Dogłębne zrozumienie smogu drogą do skutecznego przeciwdziałania zjawisku!

Zjawisko smogu nie jest bynajmniej nowe, towarzyszy człowiekowi od dziesięcioleci. Polska, podobnie jak większość krajów Unii Europejskiej, prowadzi skutecznie działania zamierzające do jego zminimalizowania. Pomimo występowania epizodów smogowych, obserwuje się tendencję spadkową zanieczyszczeń powietrza w ostatnim dziesięcioleciu, notowaną jako obniżenie koncentracji pyłów zawieszonych przez Państwowy i Wojewódzkie Inspektoraty Ochrony Środowiska (GIOŚ/WIOŚ).

Jest to zasługą działań podejmowanych na poziomie państwowym, regionalnym, a przede wszystkim obywatelskim, dzięki wzrastającej społecznej świadomości problemu jakości powietrza. Działania te nastawione są w głównej mierze na zmniejszenie tzw. niskiej emisji zanieczyszczeń na wysokościach do 40m. Dająca pozytywne wyniki jest tu w szczególności redukcja niskiej emisji pyłów i gazów pochodzących z nieefektywnego spalania paliw kopalnych, biomasy i odpadów w przydomowych piecach grzewczych i lokalnych kotłowniach, m.in. poprzez wymiany kotłów na wyższą klasę, zmianę paliwa i sposobu spalania, stosowanie odnawialnych źródeł energii. Słabiej zauważalne wyniki daje, równie ważna, redukcja niskiej emisji z transportu spalinowego, m.in. poprzez poprawę jakości filtrów oczyszczania spalin, zmniejszenie użycia spalinowych samochodów osobowych na rzecz transportu miejskiego i kolejowego, wzrost zainteresowania zakupem samochodów elektrycznych.

Istotnym aspektem przeciwdziałania słabej jakości powietrza są prowadzone społeczno-edukacyjne działania informujące, wprowadzanie kar za przekroczenia dopuszczalnych norm stężenia zanieczyszczeń w powietrzu oraz mitygacje ryzyka skutków zdrowotnych smogu. Walka o jeszcze lepszą jakość powietrza w Polsce wymaga pracy, jednak wysiłki te nie pozostaną jałowe, ponieważ przyczynią się do dalszej poprawy jakości życia i zdrowia społeczeństwa. Warto jednak dodać, że ze względu na specyfikę niebezpiecznego zjawiska smogu, jego całkowite wyeliminowanie nie wydaje się być realne.

Oblicza smogu

Smog to z definicji mieszanina niejednorodnych cząstek pyłów dymu, gazów i substancji chemicznych w atmosferze, tworząca się w sprzyjających mu warunkach meteorologicznych (inwersja temperatury i brak lub słaby wiatr, brak opadów, niskie temperatury i wysoka wilgotność powietrza, lub odwrotnie - wysokie temperatury i silne nasłonecznienie) oraz lokalnej topografii (zagłębienia terenu), która skojarzona jest bezpośrednio z działalnością człowieka jako ogniwa dostarczającego zanieczyszczenia powietrza do atmosfery (niską emisją głównie nad obszarami zaludnionymi i uprzemysłowionymi). 

Istotne jest rozróżnienie smogu obserwowanego zimą i latem. Podczas epizodów smogu zimowego  - charakterystycznej burej mgły - związanych głównie z nasileniem niskiej emisji zanieczyszczeń pyłów i gazów ze spalania paliw kopalnych i biomasy w piecach grzewczych, smog występuje równie często w miastach usytułowanych w nieckach, jak i na wsiach w zamieszkanych kotlinach górskich. Taki smog zawiera głównie dwutlenek siarki i dwutlenek węgla, sadzę oraz cząstki stałych pyłów zawieszonych nazywane również aerozolami atmosferycznymi. Rzadziej mamy do czynienia ze smogiem fotochemicznym, obserwowanym w letnie, gorące, mocno nasłonecznione dni jako brunatna mgła, związanym głównie z transportem samochodowym opartym na silnikach spalinowych w większych miastach i aglomeracjach. Główne składnikami smogu fotochemicznego to aktywne chemicznie związki organiczne (nadtlenki, aldehydy) oraz ozon, tlenek węgla i tlenki azotu. W związku z wymienionymi różnicami obu zjawisk (rodzaj i skład, skala i lokalizacja występowania), skutki zdrowotne narażenia na oba zjawiska smogu są inne, niemniej szkodliwe.

Jak mierzyć zanieczyszczenia powietrza?

