.2FrequentialTransferFunctionModel...........31 2.5.3NonlinearModels.........................31

2.6SystemIdentificationProblem......................34

2.6.1PosedIssue.............................34

2.6.2TheLiteratureHighlights....................35

2.7Non-parametricIdentification.......................36

2.7.1Non-parametricIdentification

2.7.2Non-parametricIdentification

2.8ParametricIdentification..........................41

2.8.1LinearParametricIdentification...............42

2.8.2SelectionandVerificationCriteria.............43

3KarstandGlacialHydrology

3.2.1KarstProcesses...........................55

3.2.2KarstClassification........................56

3.2.3KarstHydrology..........................57

3.2.4ModelingApproaches......................59

3.2.5CharacterizationofKarstAquifers.............62

3.2.6SurveyofTechniquesAppliedtoKarst..........62 3.3GlacierBackground.............................67

3.3.1GlacierProcesses.........................67

3.3.2GlacierClassification......................69

3.3.3GlacierHydrology........................70

3.3.4ModelingApproaches......................72

3.3.5Data-DrivenModel(DDM)forGlacier Hydrology..............................78

3.4Conclusion....................................81

4AnalysisandIdentificationofFuenmayorAquifer

4.3.1GeologicalDescription.....................93

4.3.2HydrologicalOverview.....................95

4.3.3InfrastructureandFacilities..................98

4.4AnalysisofSignals..............................100

4.4.1SamplingPeriod..........................100

4.4.2TimeSeriesPreparation.....................100

4.4.3LinearAnalysis.SimpleCorrelation andSpectralAnalysis......................102

4.4.4WaveletAnalysis.........................103

4.5SystemIdentification.............................107

4.5.1NonparametricSystemIdentification............107

4.5.2ParametricSystemIdentification...............110

4.6NonlinearIdentification...........................113

4.7Conclusion....................................114

5AnalysisandIdentificationofCollinsGlacierDrainage ........117

5.1Introduction...................................117

5.2GeographicalFramework..........................119

5.2.1KingGeorgeIsland........................120

5.2.2KGIClimate............................121

5.3CollinsGlacier.................................122

5.3.1HydrologicalOverview.....................123

5.3.2InstrumentsandFacilities...................123

5.4AnalysisofTimeSeries...........................125

5.4.1TimeSeriesPreparation.....................126

5.4.2Discharge...............................126

5.4.3AirTemperature..........................127

5.4.4TheInvolvementofAirTemperature intheDischarge..........................128

5.4.5TimeSeriesPowerSpectrum.................129

5.4.6PeriodsoftheAnnualCycle.................130

5.4.7SeasonalEffectiveCoreCalculus..............132

5.5SystemIdentification.............................134

5.5.1LinearModelbyCycles....................135

5.5.2NonlinearModelbyCycles..................136

5.5.3GlacierCoalescentModel(GCM)..............138

5.6Conclusion....................................139

6FinalConclusions:Synthesis,ContributionsandPerspectives

6.1Introduction...................................143

6.2Synthesis.....................................144

6.3SummaryoftheMainChapters.....................145

6.3.1AnalysisandIdentification ofFuenmayorAquifer......................146

6.3.2AnalysisandIdentificationofCollinsGlacier.....146

6.4Findings......................................147

6.5Contributions..................................147

Symbols

Listsofsymbolsusedinthispaperwithabriefdescription.

μS=cm 25 CMicro-Siemenspercentimetre.Conductivityunit

θ Parametersvector

un ðt Þ Discretetimeseriesfortheinputofsystem

yn ðt Þ Discretetimeseriesfortheoutputofsystem

^

yn ðt Þ Estimatevalueof yn ðt Þ

f*(x) Complexconjugateoffunctionf(x)

F uðt Þ fg Fouriertransformofu(t)

f

F uðt Þ fg DiscreteTimeFourierTransformofu(t)

^ f ðωÞ Fouriertransformofthefunctionfinthefrequencydomain

e f ðτ ; ωÞ Wavelettransformofthefunctionfinthetime-frequency space

G

ψ;s;τ uðt Þ fg Waveletpowerspectrumofu(t)withwaveletfamily ψ

HWf1;½nl ;f2;½nl ;f3;½nl Hammerstein–Wienermodelofu(t)andy(t)

L2 ðRÞ SetofallsquareintegrablefunctionsintheHilbertspace

ðf gÞðt Þ Convolutionoftwofunctionf(t)andg(t)

ðf gÞðt Þ Correlationoftwofunctionf(t)andg(t)

L yðt Þ fg Laplacetransformsofy(t)

Wψ;s;τ uðt Þ fg ContinuousWaveletTransformofu(t)withwaveletfamily ψ

P

ψ;s;τ uðt Þ fg Waveletpowerspectrumofu(t)withwaveletfamily ψ

Cψ;s;τ uðt Þ; yðt Þ fg Waveletcoherencespectrum

Γ

ψ ½f ðt Þ; gðt Þ τ CoherenceAverageFunction

σ 2 y Varianceof yðnÞ

C k y Autocovarianceof yðnÞ withlagk

ry Autocorrelationof yðnÞ

Acronyms

Listsofabbreviationsusedinthischapterwithabriefdescription.

AAOAntarcticOscillation

ACFAutocorrelationfunction

ACVFAutocovariance,orcovarianceofthesignal

AICAkaikeInformationCriterion

ANNArtificialneuralnetworks

ARAutoRegressive

ARIMAAutoregressiveintegratedmovingaverage

ARMAAutoregressive-moving-average

ARMAXARMAwithexogenousinputsmodel

BJ Box–JenkinsModel

CAFCoherenceaveragefunction

CCMCollinsCoalescentModel

CWTContinuousWaveletTransform

CWSWaveletcoherencespectrum

DDFDegree-dayfactor

DDMData-drivenmodel

DOFDegreeofFreedom

DSPDigitalSignalProcessing

DTFTDiscreteTimeFourierTransform

DWTDiscreteWaveletTransformation

EBMEnergybalancemodel

ECVEssentialClimateVariables

EOFEmpiricalorthogonalfunctions

FIRFiniteImpulseResponse

FFTFastFourierTransform

FKSFuenmayorKarstSystem

GCMGlobalcirculationmodel

GLACKMAFundationforthestudyofglaciers,cryokarstandenvironment

GHGGreenhousegases

TIMTemperature-indexmodel

IIRInfiniteImpulseResponse

ICSUInternationalCouncilforScience

IPCCIntergovernmentalPanelonClimateChange

KGIKingGeorgeIsland

K–LKullbackandLeiblerinformation

LTILinearandTimeInvariant

MIMOMultipleInput–MultipleOutput

MRAMultiresolutionanalysis

MSLPMeanSeaLevelPressure

NaNDenominationformissing,ornon-finitevalue

NLSNonLinearSquares

NHSNaturalHydrologicalsystem

OEOutputErrorModel

ODEOrdinarydifferentialequations

PDFProbabilityDensityFunction

PDEPartialdifferentialequations

PSDPowerspectralDensity

SAMSouthernAnnularMode

SCAFSmoothedCoherenceAverageFunction

SISOSingleinput-singleoutput

STFTShort-timeFourierTransform

SNRSignaltonoiseratio

TPHTransitionPeriodHead

UNEPUnitedNationsEnvironmentProgramme

UNESCOUnitedNationsEducational,ScientificandCulturalOrganization

USGSUSGeologicalSurvey

WFTWindowedFourierTransformation

WGMSWorldGlacierMonitoringService

WMOWorldMeteorologicalOrganitation

WPSWaveletpowerspectrum

XWSCrosswaveletspectrum

Chapter1 Introduction

Allthingsarefromwaterandallthingsareresolvedintowater. ThalesofMiletus(fl.c.624BC–c.546BC)

1.1Justification

Waterisanomnipresentsubstanceontheplanet,essentialforallformsoflifeand presentindiversenaturalprocesses.Theubiquity,themobilityandthedifferentstates ofwater,makethestudyofhydrologycomplex.Concerningwater,thereareahuge varietyofapproaches,fromscientificandprofessionalperspectives.Theboundaries betweenthemcansometimesseemblurred,withlargeoverlapsintheknowledge. Therefore,thisintroductionelucidatesthecoreconceptsthatarethetheoreticalsupportofthetoolsappliedinthisdissertation.Also,itdescribesthemotivationand establishestheobjectives.

