Kiedy wiatr wieje nam w twarz, czujemy go, lecz nie widzimy jego mikroskopowej struktury. To, co w nas uderza to miliony maleńkich wirów, wzmagających wymianę dwutlenku węgla między podłożem a atmosferą. Polscy naukowcy szukają w swoich badaniach odpowiedzi na pytanie, jak uchronić ludzi przed klęskami klimatycznymi.

Wzrastające stężenie dwutlenku węgla w atmosferze prowadzić może do dużych zmian klimatycznych, które z kolei mogą być przyczyną klęsk żywiołowych. Znając temperaturę powietrza i kierunek jego ruchu, a także stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze nad różnymi ekosystemami, można jednak ustalić, jakie procesy z udziałem CO2 zachodzą w atmosferze i w jej podłożu. Dzięki temu dowiadujemy się, jakiego typu zmiany klimatyczne może spowodować globalnie nadmierna emisja dwutlenku węgla.

Takich pomiarów dokonują m.in. Polacy. Zespół naukowców z Katedry Agrometeorologii Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu, pod kierunkiem prof. Janusza Olejnika i prof. Andrzeja Kędziory, za pomocą własnych systemów zbierania danych pomiarowych i połączonych z komputerem urządzeń, wyposażonych w specjalistyczne czujniki, prowadzi badania nad wymianą energii i materii pomiędzy atmosferą i różnymi ekosystemami.

Aparaturę skonstruowano na Poznańskiej Akademii Rolniczej przy bardzo istotnej pomocy finansowej Komitetu Badań Naukowych. Każdego dnia urządzenia śledzą ruchy milionów wirów składających się na otaczające nas powietrze. Monitorowane są m.in. zmiany temperatury powietrza oraz stężenie i strumienie dwóch najważniejszych gazów cieplarnianych: pary wodnej i dwutlenku węgla.

Wirów jest tak wiele, że aby naprawdę ustalić, co się dzieje w atmosferze i badanym ekosystemie, trzeba dokonywać pomiarów, w warunkach polowych, z oszałamiającą prędkością.

\"Temperaturę, podobnie jak stężenie dwutlenku węgla i pary wodnej, możemy mierzyć z częstotliwością do 100 Hz\" - mówi prof. Olejnik. Oznacza to dokonywanie pomiaru każdego z badanych parametrów sto razy na sekundę!

Następny krok to zebranie napływających w szalonym tempie danych i wyciągnięcie wniosków. Zostaną one porównane z informacjami gromadzonymi przez kilkadziesiąt europejskich jednostek badawczych, realizujących ogromny projekt badawczy CARBOEUROPE-IP, w ramach 6. Programu Ramowego Unii Europejskiej. Głównym koordynatorem badań, o budżecie 16,3 mln euro, jest słynny niemiecki Max-Planck-Institut fuer Biogeochemie.

BEZ EFEKTU CIEPLARNIANEGO ŻYCIE NA ZIEMI NIE BYŁOBY MOŻLIWE

Największy udział w efekcie szklarniowym ma para wodna. Jej zawartość w atmosferze odpowiada w największym stopniu za średnią temperaturę powietrza. I choć chwilowa zawartość pary wodnej w atmosferze jest bardzo zmienna, bo zależy głównie od temperatury, to jednak w skali globalnej jej stężenie jest mało zmienne. \"Z pewnym przybliżeniem można powiedzieć, że o średnim stężeniu pary wodnej decyduje sama natura, a człowiek nie ma na to większego wpływu\" - mówi Olejnik.

Działalność człowieka ma jednak zdecydowany wpływ na zawartość w atmosferze drugiego ważnego gazu szklarniowego - dwutlenku węgla. Nadmierna jego emisja może grozić zintensyfikowaniem efektu szklarniowego, powodującym poważne skutki klimatyczne, a nawet katastrofy.

Czy jednak efekt cieplarniany, jak to często jest przedstawiane przez media, sam w sobie jest zjawiskiem negatywnym? Okazuje się, że sprawa nie jest taka prosta.