Metodyka pomiarów smogu powinna być postrzegana z punktu widzenia jednostki, np. poprzez zmysły oraz wpływ na jej psychikę i zdrowie, władz różnych szczebli administracji, np. poprzez obligatoryjny monitoring zanieczyszczeń, oraz środowiska naukowo-badawczego, np. poprzez dogłębne badania zjawiska w różnych skalach czasowo-przestrzennych.

Dla jednostki kluczowa jest organoleptyka pozwalająca na bezpośrednie i natychmiastowe doświadczenie smogu - bury/brunatny kolor nieba, ostry duszący zapach, nieprzyjemna lepkość, podrażnienia narządu wzroku. Ponadto, niepokój związany z wieloma zagrożeniami zdrowotnymi, w pierwszej kolejności są to szeroko pojęte choroby układu oddechowego, w tym nowotwory, następnie choroby układu krwionośnego, nerwowego, rozrodczego, immunologicznego i pokarmowego.

Z punktu widzenia władz, zjawisko smogu postrzegane jest przede wszystkim poprzez pryzmat wysokich stężeń pyłów zawieszonych (PM10 oraz PM2.5 o cząstkach rozmiaru poniżej odpowiednio 10 i 2.5µm) oraz gazów (dwutlenku siarki, tlenku węgla, dwutlenku azotu, ozonu i benzenu) mierzonych tuż przy powierzchni ziemi, które są monitorowane w Polsce przez stacje naziemne Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska, w tym 16 inspektoratów wojewódzkich (WIOŚ). W niektórych lokalizacjach stacje pomiarowe finansowane są również przez Urzędy Miast i Gmin. Ważnym aspektem działań jest tu modelowanie stężeń pyłów i ich prognozowanie, w szczególności jeśli uwzględnia ono pomiary z istniejących stacji naziemnych GIOŚ.

Badania naukowe zjawiska w Polsce są interesujące głównie z punktu widzenia słabo rozpoznanej struktury pionowej smogu i foto-smogu, w szczególności w aspekcie związku - zanieczyszczenia versus para wodna. Pomiary monitoringowe i modelowanie nie są tu wystarczające, m.in. dlatego, że pomiar przy powierzchni ziemi nie daje obrazu pionowego rozkładu pyłów z wysokością i utrudnia interpretację pochodzenia zanieczyszczeń (tj. pyły tylko lokalne, czy z domieszką zanieczyszczeń w wyższych warstw atmosfery).

Smog pod lupą badaczy

Badania naukowe nad zjawiskami takimi jak smog prowadzone są m.in. w ramach infrastruktur badawczych (IB), które wywodzą się z wieloletnich działań prowadzonych w ramach  krajowych, a potem międzynarodowych sieci i inicjatyw badawczych w domenie obserwacji atmosferycznych. Sieci badawcze specjalizują się zwykle w dość wąskim zakresie dotyczącym jednej dziedziny, np. lidarowe sondowanie struktury aerozoli w atmosferze w ramach EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). Poprzez konsolidację takich pomiarów w ramach rozproszonych Infrastruktur Badawczych, takich jak ACTRIS (Pan-European Aerosols, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) ekspertyza najlepszych specjalistów w poszczególnych dziedzinach badań została wystawiona na próbę jaką jest podjęcie nowego kierunku badań poprzez wykorzystanie synergii pomiarowych oraz ich komplementarności, np. wykorzystanie synergiczne urządzeń in situ mierzących przy powierzchni ziemi, lidarów profilujących atmosferę, czy czujników pasywnych takich jak fotometry dające informację w kolumnie atmosfery.

Dostęp szeroko rozumianych użytkowników, m.in. z sektora nauki, administracji, gospodarki, itp., do infrastruktury badawczej oraz generowanych w jej ramach wysokiej jakości produktów danych pomiarowych jest nietrywialny. I to w sensie zarówno budowy w Polsce samej infrastruktury wymagającej wysokich nakładów pieniężnych oraz wyspecjalizowanej kadry pracowniczej (od techników, inżynierów, analityków, po badaczy naukowych), jak również kosztów dostępu do określonych produktów danych oraz ich skalowaniu na potrzeby lokalne i krajowe, w szczególności kiedy nie są one pozyskiwane w Polsce.

Dlatego szczególnie cenny jest udział polskich uczelni i instytucji naukowych w projektach europejskich programów badawczych np. Horyzont 2020, takich jak ACTRIS-IMP (projekt wdrożeniowy IB konsolidującej badania aerozoli, gazów śladowych i chmur w ramach pomiarów naziemnych in situ oraz remote sensing), czy też ATMO-ACCESS (projekt pilotażowego dostępu do IB takich jak wspomniany już ACTRIS, ICOS - Integrated Carbon Observation System, IAGOS - In-service Aircraft for a Global Observing System). Kluczowy jest również polski udział w projektach zmierzających do unormowania formalnego i legalnego istnienia, rozbudowy i długoterminowego wsparcia przez kraje członkowskie infrastruktur badawczych na Polskiej Mapie Infrastruktury Badawczej oraz Europejskiej Mapy Drogowej ESFRI.

