Twoja wyszukiwarka

PIOTR J. FLATAU KRZYSZTOF MARKOWICZ
JAK ZMIERZYĆ KLIMAT?
Wiedza i Życie nr 3/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/2000

W 1999 roku nad Oceanem Indyjskim powstała chmura smogu. Była tak wielka, że miała wpływ na klimat tego rejonu Ziemi.

W lutym, marcu i kwietniu nad Oceanem Indyjskim spotykają się dwie masy powietrza, związane z wiatrami pasatowymi. Jeden wiatr, wiejący z półkuli północnej od strony Półwyspu Indyjskiego i południowo- -wschodniej Azji, przepływa nad lądem, zamieszkanym przez ponad 2 mld ludzi, emitujących cywilizacyjne zanieczyszczenia. Drugi, z południowego wschodu, niesie czyste powietrze z półkuli południowej. Chmury i inne aerozole (fizycy atmosfery nazywają aerozolami małe cząstki zawieszone w powietrzu, o wielkości około mikrometra lub mniejsze [patrz: Zarodniki życia?, "WiŻ" nr 10/1998]) stanowią poważny problem w modelowaniu i rozumieniu zmian klimatycznych. Co prawda, wiadomo, że to właśnie chmury, które w danej chwili mogą pokrywać nawet 70% kuli ziemskiej, są jednym z głównych mechanizmów zmian klimatu, ale istota tego mechanizmu jest słabo poznana.

Chmury silnie odbijają promieniowanie słoneczne, zmniejszając znacznie ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi. Praktycznie każdy doświadczył tego zjawiska na własnej skórze w trakcie opalania, gdy płynący po niebie obłok przysłonił nagle słońce. Ilość odbitej w ten sposób energii zależy od mikrofizyki chmury.

Można to zrozumieć, przeprowadzając prosty eksperyment. Weźmy zwykłą kartkę papieru i przesłońmy nią słońce. Kartka ma określoną masę i powierzchnię. Zgniećmy teraz kartkę w kulkę i przesłońmy słońce jak poprzednio. Zgnieciona kartka zatrzymuje znacznie mniej promieni słonecznych, mimo że jej masa nie uległa zmianie. To, co się zmieniło, to powierzchnia. Zgnieciona kartka to chmura, w której woda została zebrana w jedną wielką kroplę, rozwinięta kartka zaś odpowiada normalnej chmurze. Stopień "rozwinięcia" chmury zależy od tego, z jak małych kropelek się składa. Z tej samej ilości wody można uzyskać metr sześcienny mżawki lub kilkaset metrów sześciennych drobnej mgiełki. Loty nad czystymi i zanieczyszczonymi obszarami Oceanu Indyjskiego wykazały, że antropogeniczne aerozole wpływają na mikrofizyczne własności chmur poprzez zmianę wielkości i ilości kropli.

Brązowawa mgła zanieczyszczeń, wisząca nad znaczną częścią tropikalnego Oceanu Indyjskiego (patrz wyżej), rozciągała się od powierzchni oceanu do wysokości 1-3 km. Składała się z drobin sadzy, siarczanów, azotanów, cząstek organicznych i mineralnych. Była tak gęsta, że miejscami widoczność nie przekraczała 10 km. Oprócz stałych i ciekłych drobin, powietrze miało dość wysokie stężenia tlenku węgla i gazów organicznych. Pomiary wykazały, że cząstki aerozolu ograniczały promieniowanie słoneczne nawet o 40%, choć niebo było pogodne. Odkryto również coś nowego: okazało się, że ten aerozol nie tylko odbija, ale i pochłania promieniowanie słoneczne. Cechę tę zawdzięczał prawdopodobnie dużej ilości sadzy i innych produktów niecałkowitego spalania. Aerozol wiszący nad Oceanem Indyjskim miał kolor, a to oznacza, że pochłaniał światło.

Dotychczas stosowane modele klimatyczne uwzględniały wpływ aerozoli jedynie przy założeniu, że są przezroczyste i nie pochłaniają znaczących ilości promieniowania. Uważano, że dzięki nim atmosfera ziemska silniej odbija promieniowanie słoneczne i tam, gdzie występują, robi się chwilowo zimniej. Tymczasem okazało się, że z aerozolami związane są jeszcze dwa inne procesy o istotnej roli klimatycznej. Pierwszy z nich to właśnie absorpcja promieniowania, która sprawia, iż pewne typy aerozoli mogą nie tylko nie ochładzać atmosfery, ale wręcz ją rozgrzewać.