\"Gdyby nasza planeta pozbawiona byłaby gazów szklarniowych w atmosferze, to średnia temperatura na Ziemi wynosiłaby minus 18 stopni Celsjusza\" - mówi Olejnik.

Obecnie średnia temperatura na naszej planecie wynosi plus 15 stopni Celsjusza. Wyobraźmy sobie, jak wyglądałoby życie ludzi na Ziemi przy temperaturze kilkunastu stopni poniżej zera. Prawdopodobnie wcale by go nie było w formie dzisiaj nam znanej.

A zatem obecność gazów cieplarnianych w atmosferze jest dobrodziejstwem. \"Te zbawienne 33 stopnie Celsjusza, które dzielą obecną średnią temperaturę na Ziemi od temperatury, jaka panowałaby w przypadku braku w atmosferze gazów szklarniowych, zawdzięczamy właśnie efektowi szklarniowemu\" - podkreśla Olejnik.

Największy udział w efekcie cieplarnianym ma para wodna zwarta w atmosferze. Powoduje ona wzrost średniej temperatury na Ziemi o mniej więcej 20-24 stopnie. Drugi w kolejności jest dwutlenek węgla, a jego obecność w atmosferze skutkuje wzrostem temperatury o mniej więcej 5-6 stopni. 33 stopnie Celsjusza, które umożliwiają nam życie zawdzięczamy więc w największej mierze właśnie gazom szklarniowym.

Zagrożenie ze strony efektu szklarniowego pojawia się dopiero wówczas, kiedy następuje jego nasilenie z powodu bardzo dużej emisji CO2 do atmosfery. Taki stan musi spowodować wzrost globalnej temperatury na powierzchni Ziemi. Jeśli temperatura będzie wzrastać jeszcze bardziej, to spowoduje to coraz częstsze i intensywniejsze anomalie pogodowe i w konsekwencji zmiany klimatyczne.

W wyniku wzrostu temperatury wód oceanu światowego i topnienia lodów, poziom wód wzrośnie, co spowoduje zalewanie delt rzecznych i wysp. Obfite i częste opady skutkować będą lokalnymi powodziami o niespotykanej dotąd sile. Latem upały zagrażać będą życiu ludzkiemu i zdecydowanie wzrośnie groźba wielkich pożarów. To tylko niektóre z listy negatywnych skutków intensyfikacji efektu szklarniowego na naszej planecie.

POMIARY KILKADZIESIĄT RAZY NA SEKUNDĘ

Ruch energii i masy pomiędzy atmosferą a powierzchnią naszej planety odbywa się głównie wskutek \"transportu turbulencyjnego\" - tłumaczy Olejnik. Badania nad wymianą masy i energii prowadzone w Poznaniu skupiają się na parze wodnej oraz dwutlenku węgla.

\"Stężenia pary wodnej i CO2 w atmosferze mierzymy tzw. metodą kowariancji wirów, przy pomocy specjalnych czujników, spektrometrów z otwartą ścieżką pomiarową\" - wyjaśnia Olejnik.

W fizyce przyrządy te służą do badania rozkładu promieniowania docierającego do detektora, a wysyłanego przez źródło. Takie specjalistyczne czujniki dołączone są do urządzenia, które Polacy skonstruowali samodzielnie.

\"Aby określić wielkość strumieni gazów szklarniowych wymienianych między podłożem a atmosferą, same badania temperatury oraz stężenia gazów cieplarnianych nie są wystarczające\" - zaznacza.

Bardzo ważnym elementem jest pionowy ruch powietrza. Do jego określania używa się anemometrów, czyli urządzeń do badania prędkości wiatru. W metodzie kowariancji wirów stosuje się bardzo dokładne anemometry soniczne. Można dzięki nim bardzo precyzyjnie ustalać, skąd wieje wiatr, z jaką prędkością i czy następuje unoszenie czy opadanie powietrza w atmosferze.