Mocną stroną istniejących naukowych stacji badawczych ACTRIS w Polsce jest to, że obejmują one zróżnicowane środowisko – miejska stacja obserwacyjna w Warszawie Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz wiejska stacja w Belsku pod Warszawą Instytutu Geofizyki Polskiej Akademii Nauk. W ramach prac ACTRIS-Polska planowane jest doposażenie i uruchomienie kilku kolejnych stacji obserwacyjnych, w woj. wielkopolskim (Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu oraz Uniwersytet Warszawski), śląskim (Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, Uniwersytet Śląski w Katowicach oraz Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk), dolnośląskim (Uniwersytet Wrocławski) i podkarpackim (Uniwersytet Warszawski), w tym eksperymentalnej platformy mobilnej i specjalistycznego laboratorium fizyko-chemicznego do analizy prób in situ.

Ze zmierzonych danych na stacjach ACTRIS w Warszawie i Belsku, działających m.in. w ramach wspomnianej europejskiej sieci lidarowej sieci EARLINET, jak również światowej sieci fotometrycznej AERONET (Aerosol Robotic Network) na podstawie kontraktów o współpracę z National Aeronautics and Space Administration (NASA), wylicza się określone wielkości fizyczne, które po przejściu kontroli jakości, są ogólnie dostępne poprzez Centrum Danych ACTRIS oraz AERONET Web-Portal, odpowiednio. Ponadto, w ramach prowadzonych badań aktywnie wykorzystuje się obserwacje atmosferyczne na satelitach, m.in. wspomnianej już NASA, jak również European Space Agency (ESA), czy European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), a prowadzone pomiary w ramach ACTRIS stanowią wkład do oceny jakości pomiarów satelitarnych poprzez udział w misjach kalibracyjno-walidacyjnych.

Słabością prowadzonych obecnie badań naukowych jest stosunkowo niskie zaangażowanie we wspólne działania z sektorem monitoringu jakości powietrza, w tym jego modelowania, które wynika głównie z ograniczania się GIOŚ do wykorzystywania jedynie swoich danych pomiarowych. Podobnie ma się sytuacja dotycząca relatywnie niskiej intensywności współpracy z Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej - Państwowy Instytut Badawczy (IMGW-PIB).

Jak wysoko sięga smog?

Intuicyjnie, niestety błędnie wydaje się, że sam monitoring naziemny GIOŚ jest wystarczający. Wynika to z słusznego założenia, że musi istnieć bezpośredni związek stężeń mierzonych przy powierzchni ziemi z lokalnymi zanieczyszczeniami powierza, które obejmują teren miasta, gminy lub obszar uprzemysłowiony gdzie obserwowane jest zjawisko smogowe. Już nie tak intuicyjne jest jednak to, że zanieczyszczenia mierzone przy powierzchni ziemi mogą stanowić mieszaniny cząstek aerozoli lokalnych oraz cząstek napływowych! Przy czym te ostatnie mogą być zarówno cząstkami pyłów i aerozoli pochodzenia antropogenicznego (np. zanieczyszczenia industrialne), jak i naturalnego (np. pożary lasów, pył mineralny znad obszarów pustynnych) transportowane w dalekich odległości nad tereny objęte smogiem. Informacja o dynamice zmian stanu atmosfery w skali co najmniej synoptycznej jest kluczowa, obok lokalnie mierzonych profili temperatury, wilgotności względnej, oraz ruchów pionowych i poziomych mas powietrza. Również informacja o lokalnej pionowej strukturze rozkładu pyłów aerozoli atmosferycznych, zamian zawartości pary wodnej, oraz zmian własności optycznych i mikrofizycznych cząstek aerozolu, w szczególności jeśli są one odzyskiwane w wysokiej skali czasowej (co najmniej półgodzinnej) będzie pełniła bardzo ważną rolę w określeniu wkładu pyłów aerozoli z innych niż lokalne źródeł. Informacja pozyskiwana z danych satelitarnych legitymuje z kolei horyzontalny zasięg przestrzenny danego epizodu.

