Pożary i zmiana klimatu - „to skomplikowane”

Pośród skutków zmiany klimatu wymienia się coraz częstsze występowanie pożarów lasów, stepów czy torfowisk. Z drugiej strony takie pożary przyczyniają się do nasilania ocieplenia: rośnie emisja dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych oraz pochłaniającej promieniowanie słoneczne sadzy, co przyczynia się do ogrzewania naszej planety.

Rysunek 1. Pożar roślinności. Zdjęcie: Safronov, Dreamstime.com.

Płonąca biomasa

„Spalanie biomasy” zachodzi nie tylko w elektrowniach, w których do węgla dorzuca się drewno, łupiny kokosa czy inne podobne produkty. Nazwą tą określamy również spalanie wszelkiej materii organicznej podczas pożarów lasów, sawann, stepów, łąk czy torfowisk – niezależnie od tego, czy ogień wzniecony został umyślnie lub przypadkowo przez człowieka, czy też, na przykład, w wyniku uderzenia pioruna.

Po co to mądre określenie? Aby odróżnić pożary ekosystemów, w wyniku których powstaje dym o określonym składzie (obejmujących przede wszystkim azotany, amoniak, siarkę, związki organiczne i czysty węgiel) od innych (np. płonących opon, paliw kopalnych, zabudowań przemysłowych z substancjami łatwopalnymi...). Ze spalania biomasy pochodzi około 40% światowych emisji tak zwanego „czarnego węgla” (głównego składnika sadzy), co jest porównywalne z emisjami tej substancji w wyniku spalania paliw kopalnych (Bond i in., 2004). „Produkty spalania biomasy” to także jeden ze standardowo wyróżnianych typów aerozolu atmosferycznego.

Jak łatwo się domyślić – skoro piszemy o tym w Nauce o klimacie – obecność dymu wpływa nie tylko na widzialność czy jakość powietrza, ale też na klimat. Najczęściej gdy mówimy o efekcie aerozolowym, koncentrujemy się na tym, że zawieszone w powietrzu drobiny rozpraszają promieniowanie słoneczne i ograniczają jego dostęp do powierzchni Ziemi. W przypadku produktów spalania biomasy mamy dodatkowo do czynienia z pochłanianiem tego promieniowania i ogrzewaniem atmosfery, a więc procesem wzmagającym (a nie ograniczającym) ocieplenie klimatu. Z tego powodu „aerozole absorbujące”, w szczególności pochodzące z pożarów, są obiektem zainteresowania wielu grup badawczych na świecie (na przykład specjalistów z Instytutu Geofizyki WF UW, o których badaniach przeczytasz w tekście To się nazywa lidar!).

Rysunek 2. Zdjęcie satelitarne z Madagaskaru, 11.11.2015. O tej porze roku popularne są w tym rejonie pożary związane z rolnictwem – np. wypalaniem sawanny i pojawiających się na niej krzaków niebędących paszą dla bydła. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory.

Oczywiście oprócz samego dymu, podczas pożarów uwalniane są do atmosfery gazy cieplarniane, których wpływ na klimat powinien być już dla naszych czytelników oczywisty (czytaj więcej: Globalne ocieplenie: wersja dla niewtajemniczonych, Mit: Nadmiar dwutlenku węgla nie powoduje ocieplania klimatu). Jak dowiadujemy się z pracy Randerson i in., 2012 w latach 2001-2010 pożary roślinności odpowiadały średnio rzecz biorąc za emisje ok. 9,2 mld ton CO2 rocznie. Z tej liczby ponad 1,5 mld ton CO2 rocznie pochodzi z wypalania lasów dla uzyskania ziem uprawnych (van der Werf i in., 2010) i taką mniej więcej emisję netto CO2 ze spalania biomasy możemy przyjąć (zakładając w pierwszym przybliżeniu, że naturalne procesy kompensują emisje CO2 z naturalnych pożarów poprzez odrastanie roślin). Na emisje z wylesiania zwracamy szczególną uwagę, bo w przeciwieństwie do pozostawianych samym sobie dzikich pogorzelisk, nie możemy tu liczyć na odbudowę ekosystemu i pełne przywrócenie jego funkcji jeśli chodzi o magazynowanie węgla (Rola lasów w pochłanianiu CO2).

Skład powstających w trakcie pożaru produktów spalania może być bardzo różny – zależy od rodzaju „paliwa” oraz jego wilgotności. Gdy płonie przesuszona sawanna czy step, dochodzi najczęściej do „spalania całkowitego” i dominującym produktem jest dwutlenek węgla. Podczas pożarów lasów czy torfowisk powstaje także dużo sadzy i tlenku węgla. Najwięcej zanieczyszczeń powstaje podczas pożarów tajgi (NASA, 2010).