OneofthemostimportantphenomenaintheEarthisthe hydrologicalcycle Waterevaporatesfromseas,lakes,rivers,soils,iceandplants,andmovesthroughthe atmospheretoprecipitateoutasrainorsnow.Itforms,indiverseways,streams,rivers, lakes,permeatessoils,andcontributestothegroundwaterofaquifers.Examplesof waternecessityinbiologicalprocessesaretheplantsthatstretchtheirrootstodraw onthesoilmoisture,which,alongwithmineralsandtheSun’senergy,producesthe photosynthesiseffectandthefloragrowth.Thesnowsolidifiesturningintoicesheets andglaciers-forms,which,dependingonmeteorologicalconditions,aremelttofeed thestreamsandrivers,tofinallydeliverthewaterintooceans,waitingforthestart ofanewcycle.

Inthehydrologicalcycle,thewatercontinuousprocess,circulatingthroughout theEarthanditsatmosphere,undergoessomeincursionsandvicissitudesasaresult ofanthropogenicornon-anthropogeniccauses,allofwhichconstituteso-called “climatechange”,manifestedindifferentscenarios[1].Ifalllandicemeltedaway,

©SpringerInternationalPublishingSwitzerland2014 D.Chinarro, SystemEngineeringAppliedtoFuenmayorKarstAquifer (SanJuliándeBanzo,Huesca)andCollinsGlacier(KingGeorgeIsland,Antarctica), SpringerTheses,DOI10.1007/978-3-319-08858-7_1

Fig.1.1 Estimatesreferredtothevolumeofglaciersandicecaps(left ),andgroundwater(right ). Botharethemajortopicstotargetmathematicalmodelsofthisthesis. Source Rekacewicz[5]

thesealevelwouldrisebyalmost65m.ThecontributionfromicesheetsofAntarctica wouldbeabout57mandfromGreenland7m[2].

Theglobalwatercyclehasfivemainreservoirsthatincludetheoceans(97.4%), theatmosphere(0.0011%),surfacewater(0.02%),groundwater(0.59%)andicecap withglaciers(1.98%)[3].Accordingtothisreport,surfacewateroccupiesavolume 100timeslessthanfrozenwatermass.Aboutthreequartersoftotalfreshwater resourcesonEartharestoredasiceandmostlyfoundinAntarctica(Fig. 1.1 Left). Thegroundwaterreservoir,withavolume30timesgreaterthansurfacewater,hasa specialrelevanceinallcontinentsforfreshwatersupplying(Fig. 1.1 Right).

Renewableanduseablewaterresourcesintheworld(renewablesuperficialrunoff andaquiferrecharge)areanestimated42,785km3 /year[3].Asanumericalexample, in1995,3,800km3 wereextractedforhumanuse,2,000km3 wereconsumed,and therestwasreturnedinmuchpoorerquality.Thesefreshresourcesarerenewable thankstoanaturalcycle.Ifthecurrenttendenciespersist,worldwaterwithdrawals willlikelyreach4,300km3 oreven5,200km3 intheyear2025.Peoplearoundthe worldmightsoonbeusingbetween61and74%ofalltheavailablewaterresources [4].Therefore,wateris,andwillbeevenmoreinthenearfuture,akeyissuefor theeconomyeverywhere.Waterresourcesarescarceinmostpartsoftheworld. Awarenessabouttheimportanceofsustainablemanagementofwaterisgrowing throughoutinternationalorganizations,committeestodevelopknowledge,andthe currentmanagementofthewatersintheworld.

Karstsystem isasetofhomogeneousorheterogeneousrocks,orgeological formationswithvoids,pores,cracks,orfracturesfilledwithwater.Waterflowsfrom withinthekarstaquiferandemergesthroughsprings.Karstlandscapesarepresent inlargepartsoftheworld,—withapproximately30%oftheEarth’ssurfacehaving akarsttopography[6].Mostimportantkarstareasarealsooftenlocatedindensely populatedregions,andabout25%oftheworld’stotalpopulationarelivingoffof

karstaquifers[5].Becausekarstareasconstituteasubstantialpartoftheworld’s lands,andareanessentialresourceofthefreshwaterforagreatpartoftheworld’s population,thereisaneedtobetterunderstandthekarstandimprovethemanagement ofthewatersupply.

Glaciers andicecapscoverabout10%oftheworld’slandmass.Accordingto theUnitedStatesGeologicalSurvey(USGS),96%oftheworld’sfrozenfreshwater isattheSouthandNorthPoles(Fig. 1.1).Thesefreshwaterresourcesarenoteasily exploitablebecausemostofthemarefarfromhumansettlements,andtheaccessibilityisnotstraightforward[3].Nevertheless,subpolarglaciernetworkcanplaythe roleofnaturalsensorsofglobalwarmingevolution[7].

Hydrologicalmodels canbephysical,conceptual(includinglumpedanddistributed)andempirical,accordingtogeneralterminologyusedinthehydrologyliterature.Theempiricalmodelappliesmathematicalequationsthatarenotderivedfrom physicalprocessesinthecatchmentarea,butfromtheanalysisoftimeseriesdata andstatisticalinferences.Thetechniquealsocalleddata-drivenmodeling(DDM)is basedonanalysisofdatafromonesystem,seekinginparticularconnectionsbetween thesystemstatevariables(inputandoutputvariables)withoutexplicitknowledge ofphysicalbehavior.Thelatestadvancesinhydroinformatics,anemergingfieldin the21stcenturyespeciallyindataminingandcomputationalintelligencerunning overahighperformancearchitecture,havesignificantlycontributedtoprogresson theempiricalmodel.

Thisdocumentismainlyfocusedonspecifichydrologicalaspects,wherefactors involvedinthewaterflowcandeterminethedynamicsofthekarstandglacier systems.Itseemsclearthenecessityofapplyingproperandprecisemanagement models,basedonadvancedtechniquesinsystemidentification,tonaturalsystems, especiallyinsystemswithnonlinearfeaturesandextremeevents,e.g.,longdroughts andheavydownpourinaspringarea,oroutburstsintheglacierdischargeduring transitionalseasons.

1.2Motivation

InternationalexpertsrevealedinApril2010,attheVInternationalSymposiumon Karst,heldinMalaga,theimportanceofresearchonandknowledgeofkarstaquifers. Theyagreeontheneedtoplanactionsforenhancingtheknowledgeandnecessary controlovertheuseandmanagementofgroundwaterreservesandsustainabledevelopment.Amongothers,theyhighlightedthisidea: groundwaterresentmuchlessthan thesurfacewaterswhenaprolongeddroughtduetothelargestoragecapacitythey have [8].Startingfromlinearmodelsalreadyvalidated,thenonlinearsystemhypothesistoidentifythekarstsystemhasbeensetasanaimtoimprovetheknowledgeof thesystem.

Waterinsolidform,suchassnoworice,isamajorfieldonhydrologicalsciences. Onanempiricalfoundationdevelopedoverdecades,theGLACKMAproject[9] meansanexhaustivecontributiontothepolarglaciology.Domínguezetal.[10]show

somecorrelationsbetweenglacierdischargeandclimatevariations.Forthispurpose, since2001eightstationshavebeeninstalledasPilotExperimentalWatershedsat differentlatitudesintheglaciersofbothpolarcircles,withcontinuousrecordingof glacierdischargeathourlyintervals,andtheyofferthepossibilitytobetreatedby otherapproaches.

Thepremisesabove,alongwiththevaluablestudiesofpredecessors—those whohavetackledresearchonthekarstspringinSanJulianFuenmayorBanzo (Huesca)[11]aswellasthosewhohavemonitorizedandanalyzedtheCollinsglacier inAntarctida[12, 13]—andtogetherwithmypersonalinvolvementandawareness oftheenvironment,aretheprinciplesandmotivationtodevelopatreatisealongin termsdescribedbelow.