Aby skwantyfikować skład atmosfery mierzonej przy powierzchni ziemi lub w najniższych warstwach atmosfery stosować można techniki określania i przyporządkowania źródeł (z ang. source apportionment) zarówno do gazowych zanieczyszczeń atmosferycznych jaki i aerozoli zawierających pyły zawieszone. Wykorzystuje się tutaj połączenie modelowania adwekcji mas powietrza nad dany obszar z obszaru źródłowego z analizami chemicznymi próbek in situ pobranych podczas pomiarów przy powierzchni ziemi na obszarze występowania smogu. Komplementarnym do takich analiz jest wykorzystanie pomiarów zdanych z użyciem najwyższej klasy lidarów atmosferycznych (EARLINET), które pozwala na określenie zmienności czasowo-przestrzennej własności optycznych (m.in. profile pionowe współczynników rozproszenia i ekstynkcji, stopnia depolaryzacji, uwodnienia) oraz mikrofizycznych (rozkład wielkości, zespolony współczynnik załamania, albedo pojedynczego rozproszenia) cząstek mierzonych jednocześnie w warstwie granicznej atmosfery (źródła lokalne) i w wolnej troposferze (źródła adwekcji z dalszych obszarów) oraz ich ewentualnego mieszania. Dopełnieniem obrazu są pomiary fotometryczne (AERONET), które dają podobną informację jednak w całej kolumnie atmosfery. Dzięki pomiarom będącym kombinacjami takich urządzeń, można określić na ile mierzone przy powierzchni ziemi stężenia pyłów zawieszonych są istotnie lokalne, a na ile są one spowodowane przez transport aerozoli i pyłów z innych, często bardzo odległych transgranicznych źródeł.

Od 2013r. tego typu badania aerozoli atmosferycznych (w tym również pomiary podczas epizodów smogowych) prowadzone są w ramach szerokich działań Laboratorium Pomiarów Zdalnych / Remote Sensing Laboratory (RS-Lab) kierowanego przez Iwonę Stachlewską w Instytucie Geofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW). Działania badawcze, badawczo-rozwojowe i organizacyjne prowadzone są w dynamicznej współpracy z partnerami krajowymi i zagranicznymi (jednostki naukowe, agencje międzynarodowe, sektor prywatny) i obejmują zarówno pomiary długoterminowe na stacji w Warszawie jak i dedykowane kampanie pomiarowe w ramach projektów naukowych oraz badań statutowych w innych lokalizacjach.

Badania długoterminowe zostały umożliwione dzięki intensywnej i owocnej dwustronnej współpracy zagranicznej, w ramach projektu badawczo-rozwojowego na budowę nowatorskiego urządzenia lidarowego, sfinansowanego przez nie istniejąca już Fundację Nauki i Technologii Polskiej (FNiTP). Dzięki pozyskanemu wsparciu FNiTP oraz późniejszemu operacyjnemu wsparciu pozyskanej infrastruktury przez Dyrekcję Instytutu Geofizyki i Władze Dziekańskie Wydziału Fizyki, Polska zyskała jeden z najnowocześniejszych, działających operacyjnie lidarów na świecie. W ramach ww. grantu FUW oraz TROPOS (Leibniz Institute for Tropospheric Research e.V., Lipsk, Niemcy) zbudowały w latach 2012-2013 wielokanałowy, transportowalny lidar PollyXT, typu Raman-Mie wyposażając go w unikatowy zestaw 8 kanałów pozwalających na pomiary zdalne w trybie quasi-ciągłym pionowej struktury rozproszenia wstecznego oraz ekstynkcji i stopnia depolaryzacji promieniowania na reprezentatywnych długościach fali w zakresie bliskiej podczerwieni (1064nm), światła widzialnego (532nm) i ultrafioletu (355nm). Ponadto lidar profiluje stosunek zmieszania pary wodnej w atmosferze. W ramach podobnej współpracy FUW i TROPOS, w latach 2014-2015 powstał niezależny, ale kompatybilny z PollyXT lidar typu Raman-Mie bliskiego pola NARLa, który wydajnie wzmocnił reżim pomiarów w najniższych wysokościach atmosfery, dzięki czemu pomiary m.in. smogu stały się bardziej miarodajne.

Warto dodać, że lidar NARLa był wykorzystywany podczas kilku aerozolowych kampanii polowych w kraju organizowanych przez FUW (2015-2018), jak również we współpracy FUW z Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI) podczas arktycznej kampanii pomiarowej w 2015r. na niemiecko-francuskiej stacji polarnej AWI-PEV na Spitsbergenie w ramach finansowania z polsko-norweskiego grantu iAREA oraz we współpracy FUW z National Observartory of Athens (NOA) podczas kampanii smogowej w Atenach w 2016r. w ramach wspólnego działania badawczego JRA1 infrastruktury ACTRIS.

