Coraz częściej kontrolę emisji CO2 biorą na siebie satelitarne instrumenty mierzące jego stężenie w podczerwieni. Widzą one smugi spalin nad elektrowniami i rafineriami. Problemem jest jednak to, że atmosfera nie przypomina spokojnej wody w basenie, przez którą dobrze widać dno, lecz bardziej wrzącą zupę w garnku. To zaś może zaburzyć wyliczenia. Zagadnieniu przyjrzał się zespół Michała Gałkowskiego, fizyka pracującego m.in. w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i w Instytucie Maxa Plancka w Jenie, a wyniki opublikował w czasopiśmie Atmospheric Chemistry and Physics.

Punkt wyjścia jest prosty. Gdy satelita przelatuje nad dużą elektrownią, na przykład Bełchatowem, widzi nad nią smużkę podwyższonego CO2 - coś jak dym z komina, tylko w okularach na podczerwień. Jeśli wiemy, jak bardzo rośnie stężenie CO2 w tej smudze i z jaką prędkością wiatr ją niesie, możemy policzyć, ile dwutlenku węgla musiało wylecieć z komina. To tak, jakbyśmy rozciągnęli w poprzek smugi niewidzialną zasłonę i zliczyli, ile cząsteczek przeleciało przez nią w ciągu sekundy. Dotąd główny nacisk kładło się na dokładność satelity i jakość danych o wietrze. Zespół Gałkowskiego zadał inne pytanie. Nawet jeśli wszystko zmierzymy idealnie, to czy sama chaotyczność atmosfery – tzw. turbulencja – nie narzuca nam pewnej nieprzekraczalnej granicy błędu?

Żeby to sprawdzić, naukowcy sięgnęli po bardzo szczegółowy model numeryczny atmosfery. Zasymulowali typowy wiosenny dzień nad Bełchatowem z siatką co 400 metrów w poziomie i z gęstym podziałem w pionie. Do takiej cyfrowej atmosfery wpuścili w komputerze wirtualny CO2 z komina elektrowni, w tempie zgodnym z realnymi danymi o emisji. Na ekranie powstała więc trójwymiarowa chmura - odpowiednik tego, co satelita widzi jako smugę.

Kluczowy trik polegał na tym, że badacze nie potraktowali tej smugi jak jednej szarej smugi. Podzielili ją na 60 krótkich porcji (ang. puffs, co można przełożyć jako dmuchnięć albo kłębów dymu), odpowiadających kolejnym trzem minutom pracy elektrowni. Można to sobie wyobrazić tak, jakby co trzy minuty ktoś barwił dym innym kolorem i patrzył, jak te kolorowe kłęby mieszają się w wietrze. Potem badacze śledzili, dokąd każda z tych porcji doleci, jak zostanie rozciągnięta, rozmyta i powykrzywiana przez wiry powietrza.

Okazało się, że chmura CO2 wcale nie jest gładka. W przekrojach poprzecznych widać wyraźne zagęszczenia i rozrzedzenie, które utrzymują się na dystansie wielu kilometrów. Jeśli w takich miejscach postawimy wspomnianą niewidzialną zasłonę i policzymy emisję, wynik będzie mocno skakał. W symulacji wartości wahały się od około 60 proc. do prawie 180 proc. prawdziwej emisji elektrowni, w zależności od tego, gdzie dokładnie przecięliśmy smugę, mimo że w modelu źródło emitowało cały czas z równą, ustaloną intensywnością.

Dopiero uśrednianie wielu przekrojów na dłuższym odcinku, tj. kilkanaście, kilkadziesiąt kilometrów za kominem, pozwalało zbliżyć się do właściwej wartości. Co zaskakujące, nawet, gdy naukowcy dokładnie znali wiatr (bo sami go zasymulowali), udało im się zejść tylko do niepewności rzędu około 10 proc. całej emisji. Reszta to skutek turbulencji, czyli tego, że wiatr nie jest tak równy jak powiew suszarki, tylko stanowi mieszaninę podmuchów o różnych kierunkach i prędkościach.

Model pokazał też, skąd biorą się trwałe struktury podwyższonego lub obniżonego stężenia CO2 w smudze. Jeśli w momencie emisji lokalny wiatr przy kominie był słabszy niż średnia, świeżo wypuszczony CO2 nie zdążył się zmieszać z otaczającym powietrzem. Taki kłąb gazu zostawiał za sobą gęstszy fragment smugi, który wędrował potem nad okolicą jak wydłużony kolorowy warkocz. Przy silniejszym chwilowym wietrze było odwrotnie – smugę bardziej rozwiewało. Te różnice nie znikały natychmiast, tylko ciągnęły się za elektrownią kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt kilometrów.

Co to wszystko znaczy poza światem modeli i wykresów? Po pierwsze, że nawet najlepszy satelita i najlepsza metoda liczenia nie przeskoczą fizyki. Z pojedynczego zdjęcia smugi CO2 z dużego komina nie da się wycisnąć dowolnie dużej dokładności. Turbulencja stawia naturalną granicę, mniej więcej na poziomie kilkunastu procent. Te ograniczenia należy uczciwie uwzględnić w systemach monitoringu emisji.

Po drugie, wyniki tej pracy podpowiadają, jak projektować przyszłe misje kosmiczne monitorujące klimat, takie jak europejska konstelacja CO2M. Trzeba nie tylko zwiększać dokładność czujników, ale też mierzyć częściej i z różnych miejsc, aby statystycznie wygładzić kaprysy atmosfery. Wówczas będzie można osiągnąć większe zaufanie do liczb, którymi operuje się w debatach o klimacie. Jeśli mówimy, że jakaś elektrownia naprawdę emituje więcej niż deklaruje, to wiemy, z jakim marginesem błędu, a nie opieramy się na jednym szczęśliwym (albo pechowym) przelocie satelity. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/