ThemotivationfordevelopingthisPhDthesisisboostedby

• Myformerandlastingfondnessforsystemidentificationandmathematical modelingfrommanyyearsago,asevidencedmyparticipationinamajor researchprojectonmodelingandsimulation[14].

• Achallengeindemonstratingmycapabilitiesdevelopedovermanyyear ofresearchexperienceasasciencecomputerlecturer,plusfundamentals acquiredintheComputingPostgraduateandPhDMasterofUniversityof Zaragoza.

• Theessentialsupportandknowledgeofexpertsandscholarswhohave encouragedmetotackletheposedproblemsinthekarstspringofGuara MountainsandtheglacierofAntarctica.

• Myabilityacquiredbymanagementandleadershipoflargeinternational projectsoncomputerscience,softwareengineering,processautomationand mathematicalmodels,inthefieldsofindustrialautomation,sensoring,distributedenergymicrogrids,environment,andclimatechangeassessment.

• Anendeavorandpersonalinvolvementwithsustainabilityinnaturalresource consumptionandmysensitiveawarenessofthestateoftheenvironment whichwillbeinheritedbythenextgenerations.

1.3BasicConcepts

System isacollectionofinterrelatedelementsthatformawholeandwithgeneral propertiesofthewholeratherthanoftheindividualelements[15].Theword“system” derivesfromtheGreek“synhistanai”(σνστημα )whichmeans“toplacetogether”. Intheamplesense,theterm“system”maymeananengineeredsystem,anatural system,asocialsystem,orallthree.

Systemsscience providesmethodstoaddresscomplexproblems,whichenable researcherstoexaminethedynamicinterrelationshipsofvariablesatmultiplelevels ofanalysis,andstudytheimpactonthebehaviorofthesystemasawholeover time.Moreover,simulationmodelingcanbeusedtogenerateforecasting,allowing decisionmakerstosimulatetheimpactofalternativesolutionsbeforecarryingthem out[16].

Checklandclassifiedfour typesofsystems abouttherealworldafterconsidering Boulding’shierarchyandJordan’staxonomy.Thefoursystemsinclude naturalsystem, engineeredsystem, abstractsystem and humanactivitysystem [17].Hence,the conceptofsystemalsoservestoidentifythosemanifestationsofnaturalphenomena andprocesseswithcomplexrelationshipsamongthem.Anythingthatcanbelongto theEarthdomainisanaturalsystem,componentofanaturalsystem,oranaggregate formedbynaturalsystems.Insearchingfortheappropriatemethodandmethodologyforspecificsituations,accordingtoZexianandXuhui[17]methodsconcerned withdifferentCheckland’sclassescanbeinterchangeable.Hence,techniquesused inengineeredsystemcouldbeusefulinnaturalsystems.

Mathematicalmodels areformalstatementsorequationstoexpresstherelationshipbetweensysteminputs,outputsandoperations,toaccomplishhydrologicalsimulations.Then,mathematicalmodels,asreasonablerepresentationsofthe system,providesolutionapproachestoawidespectrumofcases:forexample,in streamfloworspringforecasting,recoveringvaluesinmissingdata,quantifyingthe impactoverlandchangesplanning,designingandmanagingwaterresources,better understandingthehydrologicalprocesses,amongothers.

Theterm SystemsEngineering isagenerictermthatdescribestheapplication ofstructuredengineeringmethodologiestothedesignofcomplexsystemswhich requirehighdynamicperformance.

Methodsofsystemengineering areinterdisciplinarytoolstoemulatecomplexsystems;thereforemultidisciplinaryapplicationsarerequired.Thesemethods involveelementsofmathematics,physicsandcomputingaswellastechniquesof analysisandcontrol,toprovidesolutionsinmanydifferentfields;e.g.,electronics, industrialmechanics,distributedcomputing,power,communicationnetworks,manufacturing,logistics,artificialvision,robotics,transportation,chemicalprocesses, medicalandbiologicalsystems,environmentalsystems,andbioprocesses.

Since generaltheoryofsystems attemptsanintegrativemethodologyforthe treatmentofscientificproblems[18],naturalsystemscangainthetransferabilityof modelsfromdifferentscientificcontinents.

Thestudyof naturalsystems inthisthesisleveragesthesystemsengineering toolsfollowingthesystemidentificationtechniques(Fig. 1.2).Forthatreason,karst andglaciersystems,fromadata-drivenanalysis,aregoingtobecharacterizedand identifiedbyengineeringmethodsessentiallyfromanon-linearityapproach.

Fromtheperspectiveofsystemsengineering,thekarstorglaciersystemcanbe assumedasa blackbox devicewithbehaviordictatedbyphysicallaws,whicharenot fullyknown,butobservationsoftheinputsandoutputscanbeusefulinformulating aspecificideaofthesystemdynamics.

Fig.1.2 Checkland’staxonomy[17]:naturalsystem,designedphysicalsystem(engineered system),designedabstractsystemandhumanactivitysystem.Climateandkarst(orglacier)arecoupledsystemsinthecontextofsystemtheory.Naturalsystemscanleveragethetoolsfromsystems engineering

1.4Hypothesis

Systemidentificationresearchersshouldmakedecisionsbasedonthefollowing perspectivestocopewithcharacterizingorpredictingthebehaviorofasystembased onrecordeddata:

• Howcantheyanalyzethesignalstoobtainasmuchinformationaspossibleabout thesystem?

• Howcantheybestusetheinformationintheobserveddatatocalculateamodel withthesamepropertiesandbehaviorastherealsystem?

• Howcantheyknowifthemodelisanygoodandhowcantheyrelyonitfor simulation,designorpredictionpurposes?

Inthecaseofkarstsystemsandglaciersystems,thesethreequestionsarekept opentocompellinganswers,thoughalreadytherearemanyexcellentapproaches.

Asastartingpointofthisthesistoformulatethetargets,andcarryoutaformal studyapplyingthescientificmethodateachstage,Ihadtoaskmyselfsomequestions onobservedfactstoposetheproblemproperly,suchas:

• Whatistheparametricinterdependencebetweeninputandoutputtimeseries?

• Howcanweunveilfeaturesinthesignalsofanaquiferthatotherwisewouldremain hiddenbymethodsheretoforeknown?

• Why,inthesamerechargearea,withthesameprecipitation,doesanaquiferpresent adifferentflowregimethananother?

• CanIpredictthedischargeeffectsnexttimeitrainsintherechargeareaofCiano Polje(SanJuliandeBanzo)?

• Doesthecomplexityofnonlinearmodelsinitstheoreticalstructureanditscomputationalimplementationcompensateimprovementsoverlinearmodels?

• Howcantheinteractionbetweenclimateandhydrologicalcyclebequantifiedby correlationanalysis?

• Towhatextentcanalinearmodelemulatethedynamicbehaviorofaglacier?

• Canbecalculatedtheboundsoftheactiveperiodinaglacier?

• Whichcouldbethesuitablenonlinearstructurefortheannualcycleevolutionof aglacier?

• Howcantheglacierdynamicsbeclassifiedbythefeaturesoftheglacierinthe activeperiods?

• Woulditbepossibletoachieveageneralizationoftheperformanceofaparticular glacierintermsofaglobalmodel?

• Towhatdegreecanaglacierplaytheroleofchangeclimatesensor?

1.5AimsoftheThesis

Theprimaryobjectiveofthisthesiscanbestatedas Applicationsoflinearandnonlinearmethodsofsystemengineeringtonatural systems,namelythekarstaquiferandtheAntarcticglacier,inordertoreveal therelationshipbetweenvariablesthroughspectralanalysis,searchingfor thebestmodelforsimulationandprediction,andcontributingwithadvanced solutionsthathelpoptimizethemanagementofakarstaquiferandcharacterize thehydrologicaldynamicsofaglacier.

Thescopeofthisstudyhasbeenthedesignandverificationofmodelsbasedon somelineartechniques,withthesupportofspectralanalysisbasedonwavelets techniques.Likewise,asetofselectednonlinearmodelstructureshasbeenusedin theidentificationprocesses,focusedontwonaturalscenariospreviouslychosen.One ofthemisthekarstaquiferofFuenmayor(SanJuliandeBanzo,Huesca,Spain),for thetreatmentofdatacollectedfromtheyears2002to2005,andanotherisonCollins Glacier(KingGeorgeIsland,Antarctica)withdataintheperiod2001–2011.