LidarPollyXT i NARLa były wykorzystane z powadzeniem do badań nad efektem zamknięcia dla ruchu lotniczego (COVID-19 lockdown) większości portów lotniczych w Europie na przełomie lutego-maja 2020. Wstępne wynikipokazały zaniedbywalny efekt na stacjach ACTRIS położonych w Europie północnej i wschodniej (Polska), w porównaniu z Europą centralną i południowo-wschodnią, gdzie efekt zmniejszenia ilości aerozolu w niskiej troposferze okazał się istotny, jak również w porównaniu w Europą południowo-zachodnią, gdzie odwrotnie - zaobserwowano zwiększenie ilości aerozolu w niskiej i wysokiej troposferze. Obecnie wyniki tych badań przechodzą dogłębne analizy.

Kolejnym przełomem w działalności RS-Lab (FUW) było pozyskanie funduszy z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), dzięki którym możliwe jest prowadzenie dedykowanych kampanii pomiarowych z użyciem lidara mobilnego zbudowanego w ramach kontraktu POLIMOS. Prototyp lidaru EMORAL (ESA Mobile Raman Aerosol Lidar) został w latach 2017-2018 od podstaw zrekonstruowany na lidar typu Raman-Mie w ścisłej współpracy ESA, FUW, NOA, Ludwig Maximilians University Munich (LMU, Niemcy) oraz firmy Raymetrics S.A. (Ateny, Grecja). Został on usprawniony o funkcje stawiające go na poziomie referencyjnego urządzenia do walidacji i kalibracji misji satelitarnych ESA jako mobilne laboratorium zainstalowane na pokładzie samochodu badawczego gotowego do operacyjnej działalności 24/7. Lidar wykonywał regularne pomiary na stacji Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu (UPP) podczas dwóch dedykowanych kampanii pomiarowych w okresach marzec-październik 2018 oraz czerwiec-sierpień 2019, mających na celu badania relacji ekosystem-atmosfera w ramach interdyscyplinarnego działania POLIMOS. Rysunek 4, przedstawia zdjęcia lidara EMORAL podczas jednej z tych kampanii na stacji torfowiskowej PolWET UPP w Rzecinie.

Z udziałem EMORAL przeprowadzono jeszcze kilka innych dedykowanych pomiarów podczas kampanii polowych, w tym dwie kampanie w Warszawie w celu pozyskania rekomendacji poprawności działania lidaru EMORAL w bezpośrednim porównaniu danych mierzonych operacyjne do lidaru PollyXT-NARLa (FUW) oraz referencyjnych lidarów ACTRIS, tj. POLIS (LMU) i RALi ( National Institute for R&D in Optoelectronics – INOE, Bukareszt, Rumunia).

Pozytywne przejście wymaganych testów jakości pomiaru i danych zaowocowało kolejnymi, tym razem już naukowymi kampaniami pomiarowymi oraz intensywna współpracą FUW i Akademii Górniczo-Hutniczej (AGH; Kampania smogowa w Krakowie, 2019), współpracą FUW, UPP i INOE (Kampania w ramach wspólnej inicjatywy ESA w ramach działań POLIMOS i RAMOS, 2019), współpracą FUW, AGH i German Space Agency (DLR; lotnicza kampania pomiarowa CoMet na Śląsku, 2018).

Na chwilę obecną trwają prace badawczo-rozwojowe we współpracy ESA, Raymetrics S.A. i FUW nad zaprojektowaniem do lidara EMORAL kanału fluorescencyjnego, który bardzo istotnie rozszerzy zasięg mierzonych parametrów, w szczególności w kierunku poprawy detekcji aerozoli biogenicznych, m.in. tak ważnych jak alergenne pyłki roślin.

Warto podkreślić, że RS-Lab (FUW) bierze udział również w finansowanym przez ESA międzynarodowym projekcie badawczo-rozwojowym MULTIPLY, koordynowanym przez rumuńskiego partnera INOE, w ramach którego budowany jest unikatowy samolotowy lidar typu High Spectral Resolution (HSRL), o parametrach wykraczających daleko poza te oferowane przez istniejący HSRL w NASA. Lidar MULTIPLY wykorzystuje unikatową technikę wielokrotnego filtrowania sygnałów przy pomocy sekwencyjnych Interferometrów Fabry-Pérot (FPI) na 355 nm i 1064 nm oraz klasyczną detekcję na 532nm przy użyciu jodynowej komory absorpcyjnej, a ponadto mierzy polaryzację na tych trzech długościach fali. Jako lidar samolotowy MULTIPLY musi charakteryzować się bardzo wysoką stabilnością pracy oraz łatwością justowania i kalibracji, dlatego do budowy użyto metodologii tzw. plastra miodu, dzięki któremu zduplikowane są kilkukrotnie kluczowe elementy układu optycznego oraz wykorzystano nowoczesną technikę refrakcyjną w połączeniu ze światłowodami. Obecnie lidar MULTIPLY jest w fazie testów, a po ich zakończeniu zostanie docelowo zainstalowany na jednym z oprzyrządowanych samolotów badawczych National Institute of Aerospace Research “ELIE CARAFOLI” (INCAS, Bukareszt, Rumunia) oferowanym do prowadzenia międzynarodowych badań atmosferycznych w ramach europejskiej floty samolotów badawczych EUFAR (EUropean Facility for Airborne Research). Unikatowym układem Polski (FUW) w ten projekt jest opracowanie technologii jednoczesnego justowania czułej optyki dla kanałów na długości fal filtrowanych przez sekwencyjne FPI. Po wykonaniu testów naziemnych, przewiduje się testy operacyjne i pomiary badawcze na pokładzie samolotu nad Rumunia i Polską w strefach największego zanieczyszczenia powietrza pyłami antropogenicznymi i naturalnymi aerozolami atmosferycznymi. 