\"Podobne urządzenia wykorzystywane są w czasie skoków narciarskich\" - mówi Olejnik. Kiedy zawodnik przygotowuje się do skoku i siedzi na belce, można śledzić pomiar ruchu powietrza na zeskoku. Podawane są dane na temat kierunku wiatru, jego prędkości oraz - co bardzo ważne dla skoczka - tego, czy pionowy ruch powietrza skierowany jest ku górze, czy ku dołowi.

Nośnikiem informacji jest w tym wypadku fala akustyczna. Jeśli powietrze jest nieruchome, to wiadomo, jaki czas jest potrzebny, aby \"dźwięk\" przedostał się od źródła do detektora. Jeżeli wir turbulencyjny przenosi powietrze od źródła w kierunku detektora, to czas ten się skraca, a gdy w odwrotnym kierunku, to czas ten się wydłuża.

\"Właśnie z pomiaru czasu przelotu fali akustycznej między źródłem a detektorem potrafimy określić kierunek i prędkość pionowych ruchów powietrza z dokładnością do 1 centymetra na sekundę\" ? wyjaśnia Olejnik.

Na stacji pomiarowej prowadzonej przez poznańskich naukowców wszystkie parametry można mierzyć z częstotliwością 100 Hz, czyli sto razy na sekundę.

\"Początkowo w czasie pomiarów krótkoterminowych, prowadzonych przez dzień lub kilka dni, tak właśnie robiliśmy. Jednak w CARBOEUROPE musimy prowadzić pomiary ciągłe, tzn. 24 godziny na dobę od 1 stycznia 2004 roku do 31 grudnia 2008 roku\" - mówi Olejnik.

W ciągu jednego tygodnia ilość zebranych danych szybko zapełnia nośniki pamięci w warunkach polowych. Dlatego zmniejszono częstotliwość pomiarów do 40Hz, czyli do 40 razy na sekundę.

ATMOSFERA POD PRESJĄ CZŁOWIEKA

CARBOEUROPE podzielony jest na kilka obszarów badawczych, dotyczących kontynentalnego lub regionalnego bilansu węgla w różnych ekosystemach obszarów lądowych.

Ideą projektu jest pokrycie stanowiskami pomiarowymi jak największego obszaru charakterystycznych dla środowiska Europy ekosystemów, jak np. lasy czy obszary rolne. Poznańscy naukowcy, jako jeden z 51 działających w ramach projektu zespołów pomiarowych, prowadzą badania jednego z najtrudniejszych pod względem technicznym ekosystemów.

Poznańska stacja pomiarowa zlokalizowana jest na terenie podmokłym. Tereny takie występują w zasadzie w całej Europie centralnej i północnej, w tym w znaczącej ilości w Polsce.

\"Tereny bagienne czy torfowiska w naturalnej formie, bez ingerencji człowieka, to w zasadzie ekosystemy łagodzące negatywne skutki nadmiernej emisji dwutlenku węgla dzięki temu, że część tego strumienia wycofują z obiegu i magazynują w formie materii organicznej\" - mówi Olejnik.

Ilość dwutlenku węgla w atmosferze wzrasta coraz szybciej. \"Energia, z której wszyscy korzystamy pochodzi głównie z paliw kopalnych, jak ropa, węgiel kamienny i brunatny. Podczas ich utleniania, czyli spalania, do atmosfery dostają się olbrzymie ilości CO2\" - mówi Olejnik.

Dzięki pomiarom wymiany węgla między powierzchnią ekosystemów a atmosferą prowadzonym w ramach CARBOEUROPE można lepiej zrozumieć, w jaki sposób poszczególne ekosystemy reagują na zwiększone stężenie dwutlenku węgla w atmosferze w różnych warunkach meteorologicznych i klimatycznych.

Dowiadujemy się, które \"wyłapują\" dwutlenek węgla z atmosfery i odkładają go w postaci organicznej, a które przyczyniają się do zwiększenia jego koncentracji w atmosferze.

* Nauka w Polsce - Joanna Poros *

25 czerwca 2004