1.6PrecedentContext

TheGroupofTechnologiesinHostileEnvironments(GTE)fromtheUniversityof Zaragoza(Spain)wasfoundedin1997,anditsworkismainlyorientedtowards naturaland/orhostileenvironments,suchashighmountains,polarzones,canyons andundergroundenvironments(caves,mines,tunnels).TheGTE,amultidisciplinary

groupintegratedbyresearchersandlecturers,providestheproperbackgroundto developathesislikethis.Oneofitsresearchlinesdealswiththestudyofkarst springs,mainlythroughanewsystemidentificationtechniques,withresultsgathered inpapersthatcomefromover10yearsago.

GlackmaFoundationpromotesscientificresearchinthepolarregions.Itsresearchershavebeenvisitingbothpolessince1985,almosteachyear.Theyhaveregistered longtimeseriesrelatedtoglaciersdischargeinArcticandAntarcticglaciers,to studytheevolutionofglobalwarming,usingglaciersasnaturalsensors.Glackma Foundationhasprovidedthedataandthefundamentalstocarryoutthepartofthis workaboutglaciers.

1.7OutlineoftheThesis

Afteroutliningtheobjectives,justificationandfundamentalassumptionsofthiswork inthecurrentchapter,thisthesisisorganizedaccordingtothefollowingscheme:

Chapter 2 isadescriptionofthemaintoolsfromsystemengineeringthatwillbe appliedinthecasesunderstudy.Itpresentsthetheoreticalbasistounderstandthe fundamentalofsystemidentificationtechniques.Itstartswithclassicalanalysistechniquesandanoverviewofsomeexistingmethodsforlinearandnonlinearsystems, withanintroductiontoanimportantblockstructurednonlinearsystem.Thechapter alsodealswithparticularywaveletstechniques,showingthepowerfuladvantagesof thesemathematicaltoolsthataregoingtobeusedextensivelyintheexperimental casesconsidered.Thelastsectionsexplainparametricandnonparametricidentificationandfinallythenonlinearidentificationispresented.

Chapter 3 isdevotedtothepresentationoftwonaturalsystemstounderstand detailsoftheconceptualmodels,identifythecharacteristicsoftheenvironmentthat conditionthemodeldesign,anddeterminethescopeoftheproblemtobeworked out.Thefirstreviewisfocusedonthekarstsystemscenario,withadescriptionof thekarsthydrologyandtheinput/outputvariablesoftheproblem.Thesecondone describestheAntarcticenvironment,especiallythemeltingprocessesintheglaciers. Inordertounderstandweatheranddischargecorrelationmodels,somefundamentals shouldbeset.Thechapterhighlightsthenaturalsystemfeaturesinbothsystems, andreviewstheprecedentmodelsintheliterature,inordertoaddresstheanalysis andidentificationinthenextchapters.

Chapter 4 beginswiththedescriptionofthekarstaquiferattheFuenmayorsite.It followsanalysisandsystemidentificationresultsafterapplyingLineartime-invariant systemtheory,thennonlinearmethodsbasedonwavelettransformareappliedto rainfallandaquiferdischarge,followingsomechosentechniquesfromChap. 2 to obtainasystemnonlinearmodel.

Chapter 5 isthestudyofCollinsGlacierinAntarctica,drawingonfundamental techniquesthathavealreadybeendepictedinChap. 2.Itdetailssomelevelsofcoherencetoworkoutthesuitableseasonaleventsforseveralyears.Proceduresbasedon

linearmethodshavebeentested,alongwithnonlineartools,especiallyblockmodels andanalysisbasedonwavelettransform.

Chapter 6 summarizesthemostimportantconclusionsoftheresultsthathavebeen reachedthroughoutthisthesis.Ithighlightsmostsignificantresearchcontributions andpossibleextensionsofthefindings.Also,itdiscussessuggestionsforfurther developmentsandimprovements.

Finally,complementaryinformationarecontainedintheappendices.Appendix Acontainsexamplesofanalysisresultsintheformofillustrations,whichbecause oftheircomplementarycharacter,oroversizing,arenotincludedinthetextofthe correspondingchapters.AppendixBisaglossaryofthemaintermsdefinedaccording tothemeaninggiveninthethesiscontext.

References

1.RibalayguaJ,PinoM,Pórtoles,J,RoldánE,GaitánE,ChinarroD,Torres,L(2013)Climate changescenariosfortemperatureandprecipitationinAragón(Spain).SciTotalEnviron 463–464:1015–1030

2.ReinwarthO,StäbleinG(1972)Diekryosphäre—daseisdererdeundseineuntersuchung. WürzburgerGeographischeArbeiten36:71

3.ShiklomanovI(1998)Worldwaterresources.Anewappraisalandassessmentforthe21st century.Technicalreport,UnitedNationsEducational,ScientificandCulturalOrganisation (UNESCO),Paris

4.ValeroA,BoteroE,SerraL(2002)Theworld’srenewablewaterresourcesandicesheets.In: Proceedingsoftheconferenceonsustainabledevelopmentofenergy,waterandenvironmental systems.Dubrovnik,UNESCO,Croatia,2–7June2002

5.RekacewiczP(2009)Freshwaterresources:volumebycontinent.In:Vitalwatergraphics2. GRID-Arendal,incollaborationofUNEP.Accessed27Sep2013

6.MilanovicPT(2009)WaterresourcesengineeringinKARST.Publisher

7.ErasoA,DomínguezM(2006)Subpolarglaciersnetworkasnaturalsensorsofglobalwarming evolution.UkranianAntarctJ4–5:272–277

8.AndreoB,CarrascoF,DuránJ,LaMoreauxJ(2010)Advancesinresearchinkarstmedia, vol1.Springer,Heidelberg

9.ErasoADomínguezC(2005)GLACKMA(Glaciers,CryokarstandEvironment). http://www. glackma.es/ .Accesed19July2012

10.DomínguezM,Rodriguez-PueblaC,EncinasAH,VisusI,ErasoA(2010)Glacierdischarge andclimatevariations.In:Europeangeoscienceunion.Generalassembly2010.Geophysical ResearchAbstracts,vol12,pp555–567

11.CuchíJ,VillarroelJ,CarcellerT(2006)ComportamientodelmanantialdeFuenmayor,(San JuliándeBanzo,Huesca)durantelasequíade2005.In:CongresoInternacionalsobre:Elagua subterráneaenlospaísesmediterráneos,AQUAINMED06,pp24–28

12.DomínguezM,ErasoA(2009)Substantialchangeshappenedduringthelastyearsinthe icecapofKingGeorge.Technicalreport,PANGAEA—Publishingnetworkforgeoscientific &environmentaldata,InsularAntarctica

13.ErasoA,DomínguezC(2010)SamplingdataatCPE-KG-62◦ S.Collinsglacier,GLACKMA

14.RomayI,CalveteH,ChinarroD,LasalaP,MorenoJM(1988)Modelosmatemáticosdedecisión ysimulaciónaplicadosalatáctica.Resumen.In:FomentoalaInvestigación.Memoria1988, vol1,p305.DiputaciónGeneraldeAragón,Zaragoza

15.BertalanffyLV(1968)Generalsystemtheory;foundations,development,applications.George Braziller,NewYork

16.StermanJD(1994)Learninginandaboutcomplexsystems.SystDynRev10(2–3):291–330

17.ZexianY,XuhuiY(2010)Arevolutioninthefieldofsystemsthinking–areviewofcheckland’s systemthinking.SystResBehavSci27(2):140–155

18.vonBertalanffyL(1950)Anoutlineofgeneralsystemtheory.BrJPhilosSci1(2):134–165

Chapter2

SystemIdentificationTechniques

Anintellectknowingatanygiveninstantoftime,allforces actinginnature,aswellasthemomentarypositionsofallthings ofwhichtheuniverseconsist,wouldbeabletocomprehendthe motionsofthelargestbodiesoftheworldandthoseofthe smallestatomsinonesingleformula,provideditwere sufficientlypowerfultosubjectallthedatatoanalysis.