Z punktu widzenia badań przeprowadzonych do tej pory w ramach RS-Lab na FUW, tj. mając na uwadze szeroko pojęte zanieczyszczenia powietrza, nie ograniczone jedynie do zjawiska smogu zimą i latem, ważne jest zrozumienie dynamiki, zasięgu tego zjawiska w aspekcie pionowych ruchów mas powietrza i jego poziomych przemieszczeń. Oznacza to w praktyce wykorzystywanie dostępnych narzędzi modelowania trajektorii mas powietrza (np. HySPLIT rozwijany w NOAA, USA; FLEXPART rozwijany przez ZAMG oraz NILU), analiz synoptycznych (np. modele ECMWF i IMGW-PIB), oraz jakości powietrza (np. NAAPS Air Quality Model rozwijamy w NAVY, USA).

Ogromne znaczenie ma również skład aerozolu, w tym pyłów zanieczyszczeń antropogenicznych, rozumiany jako informacja o tym z jakiego rodzaju i typu cząstkami mamy do czynienia, jakie są ich własności, np. pył którego cząstki maja silne własności absorpcyjne (pochłaniają promieniowanie słoneczne) może powodować obniżenie warstwy granicznej i silniejszy efekt smogowy.

Rysunek 5, przedstawia kompozycję aerozoli obserwowanych w warstwie granicznej w okresie letnim w Warszawie w dwóch okresach. W skład aerozolu znajdującego się latem w warstwie granicznej warszawskiej atmosfery, szacowany na podstawie analiz dynamiki mas powietrza oraz własności optycznych cząstek aerozolu pozyskiwanych z pomiarów lidarowych w tym zakresie wysokości, pokazuje niewielką przewagę pyłów związanych z zanieczyszczeniami miejskimi nad innymi źródłami aerozolu (Wang et al. Atmospheric Chemistry and Physics 2019). W latach 2017-2020 w warstwie granicznej widać istotną zmianę składu w szczególności kosztem pojawiających się aerozoli klasyfikowanych jako pył mineralny (w klasyfikacji nie wprowadzono różnicy miedzy pyłem rolniczym, a piaskiem pustynnym). (Rysunek obok: Zdjęcia lidara EMORAL do dostarczania sla ESA pomiarów regularnych, kalibracyjno-walidacyjnych oraz dedykowanych podczas kampanii polowych.)

Na dokładkę do smogu …

Pyły zawieszone rejestrowane przez naziemny monitoring GIOŚ w Polsce, mogą pochodzić z innych krajów UE oraz spoza UE, i wcale nie jest to odosobniona sytuacja, co dokumentują publikacji popełnione w RS-Lab. Prace Stachlewska et al. Remote Sensing 2017 i 2018, dyskutują odpowiednio, napływy do warstwy granicznej atmosfery w Warszawie zanieczyszczeń antropogenicznych przyniesionych wraz z masami powietrza z terenów uprzemysłowionych w Niemczech oraz aerozoli pochodzących ze spalania biomasy podczas wypalania łąk, traw i torfowisk na Ukrainie. Wyniki udokumentowanych tamże badań pokazały, że wysokie stężenia pyłów zawieszonych monitorowanych przez GIOŚ na kilku punktowych stacjach in situ przy powierzchni ziemi, w warunkach atmosferycznych sprzyjających powstawaniu epizodów smogowych, są pozytywnie skorelowane z grubością optyczną aerozolu mierzoną zdalnie zarówno w warstwie granicznej mierzonej przy użyciu lidaru, jaki i w kolumnie atmosfery mierzonej przy użyciu fotometru słonecznego oraz w reprezentacji przestrzennej z pozyskanej danych satelitarnych SEVIRI dla terenu obejmującego obszar Warszawy. Pozytywna korelacja nie jest jednak widoczna w analizach statystycznych zależności stężenia pyłów zawieszonych i grubości optycznej, jeżeli nie stosuje się podziału na epizody zależne od specyfiki zjawisk pogodowych (Zawdzka et al. Atmospheric Environment 2013).