Jak to się mierzy?

Jeśli interesuje nas po prostu, ile gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń zostało w sumie wprowadzonych do atmosfery w wyniku pożarów czy wypalania (np. w ciągu roku), możemy to ocenić na podstawie rozmiarów wypalonego obszaru. Pole strawionej ogniem powierzchni mnoży się przez odpowiednie dla konkretnego ekosystemu współczynniki (typową masę roślinności, jaki jej udział ulega spaleniu, wydajność spalania oraz wielkość towarzyszących pożarowi emisji). Takie podejście zostało zaproponowane na początku lat osiemdziesiątych (Seiler i Crutzen, 1980) i jest używane m.in. w oszacowaniach emisji związanych z wypalaniem sawann, lasów czy wysuszonych mokradeł, które wszystkie kraje mają obowiązek przekazywać Organizacji Narodów Zjednoczonych (IPCC, 2013). Jakość uzyskiwanych wyników zależy od tego, jak poważnie podejdziemy do zadania i jak dokładnie dobierzemy współczynniki opisujące wypalony ekosystem (np. czy użyjemy wartości typowych, czy wykorzystamy dane uzyskane w pomiarach w konkretnym rejonie). Oczywiście naukowcy pracują stale nad weryfikacją i udoskonalaniem tych metod. Ostatnio na przykład Surawski i koledzy (2016) zaproponowali, że podobne oszacowania powinny uwzględniać nie tylko ilość spalanej biomasy, ale też zmiany w zawartości węgla w glebie przed i po pożarze – część tego pierwiastka pozostaje bowiem na powierzchni Ziemi. Bez tej poprawki – twierdzą – roczne emisje węgla z pożarów są zawyżane nawet o 4%.

Rysunek 3. Strona internetowa Global Forest Watch Fires.

Ważnym źródłem informacji przy ocenie emisji związanych ze spalaniem biomasy są pomiary satelitarne. Zdjęcia satelitarne wykonywane z użyciem nie tylko światła widzialnego, ale też ultrafioletu i podczerwieni pozwalają zidentyfikować rodzaj i stan roślinności pokrywającej wybrany teren oraz zidentyfikować obszary przesuszone i podatne na pożary.

Rejony, w których trwają pożary, wyróżniają się temperaturami dużo wyższymi niż w otoczeniu, dzięki czemu łatwo wychwycić je za pomocą zdjęć w podczerwieni. Mapy z zaznaczonymi aktualnie występującymi pożarami znajdziecie np. na stronie Global Forest Watch Fires albo NASA Worldview (tu trzeba wyświetlić sobie warstwę Fires and Thermal Anomalies).

Satelity łatwo identyfikują również obszary wypalonej roślinności (ang. burn scars – blizny po pożarach). Przykładowo, w przypadku instrumentu MODIS, wykorzystuje się w tym celu obrazowanie wykonane w trzech długościach fali: 2155nm (podczerwień, kanał 7), 876nm (bliska podczerwień, kanał 2) i 670nm (czerwień, kanał 1). Nakładamy je na siebie w ten sposób, że czerwone piksele naszego ekranu będą wyświetlać dane z kanału 7, zielone z 2 a niebieskie z 1. Otrzymujemy w ten sposób obraz, na którym roślinność (która dobrze absorbuje podczerwień i czerwień a odbija bliską podczerwień) przybiera jaskrawo zielony kolor, a goła gleba (np. na pustyni), dobrze odbijająca fale wszystkich długości – jasny różowawy. „Blizny po pożarach” stają się natomiast czerwono-brązowe, bo w porównaniu z roślinnością dobrze odbijają promieniowanie zarówno w bliższej jak i dalszej podczerwieni.

Rysunek 4. Złożenie zdjęć satelitarnych wykonanych za pomocą kanałów 7-2-1 instrumentu MODIS. 13 maja 2015, Syberia. Czerwone kropki oznaczają miejsca aktywnych pożarów. Brązowe plamy to obszary strawione przez ogień. Kolor niebieski mają chmury. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.

Satelity pomagają także w badaniu składu i transportu (czyli przemieszczania się) dymu. Do tego celu wykorzystuje się zarówno zdjęcia w różnych kanałach jak i wyniki skanowania atmosfery z wykorzystaniem satelitarnego lidaru (urządzenia wysyłającego w głąb atmosfery impulsy promieniowania laserowego i rejestrującego sygnały rozproszone przez zawieszone w powietrzu cząstki – np. dymu).