2.1IntroductiontoSystemIdentification

Modeling istheabstractionofarealprocesstocharacterizeitsbehavior. Scientificmodelingaimstoenhancetheinvestigationofphenomenainorderto revealandbetterunderstandcause-effectrelationships[1].Themodeldefinition givenbyEykhoff[2]introducestheconceptof“essentialaspects”:“...[model]isa simplifiedrepresentationoftheessentialaspectsofanexistingsystem(orasystem tobeconstructed),whichpresentstheknowledgeofthesysteminausableform”.

Thesetofprocessesinasystemdeterminesthebehaviorofthesystem.Every processisdeterminedbyitsphysicalandchemicalproperties,whicharenotalways easilyknown.Amodeltriestoemulatethe‘essentialaspects’ofthesystembehavior, simplifiedbychoosingthemostsignificantproperties.So, modelingtechniques can beclassifiedas:

• apriori modeling, white-box ormorphologicalmodeling,bymakingsimple experimentstoinquireintothephysicalorchemicallawsinvolved.

• aposteriori modelingor black-box modeling,bybuildingamodelbasedonlyon data(data-driven)withouthavingpreviousknowledgeofthesystem.Themodel describeshowtheoutputsdependontheinputs,nothowthesystemactuallyis, andcharacterizesthesystemdynamics(delays,speed,oscillations,andothers), thoughthephysicalinterpretationoftheresultsisnotstraightforward.

©SpringerInternationalPublishingSwitzerland2014

D.Chinarro, SystemEngineeringAppliedtoFuenmayorKarstAquifer (SanJuliándeBanzo,Huesca)andCollinsGlacier(KingGeorgeIsland,Antarctica), SpringerTheses,DOI10.1007/978-3-319-08858-7_2

Another random document with no related content on Scribd:

The Project Gutenberg eBook of Suomalaisia legendoja

This ebook is for the use of anyone anywhere in the United States and most other parts of the world at no cost and with almost no restrictions whatsoever. You may copy it, give it away or re-use it under the terms of the Project Gutenberg License included with this ebook or online at www.gutenberg.org. If you are not located in the United States, you will have to check the laws of the country where you are located before using this eBook.

Title: Suomalaisia legendoja

Author: Eino Railo

Release date: December 20, 2023 [eBook #72460]

Language: Finnish

Original publication: Helsinki: Kust.Oy Kirja, 1923

Credits: Juhani Kärkkäinen and Tapio Riikonen

*** START OF THE PROJECT GUTENBERG EBOOK

SUOMALAISIA LEGENDOJA ***

Kirj.

Osmo Iisalo [Eino Railo]

Helsingissä, Kustannusosakeyhtiö Kirja, 1923.

Äidilleni hänen täyttäessään 75 vuotta omistan tämän kirjani vaatimattomaksi kiitollisuuteni ja kunnioitukseni osoitukseksi.

Tekijä.

SISÄLLYS

Suomalaiset legendat

1. Nainen, jolla ei ollut varjoa 2. Paholaisen viikate 3. Pitkän

Pienan synti 4. Rikas vouti ja paholainen 5. Jeesus ja Pyhä Pietari

Suomessa

SUOMALAISET LEGENDAT

Suomalaisen Kirjallisuuden Seuran kokoelmissa olevat legendatoisinnot jakautuvat professori Antti Aarnen mukaan seuraaviin eri tyyppeihin:

1. Toivomukset. Vapahtaja ja Pietari myöntävät köyhälle miehelle, joka on ottanut heidät vieraanvaraisesti vastaan, kolme hyvää, mutta rikkaalle kolme vahingollista toivomusta.

2. Saita emäntä: a) muutetaan palokärjeksi, b) saa kaksi käärmettä imetettäväkseen.

3. Vapahtaja ja Pietari riihellä. Ahnas talonpoika pakoittaa heidät riihelle, jonka he puivat sytyttämällä ahdoksen tuleen; kun talonpoika koettaa samaa keinoa, palaa riihi.

4. Vapahtaja ja seppä. Vapahtaja leikkaa hevoselta jalat kengittääkseen ne, ja nuorentaa vanhan vaimon; koettaessaan samaa seppä epäonnistuu.

5. Synti ja armo. Papin puoliso estää taikuudella lastensa syntymisen; kun hän sen johdosta kadottaa varjonsa, hylkää pappi hänet ja kieltää häneltä anteeksiannon siihen saakka, kunnes

kivipöydästä kasvaa ruusu. Toinen pappi vie hylätyn vaimon yöksi kirkkoon; vaimon syntymättömät lapset ilmestyvät äidillensä ja antavat hänelle anteeksi. Hän palaa kotiin ja ruusu puhkeaa kukkimaan.

6. Kuollut, joka ei saa rauhaa haudassaan. Mies polttaa kolme morsiantaan eikä kuoltuaan pysy haudassaan; neito tuo ruumiin papin luo ja hankkii hänelle murhattujen anteeksiannon.

7. Kova tilanomistaja paholaisen hevosena: lähettää pojallensa kirjeen.

8. Äiti tahtoo tappaa lapsensa. Isä pelastaa ja salaa ne, näyttäen ne vasta monen vuoden kuluttua. Äiti kuolee kauhusta.

9. Laulava luu. Veli surmaa veljensä (sisarensa) ja kätkee ruumiin maahan; paimen tekee kuolleen luusta huilun, joka ilmaisee salaisuuden.

10. Kuninkaan tytär, joka on surmannut lapsensa. Lintujen kielen oppinut nuorukainen kuulee linnulta kuninkaan tyttären salaisuuden ja paljastaa sen.

11. Kuka söi lampaan sydämen? Pietari vaelluksella erään toverin kanssa, joka syö saadun lampaan sydämen ja kieltää sen tehneensä; tunnustaa tekonsa, kun rahaa jaettaessa kolmas kasa oli tuleva sille, joka söi lampaan sydämen.

12. Alati tyytymätön suutari kartoitetaan taivaasta, koska hän ei voinut sielläkään hillitä arvosteluhaluansa.

13. Paholaisen nolaus. Pappi vie paholaiselle luvatun yöksi kirkkoon ja piirtää viivan lattiaan hänen ympärilleen; paholainen ei

onnistu houkuttelemaan häntä piiristä pois. — Paholaiselle luvattu lukee papiksi ja pelastuu; pelastuu arvaamalla paholaisen ongelmat, joiden selitykset on metsässä kuullut.

14. Paholainen kirkossa. Rikas herra on kuollut; suutari valvoo kirkossa; naulitsee paholaisen alttariin kiinni; kuolleen nahka; suutari saa paljon rahaa.

15. Paholainen niittämässä päiväläisen sijassa. Ilkeän voudin täytyy niittää siksi, kunnes kuolee.

16. Paholainen asianajajana, a) Miestä syytetään varkaudesta; paholainen vie tuomarin oikeussalista; b) "Keitetyt herneet itävät yhtä varmasti kuin keitetyistä munista tulee poikasia"; paholainen vie tuomarin.

Kuten professori Aarne huomauttaa, on muutamissa tapauksissa vaikea ratkaista, mitkä toisinnot olisi luettava legendamaisiin, mitkä sellaisiin satuihin, joissa esiintyy yliluonnollinen vastustaja. Jos ylläolevaa luetteloa tarkastetaan päämääränä sellaiset sadut, jotka sopisivat legendan tavalliseen määritelmään, s.o. olisivat naivin hurskaita kertomuksia Jumalan, vapahtajan ja pyhimysten osanotosta ja vaikutuksesta ihmisten elämään, sekä vielä laajemmin käsittäen yleensä hurskaita ihmekertomuksia, joilla on siveellinen, nimenomaan kristillinen pohjatarkoitus, näyttäisivät tällaisiksi hyvin sopivan vain tyypit 1—7 ja 11; jäljelläolevat sisältävät siksi ylivoimaisesti muita satuaineksia, ettei niiden legendaluonne ole varsin ilmeinen. Ankarasti ottaen ei siis suomalaisten legendatyyppien luettelo ehkä paisuisi niin laajaksi kuin yllä.