Wartością kluczową zastosowania synergii różnych rodzajów pomiaru jest pokazanie, że to rodzaj i własności optyczne i mikrofizyczne aerozolu/pyłu napływającego z masą powietrza oraz wprowadzonego do warstwy granicznej atmosfery mają bardzo istotne znaczenie, a nie tylko ich rozmiar. Przez implikację, ma to znaczenie również w ocenach szkodliwości i wpływu pyłu na zdrowie. Zatem ewidentnie skupienie się jedynie na rozmiarze cząstek – pomiary PM10, PM2.5, czy ostatnio coraz popularniejsze PM1, nie jest wystarczające.

W szczególności, szybki napływ pyłu mającego silne zdolności absorpcyjne promieniowania słonecznego (np. z zawartością sadzy) znad terenów Ukrainy, wtłoczony do warstwy granicznej atmosfery i skumulowany pod warstwą inwersji temperatury, może powodować obniżenie warstwy granicznej oraz dość intuicyjne silniejsze zanieczyszczenie atmosfery (Stachlewska et al. Atmospheric Research 2017; Stachlewska et al. Remote Sensing 2018).

Napływ zanieczyszczeń o znikomym współczynniku absorpcji znad Niemiec, spowodował wzrost warstwy granicznej, jednak pomimo spodziewanej mniejszej odczuwalności, tj. rozcieńczenia pyłów z rosnąca wysokością warstwy granicznej, był on powiązany ze wzrostem stężenia zanieczyszczeń i grubości optycznej aerozolu (Stachlewska et al. Remote Sensing et al. 2017).

Badania te jasno pokazują, że transgraniczny transport mas powietrza do Polski zawierający antropogeniczne i naturalne pyły aerozoli, może wpływać na stężenia pyłów zawieszonych nawet na obszarze centralnej Polski, a nie jedynie w strefach przygranicznych. Jest to ważny czynnik obok niezaprzeczalnego wpływu aerozoli transgranicznych na zwiększenie ilości cząstek w wysokiej troposferze czy kolumnie atmosfery, np. poprzez napływ cząstek pyłów i dymów z pożarów lasów w Ameryce Północnej, czy transporty drobin i pyłów mineralnych piasku znad Sahary (Janicka et al. Atmospheric Environment et al. 2017).

Pozostaje pytanie jak duże znaczenie ma efekt takiego wpływu aerozoli transgranicznych na monitorowane przez GIOŚ stężenia pyłów w skali kraju, w szczególności w dużych aglomeracjach miejskich i na terenach silnie zurbanizowanych i uprzemysłowionych, np. w Regionie Śląskim. Na chwilę obecną wyniki modelowania jakości powietrza sporadycznie pokazują ten efekt, gównie dlatego, że nie asymilują w trybie operacyjnym żadnych wyników pomiarów lidarowych. Problemowi temu wychodzi naprzeciw jedna z inicjatyw ECMWF programu Copernicus w ramach projektu ACTRIS aerosol profiles for CAMS (CAMS21b) w ramach której 9 stacji pilotażowych (w tym stacja FUW w Warszawie) dostarcza wysokiej jakości profile własności optycznych aerozoli atmosferycznych w czasie prawie rzeczywistym (z ang. Near real time; NRT) na potrzeby modelowania CAMS.

Co wisi nad Krakowem?

Jako przykład demonstrujący zagadnienie w sposób tak jasny, że może być on traktowany jako z pogranicza nauki i popularyzacji, może posłużyć studium przypadku intruzji cząstek aerozolu pochodzącego z odległych źródeł do warstwy granicznej atmosfery nad Krakowem. Pomiary zostały wykonane lidarem mobilnym EMORAL w ramach dziesięciodniowej kampanii polowej „Krakowski smog” zrealizowanej we współpracy FUW, AGH i UPP na terenie Kampusu Uniwersytetu Jagiellońskiego (UJ) w lutym 2019r., kiedy spodziewano się prowadzenia obserwacji ciągłych w warunkach smogowych. Rysunek 6, przedstawia pomiar lidarowy oraz trajektorie mas powietrza dla okresu 2 dni pomiarowych, dane z lidaru pokazują zmienność ilości aerozolu (góra) i jego zdolności polaryzujących (dół) z wysokością (oś X) w czasie (oś Y).

Początkowo warstwa graniczna i troposfera powyżej były wolne od aerozoli. Wyjątkowo niski poziom słabo polaryzującego aerozolu w najniższej atmosferze po części wynikał z napływu czystych mas powietrza sub-arktycznego znad Ameryki Północnej, zgodnie z symulacją pięciodniowych trajektorii wstecznych modelu HySPLIT (obszar zielony). Z czasem zaobserwowano intruzję znacznej masy aerozolu, który silnie polaryzował, co świadczy o niesferycznym kształcie drobin pyłu wchodzącego w jego skład (obszar żółty), a trajektorie pokazują napływ mas powietrza znad Afryki Północnej. Wyraźnie widać tendencję wznoszącą trajektorii, zatem jest prawdopodobne, że ta masa powietrza mogła zawierać pył mineralny znad Sahary, którego drobiny istotnie są niesferyczne. Następnie, widać kolejną zmianę przebiegu trajektorii, które wskazują na napływ mas powietrza znad Europy zachodniej, a pomiar lidarowy pokazuje, że masa aerozolu w warstwie granicznej jest znaczna, a ponieważ depolaryzuje, choć słabiej, domieszka pyłu mineralnego znad Sahary do głównie napływowych zanieczyszczeń musi być istotna (obszar fioletowy). Warto dodać, że dla analizowanego okresu pomiary naziemne pyłów zawieszonych odnotowały znaczny i stopniowy wzrost dopiero w drugiej połowie pomiaru (obszar fioletowy) i bez synergicznej informacji pozyskanej z lidaru i modelu wyjaśnienie obserwowanych wartości pomiarów naziemnych byłoby utrudnione, jeśli nie niepoprawne. Ciekawym problemem badawczym byłoby przeprowadzenie analiz w skali długoterminowej by sprawdzić jak przekroczenia progów stężeń maja się do ich kompleksowej interpretacji. Niewykluczone, że w przypadku sytuacji smogowych będzie to efekt zaniedbywalny lub niewielki, jednak na chwilę obecną, dopóki takie badania nie zostaną przeprowadzone, negowanie takiego efektu jest nieuprawnione.

Co możemy wspólnie zrobić?

Na zakończenie warto zwrócić uwagę raz jeszcze na potrzebę poprawy realnych powiazań między środowiskiem skupionym wokół monitoringu jakości powietrza w ramach GIOŚ i WIOŚ oraz środowiskiem naukowym zajmującym się prognozowaniem pogody oraz badaniami atmosfery w ramach Infrastruktur Badawczych domeny atmosferycznej. Współpraca taka powinna obejmować kwestie wspólnego modelowania i prognoz jakości powietrza z uwzględnieniem poprawy systemów ostrzegawczych dla ludności. Prace takie powinny być jednak realizowane w ścisłej współpracy z IMGW-PIB, z wykorzystaniem dostępu do danych pomiarowych ECMWF, tak aby istotnie polepszyć wyniki prognoz modelowania dostępnych np. na portalach GIOŚ.

Ponadto, koniecznym jest wzmocnienie wysiłków położonych na budowę od podstaw lub rozbudowę i doposażenie co najmniej jednej badawczej stacji miejskiej w Polsce w zestaw przyrządów pomiarowych, które będą wpisywały ją w program Komisji Europejskiej „Zielony Ład” (Green Deal), tak aby służyła ona za pierwowzór nowoczesnej stacji obserwacyjnej o odpowiednich parametrach do prowadzenia badań naukowych w ramach monitoringu jakości powietrza. Tym samym stacja taka zademonstruje potencjał godny strategicznego powielania na innych stacjach w newralgicznych obszarach w kraju. Naturalnym wyborem byłyby tu polskie stacje pan-europejskiej rozproszonej Infrastruktury Badawczej ACTRIS mające na celu prowadzenie skoordynowanych pomiarów aerozoli, chmur i gazów w atmosferze technikami zdalnymi i/lub in-situ.

Wykorzystanie tych pomiarów doskonale dopełnienia pomiary atmosferycznych satelitarnych misji obserwacji Ziemi. Kluczowe jest przy tym zacieśnienie współpracy naukowej z Polską Agencją Kosmiczną, w szczególności poprzez promowanie i skuteczne wykorzystanie sektora badań Ziemi (Earth Observations) w zakresie badań atmosferycznych (aerozole, chmury, gazy śladowe), obok obecnego wykorzystania danych w zakresie obserwacji twardej Ziemi oraz w ramach prężnie rozwijającego się sektora astronomicznego. (Rys. 5 obok: Pomiary lidarem EMORAL podczas Kampanii Pomiarowej „Krakowski smog” zrealizowanej przy współpracy FUW z AGH, UJ i UPP w ramach projektu POLIMOS finansowanego przez ESA.)

Autor: Iwona Stachlewska, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
Tytuł, śródtytuły i lead opracował zespół redakcyjny TOGETAIR