Moduł B. Badanie zapylenia atmosfery

Moduł B realizowany jest we wspólpracy z dr hab. Krzysztofem Markowiczem z UW oraz metodykiem Anną Woźniak.

Wiek XX i początek XXI przyniosły niekwestionowane zmiany klimatu. Średnia temperatura na Ziemi w ciągu ostatnich 100 lat wzrosła o ok. 0.8^oC osiągając poziom najwyższy od rozpoczęcia regularnych pomiarów meteorologicznych. Pomimo że fakty obserwacyjne są niepodważalne to jednak przyczyny tych zmian ciągle budzą wiele emocji. W ostatnich latach zanotowano znaczący postęp w zrozumieniu procesów klimatycznych odpowiedzialnych za obserwowany wzrost temperatury na Ziemi. Z dużym prawdopodobieństwem możemy dziś stwierdzić, że ocieplenie klimatu jest wywołane przemysłową działalnością człowieka. Jednak nie ulega też wątpliwości, że istotny (ale znacząco mniejszy) wkład wnoszą procesy naturalne, które zarówno obecnie jak i przed rewolucją przemysłową kształtowały klimat na Ziemi. O ile wpływ gazów cieplarnianych na ziemski system klimatyczny jest stosunkowo dobrze znany to oddziaływanie aerozoli na klimat budzi wiele kontrowersji.

Aerozole to bardzo małe cząstki stałe lub ciekłe o średnicy około jednej tysięcznej milimetra, które emitowane są do atmosfery w procesach naturalnych i antropogenicznych. Pomimo, że nie sposób dostrzec pojedynczych aerozoli to jednak ich obecność atmosferze jest dość dobrze widoczna. Aerozole redukują widzialność powodując pojawianie się w atmosferze tzw. zmętnienia. Ponadto zmieniają kolor nieboskłonu, co doskonale widoczne jest w czasie bezchmurnej pogody. Obecne w atmosferze aerozole sprawiają, że kolor nieboskłonu zamiast błękitnego staje się biały, a kolor tarczy słonecznej blisko horyzontu staje pomarańczowy lub czerwony. Wpływ aerozoli na klimat jest skomplikowany jednak oddziaływanie aerozolu na klimat możemy podzielić na dwie kategorie: efekt bezpośredni oraz pośredni.

Efekt bezpośredni
Aerozole tworzą cienką zasłonę (coś w rodzaju chmury) otaczającą powierzchnie ziemię. W takim przypadku padające na nią promieniowanie słoneczne jest częściowo odbijanie powracając w przestrzeń kosmiczną a częściowo pochłaniane. W końcu, część promieniowania dochodzi do powierzchni ziemi, jednak jego ilość jest mniejsza niż gdyby aerozolu nie było. Tak, więc aerozole redukują promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni ziemi obniżając w ten sposób temperaturę powietrza najniższych warstw atmosfery.

Efekt pośredni
Niektóre aerozole (będące tzw. jądrami kondensacji) mogą efektywnie oddziaływać na chmury. Zauważono, że chmury, które tworzące się w czystych masach powietrza zawierających niewielką liczbę aerozoli, charakteryzują się mniejszą liczbą kropel w porównaniu z chmurami, które powstają w obszarach zanieczyszczonych. Chmura zawierająca więcej kropelek wody (bardziej zanieczyszczona) jest jaśniejsza od chmury powstającej w czystym powietrzu. Jest to intuicyjnie dość zaskakujący wynik bo spodziewalibyśmy się, że zanieczyszczenia powinny powodować, że chmura staje się ciemniejsza. Przyczyną tego stanu rzeczy są kropelki chmurowe które w chmurze zanieczyszczonej są mniejsze niż w chmurze powstających w powietrzu czystym. Im mniejsze kropelki tym światło jest efektywnie przez nie odbijane stąd chmura staje się jaśniejsza, co z kolei redukuje natężenie promieniowania słonecznego dochodząca do powierzchni ziemi.