Mitä näiden toisintojen yleiseen asuun ja muotoon tulee, ei se, joka syventyy niihin kaunokirjallisia näkökohtia silmälläpitäen, voi

asettaa sadunkertojiemme kykyä tällä alalla erikoisen korkealle. Aivan toisin kuin esim. eläinsatu, jossa kertojat liikkuvat jokapäiväisen elämänsä ja "metsätietonsa", traditsioksi muuttuneiden kokemusten ja huomioiden parissa, tahi kuin "kuningassatu", jonka kehitteleminen vetosi siihen mielikuvittelukyvyn puoleen, joka on lapsilla erikoisen eloisa, legenda edellyttää kertojaltaan korkeampaa, positiivista, siveellisen ongelman ratkaisuun pyrkivää ajatuskykyä, ja sitä ei useimmiten ole ollut. Ne toisinnot, joissa tällaista selvyyttä tapaa, tekevät muistitiedon vaikutuksen; jos muisti on pettänyt, ei oma ajatus ja keksintäkyky ole pystynyt aukkoa täyttämään, vaan on pohjalanka pudonnut käsistä ja tulokseksi tullut avuton, usein sangen typerä ja lahjattomuuttakin osoittava sirpale. Kerääjän läsnäolon aiheuttama hämmennys on myöskin ilmeisesti vaikuttanut tyrehdyttävästä ajattelun ja kertomisen kulkuun. Muistettava on myös, että vain harvat kerääjät osasivat pikakirjoitusta, joten kirjaanpano voi olla katkonaisempi kuin kertojan esitys. Niinpä on näillä toisinnoilla, ehkä muuatta harvaa poikkeusta lukuunottamatta, kirjalliselta kannalta yleisleimana karu ja kömpelö köyhyys, mielikuvituksen ja johdonmukaisuuden puute; siitä hienosta, tunnelmarikkaasta runouden hengestä, joka todellisesta legendasta tuulahtaa, ei niissä ole sanottavasti jälkeäkään. Poissa on sanonnastakin se kansanomainen mehevyys ja sukkeluus, joka tekee esim. eläinsatutoisinnot kirjallisesti niin miellyttäviksi ja käyttökelpoisiksi. Sadunkertojamme ovat lyhyesti sanoen olleet legendoissa heille vieraalla ja liian vaikealla alalla, eivätkä ole yleensä niissä onnistuneet.

Mutta vaikka täten käykin selväksi, ettei näistä legendatoisinnoista ole kirjallisessa tarkoituksessa sinänsä julkaistaviksi, ei sittenkään, vaikka niitä koneellisesti yhdistäisikin ottamalla toisesta lisäksi sen piirteen, mikä toisesta puuttuu, ja vaikka niiden kieli ja sanontatapa

on niin karua ja alkeellista, ettei siitäkään tunnu heruvan niille mitään hedelmöittäjää, huomaa lukija kuitenkin vähitellen niiden mukana joutuvansa ajatus- ja tunnelmapiiriin, joka on laatuaan erikoinen, jopa eriskummallinen, ja arvoltaan sellainen, että se ansaitsee huomiota. Se on niissä tavallaan vain aavistettu, vaistomaisesti tunnettu ja kömpelösti tavoiteltu, mutta sen saattaa niistä kuitenkin havaita, jos lukijan mielikuvituksella on kykyä elävöityä pienistäkin piirteistä. Sinä keskipisteenä, josta lähteneiden säteiden sirpaleita nämä toisinnot ovat ja jonka ympärillä kansan mielikuvitus ja ajatus on haparoiden liikkunut, näyttää yleensä olleen kristillinen käsitys synnistä ja armosta, ja nimenomaan jälkimäisen ratkaisevasta merkityksestä ihmisen pelastukselle, eli siis kristillisen saarnan ydinkohta. Tämä uskonnollisen, kirkolta saadun vakaumuksen tulkinta, se perusajatus, "ettei mikään synti voi katuvaista kadottaa", jos hän luottavaisesti turvautuu Jumalan rakkauteen ja armoon sekä Jeesuksen lunastukseen, häämöittää kaukaa niidenkin toisintojen takaa, joista ei sinänsä mitään tällaista ilmene. Tämän keskipisteen ulko- ja yläpuolella, näkyvämpänä kuin se, kansa sitten tulkitsee muita siveellisiä käsityksiänsä. Se uskoo, että salatuinkin rikos kerta saa tavalla tahi toisella rangaistuksensa, että väärin hankittu rikkaus tuo kirouksen mukanaan, että tyytyväinen ja siveä köyhyys on pätevämpi elämän onnen perusta kuin rikkaus ja ylellisyys j.n.e. Sinä varsinaisena aineksena, jonka alle ja yhteyteen tämä legendain siveellinen sisällys sitten peittyy, esiintyy monenlaista, joukossa valtasijalla, luojan tarkoitusten vastustajana, paholainen ja sen mukana kaikenlainen kirkko- ja kalmataikuus. On omituista huomata, kuinka kansa on uskomuksissaan puolueeton: tulkitessaan vakaumustaan synnistä ja armosta se samalla avoimesti liittää tapahtumien menoon ruumiillistuneen paholaisen ja kaikenlaista törkeätä taikuutta, kertoen näistä, mikäli voi päättää, ilmeellä, joka

osoittaa tässäkin suhteessa lujan ja piintyneen uskon olevan pohjalla. Kaikenkaikkiaan nämä legendamaiset sadut, kömpelöstä ja kehittymättömästä muodostaan ja naivista sisällöstään huolimatta, sittenkin siis paljastavat erään kansansielun kolkan, joka tätäkin tietä ansaitsee tulla tunnetuksi.

Yllämainittujen piirteiden lisäksi on huomiota herättävänä vielä mainittava se "uskonnollisen huumorin" pilkahdus, joka useissa toisinnoissa ilmenee. Saattaisi äkkiä ajatellen tuntua oudolta, että huumorilla olisi sijaa näin vakavien asioiden yhteydessä, mutta tosiasia on, että kansan legendoissa sillä on oleellinen osansa. Se voi olla toisaalta aiheensa mukana perintöä keskiaikaisista kansanomaisista miraakkeleista ja mysteerioista, joissa pyhästä sisällöstä huolimatta usein oli koomillisiakin kohtauksia, ja toisaalta kansan omaa taipumusta leikillisyyteen, jolla se vaistomaisesti pyrkii lieventämään liian kolkoksi ja juhlalliseksi kiristyvää tunnelmaa. Ja kristillisessä voitonriemussa, kun oltiin varmoja siitä, että paholainen yrityksistään huolimatta oli tuomittu joutumaan tappiolle, oltiin taipuvaisia antamaan tälle ruhtinaalle nolo ja naurua herättävä osa. Legendojen huumori onkin niiden tehoisinta taidetulosta, joka heittää koko kertomuksen ylle oman erikoisen hohteensa.

Ylläsanotusta on jo käynyt selville, etten ole voinut noudattaa tässä työssäni samaa menettelytapaa kuin "Suomen kansan eläinkirjaa" tehdessäni. Päästyäni selville siitä, etteivät toisinnot edes yhdistelemälläkään voi herättää nykyaikaisen lukijan mielenkiintoa, mutta samalla viehättyen niihin mielikuviin, joita ne synnyttivät, siirsin ne syrjään ja kirjoitin vapaasti ja itsenäisesti, noudattaen toisintoja ainoastaan sikäli kuin ne miellyttivät, "runoillen kansantarinoiden pohjalla", tässä teoksessa olevat kertomukset. Ja vaikka aihepiirin perusteella olenkin niille antanut yhteisnimen "Suomalaisia

legendoja", ovat ne kuitenkin ei ainoastaan muotoon, vaan varsinkin juonen rakennukseen ja toisissa tapahtumiinkin nähden minun vastuullani. Onko tämä menettelytapani ollut eduksi vai vahingoksi uudelleen saatettaessa suomalaista legendapiiriä yleisön ulottuville, sitä olen polkeellinen arvostelemaan; minulle vain ei muu tapa ole ollut mahdollinen.

Kannattanee vihdoin merkitä muistiin, että Juhani Aho tunsi mielenkiintoa suomalaisia legendoja kohtaan ja otti ne haltuunsa niihin tarkemmin tutustuakseen. Eri tyyppiryhmien kansilehdelle hän näkyy tehneen joitakin muistiinpanoja, m.m. sellaisista, joista hänen mielestään yhdistelemällä olisi tullut julkaisemisen arvoinen. Kun tällaisia kuitenkin on vain muutama harva, joten niistä ei olisi mitään kokoelmaa syntynyt, tuli hänellekin eteen suomalaisten legendain kirjoittaminen toisintojen herättämien mielikuvien valossa vapaana kirjailijana, ja siihen hän ei ehtinyt tai ei tahtonut ryhtyä; jonkun aikaa ennen sairastumistaan hän jätti toisinnot Suom. Kirj. Seuralle takaisin.

Professori Kaarle Krohn ja tohtori E. A. Tunkelo ovat suhtautuneet yritykseeni kehoittaen ja myötämielin. Pitäen heidän osoittamaansa luottamusta suurena kunniana ja heidän auliisti antamiansa neuvoja mitä tärkeimpinä teokseni synnylle, pyydän täten saada lausua heille kiitokseni. Pälkäne, elokuun 16 p. 1923.

Tekijä

NAINEN, JOLLA EI OLLUT VARJOA

Olipa kerran pappi, jolla oli ihmeen kaunis tytär, niin kaunis, että kaikkien täytyi pysähtyä häntä katsomaan. Eipä tiennyt, mitä eniten ihailla, hänen tukkansa tummuuttako vai hänen hipiänsä valkeutta, sillä niin erikoiset olivat molemmat.

Mutta silti oli tässä neidossa jotakin omituista. Hän oli vaitelias ja synkkä, liikkuen ihmisten kesken hiljaisena, pystynä ja ylpeänä, ja harvoin lievensi nauru hänen kasvojensa vakavaa ilmettä. Ja kun joskus joutui katsomaan häntä silmiin, täytyi painaa katseensa alas, sillä niistä loisti jotakin pohjatonta. Kukaan ei voinut sanoa, mitä se oli, mutta kaikkien mielestä oli papin kauniin tyttären katse niin terävä, että se tunki läpi.

Kerran sitten tämä ylpeä neito joutui näkemään, minkä tuskan ja kivun kautta ihmislapsen on maailmaan tultava, ja siitä hetkestä asti hän oli entistäkin synkempi ja vaiteliaampi.

Ei ollut tämä neito niin tunteeton kuin hänen käytöksestään ja näöstään olisi voinut luulla, vaan oli hänen povessaan herännyt palava rakkaus. Kuta enemmän hän sitä koetti salata, sitä

polttavampana lieskana se raivosi hänen sydämessään, tuottaen hänelle suloista kärsimystä. Ja se nuori mies, pappi hänkin, jota hän rakasti, tunsi myöskin samaa neitoa kohtaan, koettaen päästä selville hänen ajatuksistaan, mutta turhaan. Neito poisti hänet luotansa kylmyydellä, jonka takaa ei voinut aavistaa hänen lempensä hehkua, ja niin murehti mies hänen rinnallaan toivottoman rakkauden surua.

Neidon rakkaus oli kyllä noussut sielun puhtaudesta, mutta ei tahtonut tunnustaa luonnon käskyä. Hän halusi nauttia rakkaudesta, mutta ei kantaa sen hedelmiä: hän pelkäsi lasten tuottamaa tuskaa enemmän kuin mitään muuta. Siksi hän ei uskaltanut rohkaista rakastajaansa, sillä hän ei tohtinut ajatella avioliittoa ja lasten synnyttämistä. Ja tästä aiheutui hänen sydämeensä kuluttava ja tuskallinen ristiriita, joka kalvoi häntä öin päivin, antamatta koskaan rauhaa. Hänen mielensä tila tuli vähitellen järkytetyksi, sielun synkkyys eneni, ja pian katseltiin häntä yhä suuremmalla pelolla ja kammolla. Ei tiedetty, mitä hänestä piti ajatella, mutta kaikkien täytyi myöntää, että hän oli melkein entistä kauniimpi.

IIKerta sitten neito oli kuutamoisena syksy-iltana kotinsa lähistöllä kävelemässä, sydämessä aina sama polttava rakkaus ja kauhu, joka esti hänet kaipuutansa tyydyttämästä. Hänen tuskansa oli niin kova, että hänen täytyi huoata ääneen ja valittaa pelkoansa. Tuskin hän oli ehtinyt tehdä sen, kun hän samalla säikähtäen kirkaisi: hänen vierelleen oli ilmestynyt pieni, harmaa mies, joka katseli häneen ilkeästi tuuheiden kulmakarvojensa alta. Neito vapisi kuin haavanlehti; hän olisi tahtonut juosta pois, mutta ei voinutkaan, sillä

hänen jalkansa olivat aivan kuin maahan kiinni kasvaneet. Hänen täytyi seisoa siinä ja katsoa tuota harmaata äijää, joka niin omituisesti ja hyytävästi häneen tuijotti, ja kun hän silmäili ilmestystä tarkemmin, huomasi hän kauhukseen, ettei kirkas kuutamo heittänytkään äijän viereen mitään varjoa. Neito ei tiennyt mitä ajatella, ja väliin hänestä tuntui kuin ei siinä mitään äijää olisi ollutkaan, hiukan sumua ainoastaan. Mutta sittenkin: siinä se seisoi ja katseli häneen ilkeästi ja uteliaasti. Vihdoin hän kokosi kaiken rohkeutensa ja kysyi äijältä: "Mitä tahdot?"

Silloin tuo pieni, harmaa mies vastasi: "Satuin kuulemaan toivomuksesi ja päätin auttaa sinua, jos haluat. Voit huoleti mennä naimisiin, sillä lapsia et saa, jos teet ohjeideni mukaan". Tämän kuullessaan neito vapisi, sillä hän ymmärsi, mihin syntiin häntä täten tahdottiin vietellä, mutta sitten kuitenkin ajatus palasi kuvailemaan kipua ja tuskaa, huolta ja vastusta, jota lapset tuottaisivat, ja hän tunsi kiusauksen kovasti kiehtovan. Nähdessään hänen epäröimisensä kiiruhti pieni, harmaa mies sanomaan: "Tule kanssani tuonne vanhaan myllyyn, niin toteutan toivomuksesi; siinä ei ole mitään pelkäämistä, vaan käy se niin ettet huomaakaan". Ja odottamatta neidon suostumusta äijä lähti liukumaan vanhaa tuulimyllyä kohti, jonka lahoneet siivet törröttivät kuutamossa kuin aaveet, ja neito tunsi menevänsä hänen perässään. Välistä äijä ikäänkuin katosi hänen silmistään, mutta ilmestyikin sitten jälleen, ja viittoi hänelle nyt kutsuvasti tuolta vanhan myllyn pimeältä ovelta. Vaikka neidon sydän olikin jäätävän kauhun vallassa, tunsi hän kuitenkin menevänsä sinne kuin vastustamattoman voiman vetämänä, ja seisoi hetken kuluttua äijän vieressä myllynkivien ääressä.

Silloin äijä otti taskustaan seitsemän ohranjyvää, antoi ne hänelle ja sanoi: "Pane nuo jyvät kivensilmään ja kierrä kiveä seitsemän kertaa vastapäivään". Ja tätä sanoessaan äijä oli entistä oudomman näköinen, ja vaikka neito ajatteli, ettei hän jaksa tuota kiveä liikuttaakaan, koetti hän silti pyöräyttää sitä. Ja kivi pyörähtikin keveästi kuin olisi se ollut höyhen. Joka kerralla tuntui hänestä kuin olisi polttava tuska vihlaissut hänen sydäntään ja kivensilmästä kuulunut hento, tuskaisa parahdus. Seitsemäs, viimeinen niistä, oli viiltävä kuin kuolevan valitus, ja neito tunsi, kuinka kaikki katosi hänen ympäriltään kuin hukkuen sysimustaan yöhön. Äijän vihreät, ilkkuvat silmät vain yhäti pimeyden keskeltä häneen tuijottivat, ja korvissa kaikui seitsemän hentoa, oudosti syyttävää ja valittavaa kirahdusta.