Rysunek 5. Zestawienie „płaskiego” zdjęcia satelitarnego z pożaru w Wallow w Arizonie, 3 czerwca 2011, wykonanego przez instrument MODIS na pokładzie satelity Terra z danymi zebranymi przez satelitarny lidar CALIPSO, skanujący atmosferę w głąb, wzdłuż trasy swojego lotu (9 godzin wcześniej). Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA. Na zdjęciu oznaczono strzałkami miejsce pożaru (Wallow Fire) oraz obłok dymu zaobserwowany na wysokości ok. 5km (Smoke Plume).

Mimo wielu zalet, pomiary satelitarne wymagają uzupełnienia przez pomiary naziemne. Przykładem badań tego typu jest kampania pomiarowa ABoVE (Arctic Boreal Vulnerability Experiment), w ramach której naukowcy chcą m.in. sprawdzić, ile dwutlenku węgla jest emitowane podczas pożarów tajgi (obecnie coraz bardziej podatnej na zagrożenie ogniem). Okazuje się, że głównym źródłem emisji są nie tyle same drzewa i ich liście/igły, co warstwy igliwia i innych szczątków odkładające się w ciągu wielu lat na powierzchni ziemi. Naukowcy pobierają więc próbki gleby w miejscach zniszczonych ogniem i sprawdzają, jak głęboko sięgał pożar. Więcej na ten temat dowiesz się z bloga kampanii na stronie NASA.

Rysunek 6. Obserwacje w spalonym lesie w ramach kampanii ABOVE. Więcej informacji: NASA’s Earth Observatory

 Z powierzchni Ziemi obserwuje się też rozprzestrzenianie się dymów z pożarów i to, jak zmieniają się ich właściwości w miarę oddalania się od źródła i mieszania z powietrzem z otoczenia. Do badań dymu wykorzystuje się także naziemne lidary, takie jak opisany w tekście To się nazywa lidar! PollyNeXT. Te urządzenia pozwalają na zbadanie zarówno fizycznych własności zanieczyszczeń jak i ich rozmieszczenia na różnych wysokościach w atmosferze.

Pożary i zmiana klimatu – co jest skutkiem, co przyczyną?

Jak zaznaczyliśmy już w tytule artykułu – to skomplikowane. Pożary lasów, sawann czy buszu zdarzały się zawsze. Istnieją rośliny i całe ekosystemy, które są do nich przystosowane, a nawet – są od nich uzależnione. Przykładowo, torebki nasienne australijskich krzewów Banksia media otwierają się dopiero w temperaturach występujących podczas pożarów, ogień jest więc niezbędny do powstania nowego pokolenia. Podczas pożaru ekosystemu do atmosfery trafia uwięziony w spalonych roślinach i glebie węgiel. W naturalnych warunkach spodziewalibyśmy się jednak, że w ciągu kilku lat zostałby ponownie pochłonięty przez rośliny. Obecnie jednak wiele pożarów jest bezpośrednio (przez celowe lub przypadkowe podpalenia, także przy okazji praktyk rolniczych) lub pośrednio (np. przez zabiegi melioracyjne i wysuszanie lasów czy mokradeł) powodowanych przez człowieka. Specjaliści badający sytuację w poszczególnych rejonach świata zgadzają się, że ludzie zapoczątkowują nawet 90% pożarów (FAO Global Forest Fire Assessment 1990-2000).

Specyficznym sposobem, w jaki człowiek pośrednio przyczynia się do wzrostu częstotliwości występowania pożarów jest... sama zmiana klimatu, która łączy się ze zwiększonym prawdopodobieństwem występowania susz i wysokich temperatur.

Nie zawsze można jednoznacznie wskazać, które zdarzenia nie zaszłyby bez ludzkiej ingerencji (np. zamiast podpalenia pożar mógłby zostać zapoczątkowany przez piorun). Podobnie jak w przypadku zjawisk meteorologicznych możemy jednak wysnuć pewne wnioski na podstawie statystyk. Takie podejście zastosowali w swojej pracy z roku 2010 Pechony i Shindell. Porównali oni intensywność pożarów odtworzoną na podstawie danych pośrednich (np. składu powietrza w rdzeniach lodowych) z numerycznymi symulacjami dla ostatniego tysiąca lat. Obliczenia przeprowadzili w dwóch wersjach: z uwzględnieniem zjawisk powodowanych przez człowieka (czerwona linia na wykresie 7) oraz z ich pominięciem (linia szara).

Rysunek 7. Globalna intensywność pożarów odtworzona na podstawie badań węgla drzewnego (linia niebieska, linia niebieska przerywana wskazuje większą niepewność dla danych z końca XX wieku, szare cieniowanie wskazuje zakres niepewności, Marlon i in., 2008) i zawartości metanu w rdzeniach lodowych (linia zielona, Feretti i in., 2005) oraz wyniki symulacji tej wielkości z uwzględnieniem niepewności (linia czerwona, czerwone cieniowanie wskazuje zakres niepewności). Źródło Pechony i Shindell, 2010.