Oba procesy prowadzą do ochładzania klimatu a mówiąc bardziej precyzyjne do zmniejszenia ogrzewania klimatu poprzez rosnącą koncentrację gazów cieplarnianych. Z klimatycznego punktu widzenia może się więc wydawać, że aerozole są bardzo pożądane w atmosferze bo redukują globalne ocieplenie. Z globalnego punktu widzenia jest to prawdą jednak oddziaływanie aerozolu jest bardziej skomplikowane niż przytoczono powyżej np. cześć aerozoli emitowanych przez człowieka podczas procesów spalania (cząstki sadzy) silnie ocieplają klimat. Z drugiej strony najmniejsze aerozole są bardzo szkodliwe dla żywych organizmów ze względu na fakt, że wnikają w górne drogi oddechowe prowadząc do wielu schorzeń w tym do nowotworów płuc. W związku z tym począwszy od lat 80-90 tych ubiegłego stulecia zaczęto redukować emisję tego typu zanieczyszczeń do atmosfery. W Europie również i w Polsce widoczna jest znaczą poprawa w jakości powietrza. Mimo tego Polska jest jednym z najbardziej zanieczyszczonych krajów Europy chociaż już nie należy do grona najbardziej zanieczyszczonych krajów świata. Taki stan rzeczy miał miejsce w latach 80-tych ubiegłego stulecia.

Po co realizujemy wybrane działania?
Główny problem z badaniem wpływu aerozoli na klimat jest związany z dużym zróżnicowaniem czasoprzestrzennym źródłem emisji, skomplikowanymi procesami atmosferycznymi z udziałem aerozoli i niewielką ilością stacji badawczych. W Polsce jedynie 4 stacje (w ramach sieci Poland-AOD), zlokalizowane niemal wzdłuż jedynej linii prostej ciągnącej się od Zatoki Gdańskiej po Podkarpacie, wykonują badania wpływu aerozolu na klimatu. Monitoring zanieczyszczeń w tym aerozoli pyłowych prowadzani się na wielu stacjach Wojewódzkich Inspektoratów Ochrony Środowiska (WIOŚ). Pomiary te są jednak z punktu widzenia klimatu mało użyteczne gdyż obserwuje się jedynie koncentracje zanieczyszczeń przy powierzchni ziemi a efekty klimatyczne zależą od całkowitej zawartości aerozoli w całej pionowej kolumnie atmosfery. Dodatkowo w ramach WIOŚ nie prowadzi się pomiarów własności optycznych aerozoli silnie absorbujących, które mają bardzo ważny wpływ na klimat. Z tego względu rozszerzenie badań profesjonalnych o szkolny monitoring ma duże znacznie nie tylko edukacyjne, ale również naukowo-badawcze. Jest ono niezbędne do lepszego zrozumienia oddziaływania aerozoli na klimat Polski w chwili obecnej oraz w przyszłości.

Pozostałe cele badawcze to:

• badanie zmienności czasoprzestrzennej aerozoli nad Polską
• szacowanie cyklu rocznego aerozoli
• badanie wpływu rodzaju na pływu mas powietrza na stopień zapylenia atmosfery
• badanie korelacji koncentracji powierzchniowej aerozoli z ich całkowitą zawartością w pionowej kolumnie atmosfery
• walidacja danych satelitarnych
• walidacja modeli transportu zanieczyszczeń
• badanie wpływu pary wodnej na własności optyczne aerozoli
• określenie wkładu emisji aerozoli z polskich źródeł na całkowitą zawartość aerozoli w atmosferze

Poprzez jakie działania osiągniemy zamierzony cel?

• rozpoznanie lokalnych źródeł zanieczyszczeń powietrza, zwłaszcza tych, generujących składniki antropogeniczne (związki siarki i azot oraz sadzę) i zmienności rocznej emitowanych przez nich zanieczyszczeń
• ocena wpływu warunków meteorologicznych na powstawanie warunków smogowych
• ocena transportu długo-zasięgowego aerozoli nad Polską
• regularne prowadzenie obserwacji atmosferycznych
• nieregularne pomiary terenowe związane z wyznaczaniem efektu cieplarnianego oraz szacowaniem bilansu energii nad różnymi typami powierzchni ziemi

Regularne obserwacje atmosferyczne podzielone będą na kilka kategorii:

a. podstawowe obserwacje atmosferyczne:

• zachmurzenie
• ocena koloru nieboskłonu
• temperatura powietrza
• wilgotność powietrza
• ciśnienie atmosferyczne
• kierunek wiatru
• opady

b. pomiary aerozoli

• grubość optyczna aerozoli przy użyciu fotometru słonecznego
• koncentracji węgla cząsteczkowego przy użyciu prostego aethelometru

c. pomiary temperatury chmur i nieboskłonu

• wyznaczenie wysokości podstawy chmur
• wyznaczanie całkowitej zawartości pary wodnej w atmosferze

d. pomiary zapylenia powietrza

• szacowanie widzialność
• pomiar widzialność przy użyciu aparatu cyfrowego