Kun neito heräsi, huomasi hän makaavansa kotikedolla, vanhan tuulimyllyn lähellä. Sen irtonainen ovi vingahteli alakuloisesti yötuulessa ja taivaalla oli ruvennut ajelehtimaan pilviä, jotka väliin peittivät kuun, luoden silloin kaikkialle synkän hämärän. Hänen otsansa oli hikinen ja hänen koko ruumiinsa hellä kuin vasta suuresta vaivasta päässeellä. Hän muisti äkkiä kaikki, nousi ja rupesi miettimään, mitä oli tapahtunut. Silloin hän kuuli jostakin seitsemän hentoa, syyttävää, valittavaa parahdusta, säpsähti, ja lähti kotiinsa taaksensa katsomatta. Mutta kun pilvi samalla poistui kuun päältä ja hän vilkaisi sivulleen, huomasi hän kauhukseen, ettei hänellä enää ollutkaan varjoa. III

Neito oli jo tähänkin saakka käytöksellään ja olemuksellaan herättänyt ihmisten kummastelua, ja teki sitä vielä enemmän nyt,

tämän öisen tapahtuman jälkeen. Kävi näet niin, että hän muuttui tuona yönä iloiseksi ja puheliaaksi, vapaaksi ja herttaiseksi, niin ettei häntä enää tahdottu tuntea samaksi. Ja hänen iloisuuttaan ei näyttänyt nyt mikään voivan vaimentaa: kuta vakavampia muut ihmiset olivat, sitä hilpeämpi halutti tytöllä olla, kuta synkempi yö ja kovempi myrsky, sitä eloisampi ja vallattomampi tyttö. Mutta iloisuudestaan huolimatta hän ei saavuttanut enempää sydämen ystäviä kuin synkkyytensäkään päivinä.

Mutta tuo nuori pappi, joka häntä rakasti, oli nyt onnellinen. Nyt ei neito enää väistänyt, vaan rohkaisi häntä. Kauan ei viipynyt, ennenkuin he olivat mies ja vaimo. Nuori pappi aloitti avioelämänsä hartaalla rukouksella, nuori vaimo sädehtivin silmin, niin kauniina, niin oudosti ihanana, että kaikki vaikenivat hänet nähdessään, eivätkä voineet kylliksi häntä katsoa.

Ei ollut heidän avionsa alkuaikoina sitä iltaa ja aamua, ettei nuori pappi olisi iloisin toivein tulevaisuuttaan ajatellut. Hän kuvaili mielessään sitä hetkeä, jolloin ensimmäinen pieni tulokas olisi ilmestynyt osanottajaksi heidän elämäänsä, kruunaten sen kaikella sillä onnella, joka tässä maailmassa on mahdollinen. Mutta kuta useampi vuosi kului eikä pientä tulokasta ruvennut kuulumaankaan, sitä ahkerammin viivähti huoli papin sydämessä. Hän rupesi uskomaan, että hänen rakkain toiveensa jäisi toteutumatta, ja vaipui alituiseen rukouksen taisteluun tämän toiveensa puolesta. Hänen oli vaikea alistua siihen, jonka hän kuitenkin tunnusti Jumalan tahdoksi.

Ja vuosien kuluessa rupesi hänen alussa niin sädehtivän iloinen puolisonsakin tuntemaan samaa elämän tyhjyyttä. Ne riemut ja tuskattomat nautinnot jotka hän ennen oli kuvitellut niin suuriksi ja loppumattomiksi, muuttuivatkin vähitellen mehuttomiksi, ja sielussa

rupesi tuntumaan vastustamaton kaipuu johonkin, joka antaisi hänen elämälleen todellisen ja täydellisesti tyydyttävän tarkoitusperän. Ennen aavistamattomalla voimalla avautui hänelle äitiyden pyhyys ja ihanuus, ja samalla myös syttyi povessa entistä polttavampi tuska ja epätoivo, joka hetki hän oli kuulevinaan ne seitsemän hentoa kirahdusta, jotka silloin kuutamoyönä olivat hänen korvissaan kaikuneet, ja alati hän oli tuntevinaan povessaan ne kaameat vihlaukset, jotka olivat hänelle kertoneet, mitä oli tapahtunut. Seitsemän hentoa olentoa kohosi hänen sielunsa eteen, karkoittaen siitä syyttävällä ilmeellään pois ilon.

Tulipa sitten kerran taas synkkä syksy ja elävämmin kuin koskaan ennen muisti papin puoliso sen, mitä kerran oli tapahtunut. Herätessään aamulla levottomasta unesta hän, voimatta enää itseään hillitä, huokasi raskaasti suruansa siitä, ettei heillä ollut lapsia, ja tähän hänen suruunsa yhtyi hänen miehensä. Hän purki vaimolleen kaiken vuosien kuluessa sydämeensä kasautuneen katkeruuden, kapinoiden toivottomuudessaan jo Jumalaakin vastaan ja kysyen, mikä se synti oli, josta heitä näin rangaistiin. Ja vaimo kuunteli tätä valjuna, sanattomana, voimatta yhtyä miehensä rukouksiin, tunnossa polttavana taakkana se, mikä oli kerta tapahtunut. Vaiti aloittivat he päivänsä, vaiti kuluttivat sen loppuun, kunnes tuli kirkas, kuutamoinen ilta. Silloin sanoi pappi vaimolleen: "Lähtekäämme kävelemään. Ehkä illan rauha mieltämme virkistää". Ja he lähtivät, suunnaten tiensä vanhalle myllylle päin.

He kulkivat vaiti toistensa rinnalla, ja taivaalla ajelehtivat pilvet peittivät väliin seudun syvään hämärään. Kun kuun valo pääsi taas esteettä loistamaan, katsoi pappi yhä enemmän kummastellen puolisoansa. Hänestä tuntui, että se oli joku hänelle aivan vieras ja tuntematon olento, joka selittämättömällä tavalla herätti hänessä

kammoa ja pelkoa. Yhä tarkemmin hän tutki siinä vaimoansa, kunnes huomasi jotakin, joka sai hänet kauhusta jäykistymään. Hän pysähtyi ja tuijotti puolisoonsa, joka kääntyi hänkin katsomaan vastaan, silmissä omituinen, salaperäinen, pohjattoman epätoivoinen ilme. Silloin pappi kysyi: "Mistä johtuu, ettei sinulla ole varjoa? Minulla on varjo, kaikilla ihmisillä ja esineillä on varjo, mutta sinulla ei ole?"

Silloin papin puoliso pysähtyi miehensä eteen ja katsoen häneen läpitunkevasti tunnusti kaikki, mitä kerran oli tällä samalla paikalla ja tuossa vanhassa myllyssä tapahtunut. Se kertomus tuntui papista niin kamalalta ja niin uskomattomalta, että hänen verensä oli jäähmettyä. Hän oli siis ottanut vaimokseen naisen, jonka omallatunnolla oleva teko hänen mielestään sulki hänet pois pelastuksesta, Jumalan armosta ja iankaikkisesta autuudesta.

Torjuen hän kohotti molemmat kätensä naista vastaan ja poisti hänet jyrkästi luotansa; hänen surunsa ja tuskansa muuttui; vanhurskaaksi vihaksi, hän ei ajatellut armoa eikä sovitusta, vaan kirosi puolisonsa ajaen hänet pois ja sanoen sauvaansa osoittaen: "Ennen tuohon kuivaan puuhun puhkeaa vihreitä lehtiä, kuin sinä saat tämän syntisi anteeksi". Niin jätti hän puolisonsa siihen ja pakeni kotiinsa, jossa vaipui sanomattomaan epätoivoon, sillä hän näki sydämessään joka hetki sen tuskallisen, hätäisen ja rukoilevan katseen, jolla vaimo oli koko ajan häneen tuijottanut.

Sinä syksyisenä yönä katosi papin puoliso jäljettömiin, eikä kukaan voinut sanoa, minne hän oli mennyt tahi mitä hänestä oli tullut.

Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.