Zjawisko to widać szczególnie wyraźnie w akwenie Oceanu Indyjskiego. INDOEX był pierwszym eksperymentem, w którym badano źródła i transport zanieczyszczeń nad tym obszarem Ziemi. Wydaje się, że zanieczyszczenia nad Oceanem Indyjskim są nieco inne niż te nad Ameryką Północną i Europą, gdzie kontroluje się ich emisję i usuwa większość materiału absorbującego, pozostawiając tylko przezroczyste cząstki.

Drugi efekt działania aerozoli jest dużo subtelniejszy i znacznie trudniejszy do oszacowania: aerozole wpływają na tworzenie się chmur. Para wodna kondensuje się właśnie na tych maleńkich cząstkach i gdy jest ich dużo w powietrzu, tworzą się chmury złożone z drobniejszych kropelek, a więc rozleglejsze.

Całkowita ilość wody w atmosferze determinowana jest przez procesy wielkiej skali, na przykład przez równowagę termodynamiczną między atmosferą i oceanem. Inaczej jest z chmurami. Wielkość i ilość kropelek wody w chmurach zależą od ilości i rodzaju występujących w powietrzu zanieczyszczeń.

Rys. 1. Dwa wiatry pasatowe związane z zimowym układem monsunowym zderzają się w strefie konwergencji. Wiatry północno‑wschodnie niosą zanieczyszczenia z Półwyspu Indyjskiego i znad Azji  obszarów, na których żyją ponad 2 mld ludzi. Wiatry półkuli południowej są względnie czyste

Ważnym elementem większości eksperymentów meteorologicznych są samoloty. W INDOEX-ie używano ich do pomiarów stężenia cząstek aerozoli i obserwacji chmur w wyższych warstwach atmosfery. Samoloty są szybkie i lecą tam, gdzie jest ciekawie. My zaś byliśmy na statku "Ronald H. Brown" i poruszaliśmy się z szybkością roweru.

W pobliżu był jeszcze jeden statek badawczy, indyjski "Sagar Kanya". Podobnie jak w samolotach, na pokładzie "Browna" znajdowały się instrumenty do pomiarów atmosferycznych. Dodatkowo mieliśmy jeszcze przyrządy do badania własności optycznych oceanu dane te są konieczne, by wyliczyć ilość aerozolu z pomiarów satelitarnych. Jeden z naszych przyrządów do mierzenia aerozoli był szczególnie prosty to małe pudełko z detektorami światła słonecznego; im więcej rozpraszania i absorpcji w atmosferze, tym mniej światła dociera do powierzchni Ziemi. Trochę to przypomina naświetlanie filmu w aparacie fotograficznym. W ten sposób mierzy się grubość optyczną aerozolu w atmosferze.

Mieliśmy także lidar. Lidar to taka duża, szybko migająca latarka (miga około 2500 razy na s). Każdy wysłany impuls światła odbija się od zanieczyszczeń w powietrzu. Im jest ich więcej, tym odbicie silniejsze. W ten sposób otrzymuje się obraz zanieczyszczenia atmosfery aerozolami aż do kilku (w nocy nawet kilkunastu) kilometrów nad powierzchnią oceanu. Na statku odbieraliśmy także zdjęcia satelitarne. Porównanie obrazów wykonanych w różnych długościach promieniowania elektromagnetycznego pozwala uzyskać informacje o grubości optycznej aerozolu. Specjalnie na potrzeby INDOEX-u przesunięto nad Ocean Indyjski geostacjonarnego satelitę METEOSAT-5. Wykonywane przez niego zdjęcia dały nam dobry obraz warunków meteorologicznych w rejonie prowadzenia pomiarów. Ściągaliśmy je na "Browna" przez Internet.