Jak widać, do późnego wieku XVIII wyniki obu grup symulacji dobrze zgadzają się z rekonstrukcjami opartymi na osadach węgla. Sugeruje to, że aktywność pożarowa zależała w tym czasie głównie od naturalnych czynników klimatycznych (przede wszystkim opadów). Po rewolucji przemysłowej (przełom XVIII i XIX wieku) intensywność pożarów zaczęła rosnąć. Naukowcy wiążą to przede wszystkim ze wzrostem populacji i naszymi działaniami takimi jak wypalanie roślinności na potrzeby pól i pastwisk (bez uwzględnienia tych działań zmiany intensywności pożarów nie da się odtworzyć w symulacji). Ślady metanu w rdzeniach lodowych sugerują, że wzrost intensywności pożarów zaczął się później, jednak naukowcy są ostrożni co do trafności tego wskaźnika. W wieku XX zarówno wyniki symulacji jak rekonstrukcji wskazują na pojawienie się istotnego trendu spadkowego, który Pechony i Schindell wiążą z rozwojem służb pożarniczych oraz… zmniejszeniem ilości „paliwa” (przerzedzeniem roślinności).

Jak zasygnalizowano na wykresie powyżej, wprowadzając linię przerywaną zamiast ciągłej, w przypadku ostatnich lat rezultaty rekonstrukcji są obciążone dużą niepewnością i możliwe jest, że intensywność pożarów jest dla tego okresu niedoszacowana. Z pracy W. Matta Jolly’ego i in. opublikowanej w roku 2015 w Nature Communications dowiadujemy się, że w latach 1979-2013 średnia długość sezonu pożarowego na świecie wydłużyła się o blisko 20%, a powierzchnia obszarów pustoszonych przez pożary wzrosła dwukrotnie.

 

Rysunek 8. Jesienią 2015 pożary na Borneo i Sumatrze zasnuły cały rejon gęstym dymem. Zdjęcie przygotował Jeff Schmaltz, LANCE/EOSDIS Rapid Response, zamieszczamy je dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory.

Badacze spodziewają się, że do połowy XXI wieku trend zmian znowu się odwróci: wzrost temperatur oraz częstości występowania fal upałów i susz spowodują ponowny wzrost intensywności pożarów, nawet mimo coraz nowocześniejszych technik ich zwalczania (Pechony i Shindell, 2010). Do szczególnie narażonych ekosystemów należą lasy podzwrotnikowe i szerokości umiarkowanych, zwłaszcza zajmująca olbrzymie obszary Syberii i Kanady tajga (czytaj więcej Tajga płonie. Coraz częściej.). Tu już dziś obserwuje się zwiększone prawdopodobieństwo sprzyjających pożarom letnich susz. Lasy tropikalne wciąż jeszcze są bardzo wilgotne, ale w przypadku wydłużania się pory suchej (patrz artykuł Coraz dłuższa pora sucha w Amazonii) również one będą coraz częściej padać ofiarą ognia. Badania wskazują, że proces ten już się rozpoczął (Pausas i Ribeiro, 2013).

Spektakularnym przykładem tego, co oznacza pożar w rejonie równikowym są wydarzenia z roku 2015, w którym ogień objął rozległe obszary południowo-wschodniej Azji, powodując emisje CO2 porównywalne z przemysłem Japonii lub Indii (Field i in., 2016). Stanowią one też dobrą ilustrację skomplikowania i powiązań problemu pożarów: ogień wzniecali często farmerzy, oczyszczający teren pod uprawy, jego niekontrolowanemu rozprzestrzenianiu się sprzyjała susza, którą przyniosło zjawisko El Niño, a którego wyjątkową intensywność powiązać można z wysoką temperaturą wód oceanu, wynikającą z nasilenia efektu cieplarnianego (Silne El Niño dwa razy częstsze?)...

Jak pokazuje nasz artykuł, złożoność problemu pożarów nie powstrzymuje naukowców od ich badania i systematyzacji zdobywanej wiedzy. Zwłaszcza że ogień wpływa na liczne elementy systemu klimatycznego Ziemi – m.in. zdolność ekosystemów do magazynowania węgla, stan gleb, możliwość przetrwania wielu gatunków roślin i zwierząt oraz efekt cieplarniany i aerozolowy.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

Opublikowano: 2016-12-28 16:16
Tagi

zjawiska ekstremalne biosfera

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.