Rys. 2. Schematyczny rysunek przedstawiający platformy badawcze wykorzystane w czasieINDOEX-u. U góry satelity polarne (NOAA12,14,15 i SeaWIFS) i geostacjonarne (METEOSAT‑5, INSAT i FY‑2). METEOSAT‑5 został przesunięty nad Ocean Indyjski specjalnie na potrzeby INDOEX-u. Poniżej kilka samolotów badawczych. C‑130 należy do amerykańskiego National Center of Atmospheric Research (NCAR). Inne są własnością różnych krajów europejskich. "Sagar Kanya" to indyjski statek z Indyjskiego Instytutu Oceanografii w Goa. Stacje pomiarowe w Kaashidoo na Malediwach i stacje meteorologiczne w Indiach także prowadziły w czasie INDOEX-u własne pomiary

INDOEX miał na celu pomiar regionalnego wpływu aerozoli na klimat. Został przeprowadzony z ogromnym rozmachem. Kosztował wiele milionów dolarów i był przygotowywany przez ostatnie 5 lat. Poprzedzono go dwoma mniejszymi próbnymi przedsięwzięciami. W eksperymencie uczestniczyło ponad 150 osób z kilkunastu państw, w tym my. Koordynatorami projektu byli Veerabhandran Ramanathan, dyrektor C4 Center for Clouds, Chemistry, and Climate (Centrum Chmur, Chemii i Klimatu) Uniwersytetu Kalifornijskiego oraz Paul J. Crutzen, laureat Nagrody Nobla z chemii w 1995 roku. Wszystko po to, by spróbować odpowiedzieć na pytanie, jak człowiek zmienia klimat i znaleźć naturalne laboratorium do oceny procesów fizycznych związanych z tymi zmianami. Same pomiary temperatury powierzchni i atmosfery Ziemi oraz wnioskowanie na tej podstawie o zmianach klimatu są często krytykowane i istotnie mogą być zwodnicze. Przed INDOEX-em myśleliśmy, że gazy cieplarniane powodują ocieplenie, aerozole zaś oziębiają. Teraz wiemy, że aerozole mogą również nagrzewać atmo-sferę. Nie znamy dziś jednak ostatecznej odpowiedzi, jaki jest wynik tego bilansu. Naukowcy liczą na to, że pełne opracowanie wyników INDOEX-u okaże się pomocne w jej uzyskaniu.

Dalsze informacje o INDOEX-ie można znaleźć na stronie: http://www.indoex.ucsd.edu.

- Piotrek, chodź - uczepiła się mojego rękawa Jess. - Wrzucą nam Xytec do wody, a tam jest spektrofotometr. Pognaliśmy na lewą burtę. Na długiej linie dźwig okrętowy opuszczał nasze instrumenty na płaską łódź. Takie łodzie obsługują na Male turystów jadących z lotniska na niezliczone okoliczne wysepki; normalnie wiozą walizki, a tym razem był tam prawie cały nasz sprzęt: lidary, fotometry, spektrofotometry, kilkanaście komputerów, no i rezultaty naszych sześciotygodniowych pomiarów na Oceanie Indyjskim. Kilku malediwczyków wychyliło się za burtę i zgarnęło wielkie pudło na pokład. No problem, no problem. Jess odetchnęła z ulgą. John, jeden z członków naszej sześcioosobowej Grupy Optyki Morza, odpowiedzialny za transport sprzętu z powrotem do USA, otarł pot z czoła. - To jeszcze nie koniec - wymamrotał smutno Ajit, Hindus pracujący na co dzień na Uniwersytecie Maryland. Ajit miał trudne dzieciństwo. Niedawno opowiadał, że mama kazała mu jeździć do szkoły na słoniu, a słoń się spóźniał. To były ostatnie godziny INDOEX-u jednego z największych eksperymentów dotyczących zmian klimatu. Zwijaliśmy się z "Ronalda H. Browna", naszego statku, a wraz z nami około trzydziestu naukowców z USA, Niemiec, Polski, Kanady i Włoch. Sześć tygodni temu startowaliśmy z Mauritiusa, a teraz jesteśmy na Malediwach, w Male.

PIOTR J.FLATAU pracuje w Scripps Institution of Oceanography, University of California w San Diego. Jest jednym z kierowników projektu badawczego koloru oceanu (SIMBIOS) Amerykańskiej Agencji Kosmicznej NASA.
Mgr KRZYSZTOF MARKOWICZ jest doktorantem w Zakładzie Fizyki Atmosfery Instytutu Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego.