Słuchając medialnych raportów o pogodzie (zwłaszcza zimą) na pewno wielokrotnie słyszeliście o pomiarach prowadzonych na Kasprowym Wierchu. Ale czy wiecie, że oprócz pokrywy śnieżnej czy temperatury, mierzy się tam także stężenia gazów cieplarnianych? Specjalnie dla czytelników Nauki o klimacie, specjaliści z Wysokogórskiego Obserwatorium Meteorologicznego piszą o swojej pracy i o tym, czy w naszych górach widać już zmianę klimatu. 

Zdjęcie: Gmach Wysokogórskiego Obserwatorium Meteorologicznego na Kasprowym Wierchu IMGW-PIB, szary budynek widziany od dołu, na tle nieba.
Ilustracja 1: Gmach Wysokogórskiego Obserwatorium Meteorologicznego na Kasprowym Wierchu IMGW-PIB. Zdjęcie z archiwum autorów.

Kasprowy Wierch, gdzie to jest?

Kasprowy Wierch to, patrząc od polskiej strony (północnej), drugi szczyt w grani głównej Tatr Zachodnich, o wysokości 1987 m n.p.m. To także miejsce, najwyżej posadowionego budynku w Polsce – Wysokogórskiego Obserwatorium Meteorologicznego na Kasprowym Wierchu, będącego własnością Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Państwowego Instytutu Badawczego. Drugie obserwatorium tego typu w Polsce, to Wysokogórskie Obserwatorium Meteorologiczne na Śnieżce w Karkonoszach.  

Obserwatorium na Kasprowym Wierchu, przez swoją lokalizację w niezaburzonym, górskim środowisku, świetnie wpisuje się w System Wysokogórskich Obserwatoriów Europy obok takich miejsc jak np. Pic du Midi we Francji (2860 m n.p.m.), Santis w Szwajcarii (20504 m n.p.m.), Ben Nevis w Szkocji (1434 m n.p.m.), Sonnblick w Austrii (3106 m n.p.m.), czy Zugspitze w Niemczech (2964 m n.p.m.). Oczywiście wchodzi również w skład międzynarodowej sieci synoptycznej działającej w ramach światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO). A przez wzgląd na swoje położenie w miejscu o niskiej antropopresji (czyli w małym stopniu podlegającym wpływowi człowieka), Kasprowy Wierch może być uznany za klasyczną stację reperową (Reference Climatological Station),  czyli taką, która jest odpowiednia do badań naturalnej zmienności klimatu. Kasprowy bardzo dobrze reprezentuje szczytowe partie Tatr położone w obrębie umiarkowanego zimnego piętra klimatycznego, odznaczającego się ujemną średnią roczną temperaturą powietrza.

Zdjęcie: Kasprowy Wierch i Giewont. Górski krajobraz z dwoma szczytami, pora letnia, niskie chmury.
Ilustracja 2: Kasprowy Wierch (szczyt z budynkami, po lewej) i Giewont (po prawej) w Tatrach. Zdjęcie: Dzed (licencja Pixabay).

Pierwsze pomiary meteorologiczne w rejonie kopuły szczytowej Kasprowego Wierchu wykonano już w 1935 roku. Jednak regularne obserwacje synoptyczne i klimatologiczne rozpoczęto 1 stycznia 1938 roku po oddaniu przez ówczesne władze budynku obserwatorium do użytku publicznego. Od początku swej działalności obserwatorium na Kasprowym Wierchu należało do sieci stacji synoptycznych. Okres II Wojny Światowej i pierwszych lat po jej zakończeniu był okresem trudnym w historii obserwatorium. Budynek został częściowo zniszczony, brakowało sprzętu pomiarowego oraz personelu. Dlatego do analizy zmienności klimatu Tatr na podstawie pomiarów prowadzonych na Kasprowym Wierchu wykorzystuje się jednorodną serię pomiarową od 1 stycznia 1951 roku. I taka zostanie przedstawiona w tym tekście. Natomiast bieżącą sytuację meteorologiczną, jak również prognozy pogody dla Tatr i nie tylko można znaleźć na stronie https://imgw.pl/

Czy na Kasprowym też widać zmiany klimatyczne?

Oczywiście. Pierwszym parametrem, na który zazwyczaj zwracamy uwagę mówiąc o zmianie klimatu jest wzrost temperatury. Zmiany średniej rocznej temperatury powietrza mierzonej na Kasprowym Wierchu, jak również maksymalnej i minimalnej temperatury w danym roku przedstawiliśmy na  ilustracji 3. Ze środkowego wykresu widać, iż atmosfera na Kasprowym ociepla się w tempie  0,24 ± 0,08oC na dekadę. Czyli od 1951 roku wzrost ten wyniósł dokładnie 1,68oC! Jest to znacząco więcej niż wzrost średniej temperatury globalnej od początku ery przemysłowej, jaki wskazano w Szóstym raporcie IPCC (1.09oC od 1850 roku). Wartości wzrostu temperatur minimalnych i maksymalnych są bardzo podobne, jednak tylko w przypadku temperatur maksymalnych możemy mówić, że wzrost ów jest istotny statystycznie (w przypadku temperatury minimalnej wartość niepewności wyznaczenia trendu prostej przekracza wartość samego trendu).

Wykresy: średnie, minimalne i maksymalne temperatury na Kasprowym Wierchu. Na wszystkich widać trend wzrostowy.
Ilustracja 3: Wartości średniej rocznej oraz maksymalnej i minimalnej temperatury w danym roku zanotowane na stacji Kasprowy Wierch w latach 1951-2020. Do każdej serii danych dodano liniowy trend wzrostu wraz ze współczynnikiem tego wzrostu oraz jego niepewnością (rozumianą jako niepewność rozszerzona pomiaru dla poziomu ufności 95%).

W klimatologii, mówiąc o zmianach jakiegoś parametru, często odnosimy się do okresu referencyjnego, co było już opisywane na portalu Nauka o Klimacie (patrz: Co to właściwie jest anomalia?). Mimo, iż w tej kwestii nie ma jednego ustalonego standardu, zazwyczaj przyjmuje się, że minimalnym okresem referencyjnym jest ostatnie pełne 30 lat pomiarów. Takie podejście stosuje na przykład IMGW-PIB, tworząc Biuletyny Monitoringu Klimatu Polski

Ciekawe i zarazem niepokojące wnioski można wysnuć, gdy wykres średniej rocznej temperatury na Kasprowym Wierchu (środkowy panel z ilustracji 3.) podzielimy właśnie na takie trzydziestoletnie okresy (1951-1980, 1961-1990… itd.) i do każdego z nich dopasujemy prostą obrazującą długoterminowy trend zmian temperatury (metodą regresji liniowej). Takie podejście pokazaliśmy na ilustracji 4. Z wykresu tego dowiadujemy się, że tempo wzrostu temperatury na Kasprowym Wierchu przyspiesza i nie możemy mieć co do tego żadnych wątpliwości. W latach 1951-1980 średnie roczna temperatura pozostawała na stałym poziomie. Trend wynosił -0,14oC na dekadę z niepewnością 0,28oC na dekadę. Czyli, kolokwialnie mówiąc, temperatura kręciła się wokół tych samych wartości. Raz była niższa, raz wyższa, ale w dłuższej perspektywie czasowej nic się nie zmieniało.

Ten stan rzeczy zaczął się zmieniać pod koniec XX wieku, a potem zmiana ta zaczęła przyspieszać. Ostatnie pełne 30 lat wskazuje, że w Tatrach robi się cieplej o 0,55oC na każde 10 lat.  I nie możemy tu twierdzić, że wzrost ten nie jest pewny. Niepewność oszacowania wartości współczynnika prostej nachylenia jest równa zaledwie 0,23oC na dekadę co oznacza, że punkty pomiarowe są dobrze skupione wokół wyznaczonej prostej. Jeśli ten trend się utrzyma będzie to oznaczało, że za 100 lat na Kasprowym będziemy notować temperatury średnio wyższe aż o 5,5oC.

Wykres: średnie temperatury na Kasprowym Wierchu z dopasowanymi liniami trendu dla kolejnych trzydziestoleci. Widać coraz silniejsze trendy wzrostowe.
Ilustracja 4: Wartości średnich rocznych temperatur powietrza na Kasprowym Wierchu w latach 1951-2020. Cała seria pomiarowa została podzielona na okresy trzydziestoletnie (1951-1980, 1961-1990… itd.), a następnie w tych okresach wyznaczono proste trendu wieloletniego wraz ze współczynnikiem nachylenia prostej i jego niepewnością rozszerzoną (na poziomie ufności 95%).

Co ciekawe wszystko wskazuje na to, że za obserwowane w Tatrach zmiany średniej rocznej temperatury powietrza bardziej odpowiedzialne są miesiące letnie (od czerwca do sierpnia) niż pozostała część roku, co obrazuje ilustracja 5. To właśnie czerwiec, lipiec i sierpień charakteryzują się stałym wzrostem średniej temperatury w granicach od 0,3 do 0,4oC na dekadę w okresie od 1951 do 2020 roku. I tych zmian jesteśmy najbardziej pewni, gdyż oszacowana niepewność wyznaczenia trendu waha się w granicach 0,16 – 0,18oC na dekadę. Wakacje w Tatrach będą coraz cieplejsze i wcale nie jest to dobra wiadomość.

Wykresy średnich temperatur miesięcznych na Kasprowym Wierchu, dla każdego miesiąca osobny wykres. Na wszystkich widać silniejsze lub słabsze trendy wzrostowe.
Ilustracja 5: Średnie miesięczne temperatury notowane na Kasprowym Wierchu w latach 1951-2020. Począwszy od górnego rzędu obrazują one zimę, wiosnę, lato i jesień. Na każdym z wykresów zamieszczona prostą odzwierciedlającą trend wieloletni wraz ze współczynnikiem nachylenia tej prostej i niepewnością oszacowania tego współczynnika.

Jak długo badamy gazy cieplarniane?

Gdy w roku 1896 Svante Arrhenius opublikował koncepcje związku pomiędzy temperaturą planety a zawartością „kwasu węglowego”, jak nazywano od czasu Lavoisier’a dwutlenek węgla, nie dysponował jeszcze żadnymi spójnymi danymi pomiarowymi zawartości tego gazu w atmosferze Ziemi. W tamtych czasach gwałtowny rozwój technik badań pochłaniania i emisji światła (zarówno widzialnego jak i w zakresie podczerwieni) upowszechnił wiedzę umożliwiającą konstrukcję pierwszych bilansów radiacyjnych, jednakże zawartość poszczególnych gazów śladowych w atmosferze nie była jeszcze monitorowana. Zwykle przyjmowano, iż stężenie to jest stałe w czasie i przestrzeni, a mało precyzyjne pojedyncze pomiary laboratoryjne nie były ukierunkowane na podważenie tego twierdzenia.  Pomimo, iż badania spektroskopowe (pomiary widma światła) były już powszechne, określanie zawartości gazów w próbkach opierało się o pomiar ich ciśnienia (techniki manometryczne). Wykonanie powtarzalnych pomiarów zawartości dwutlenku węgla w powietrzu było pracochłonne i mało interesujące z punktu widzenia ówczesnej nauki. 

Początki monitoringu atmosferycznego stężenia tego gazu sięgają lat pięćdziesiątych dwudziestego wieku, kiedy profesor Harrison Brown zlecił Charlesowi Keelingowi pierwsze badania związku pomiędzy zawartością węglanów w wodach powierzchniowych a atmosferycznym stężeniem CO2. Używając ekstrakcji i technik manometrycznych Keeling dostrzegł zamiany zawartości dwutlenku węgla w powietrzu miasta Pasadena (USA), niedługo później zabrał swoja aparaturę do Big Sur (Kalifornia, USA) gdzie wykonał pierwsze analizy zmienności dobowej stężenia CO2. Następnie dokonał pomiarów w na półwyspie Olympic (niedaleko Seattle, USA) i w górach Arizony ustalając pierwszy ilościowy poziom zawartości dwutlenku węgla w powietrzu: 310ppm (ppm – jedna cząsteczka CO2 na milion cząsteczek powietrza). 

Zdjęcie: obserwatorium Mauna Loa, widoczne niskie, prostopadłościenne budynki i półsferyczne kopułki na tle góry, na pierwszym planie kamieniste zbocze.
Ilustracja 6: Obserwatorium Mauna Loa na Hawajach może poszczycić się najdłuższą serią pomiarów koncentracji CO2 w atmosferze. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO, licencja CC BY-NC-ND 2.0)

Pierwsze szeroko zakrojone badania zostały rozpoczęte w roku 1957 dzięki inicjatywie Rogera Revelle z Scripps Institute of Oceanography). Prowadzone przez Keelinga badania, fundowane w ramach międzynarodowego roku geofizyki, miały wykorzystywać analizatory absorpcji podczerwieni kalibrowane względem aparatury manometrycznej Keelinga. Takie rozwiązanie znacznie upraszczało analizy, bowiem mogły być prowadzone prawie „bezobsługowo”. Jeden z czterech dostarczonych przez firmę Applied Physics Corporation analizatorów został umieszczony w obserwatorium niedaleko wierzchołka wulkanu Mauna Loa na Hawajach i dane z tego instrumentu do dnia dzisiejszego znane są pod nazwą „krzywa Keelinga”. Są one dowodem na wzrost stężenia tego gazu w atmosferze naszej planety. Od lat 50-tych XX wieku dysponujemy stale rosnącą liczbą stacji pomiarowych zawartości gazów śladowych w atmosferze. 

Pomiary stężenia dwutlenku węgla w Polsce

W Polsce pierwszym miejscem gdzie takie pomiary zostały zainicjowane jest obserwatorium IMGW-PIB na Kasprowym Wierchu. Ciągły monitoring stanu atmosfery pod kątem stężenia głównych gazów szklarniowych rozpoczął się na początku lat 90-tych XX wieku.

Charakterystyczne położenie obserwatorium na Kasprowym Wierchu, z jednej strony jego oddalenie od lokalnych źródeł głównych gazów szklarniowych oraz biosferycznych obszarów ich pochłaniania (lasów, zarośli…), z drugiej zaś stosunkowo łatwy dostęp do budynku dzięki istniejącej kolejce linowej PKL na Kasprowy Wierch, stanęło u podstawy współpracy, jaka w 1994 roku zawiązała się pomiędzy IMGW-PIB, Wydziałem Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Instytutem Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie oraz Instytutem Fizyki Atmosfery Uniwersytetu w Heidelbergu. Wynikiem tej współpracy było założenie Laboratorium Pomiaru Gazów Cieplarnianych KASLAB na Kasprowym Wierchu. Aktualnie jest to najdalej na wschód wysunięta stacja wysokogórska w Europie, która w sposób nieprzerwany i spójny monitoruje regionalne stężenia gazów szklarniowych w atmosferze.

Zdjęcie: Kasprowy Wierzch od strony Doliny Gąsienicowej, widać skały pokryte suchą trawą, połacie kosodrzewiny, nad nimi skały i budynek Obserwatorium.
Ilustracja 7: Kasprowy Wierch od strony Doliny Gąsienicowej. Jak widać, Obserwatorium jest położone powyżej pięter lasów (regli) i kosodrzewiny, z dala od roślinności. Zdjęcie: Krzysztof Dudzik (licencja CC BY-SA 4.0)

W okresie działania laboratorium KASLAB kilkukrotnie zmieniała się metoda pomiaru gazów cieplarnianych, podążając za światowym rozwojem technologii w tym zakresie. Początkowo (do roku 1996) mierzone powietrze było w cyklach dwutygodniowych pompowane w jednorodnym tempie do polietylenowych worków, a następnie powietrzem tym przepłukiwano szklane kuwety pomiarowe. Dalej były one wysyłane na uniwersytet w Heidelbergu, gdzie dokonywano odpowiednich pomiarów metodą chromatografii gazowej. Dzięki temu dysponowaliśmy średnim dwutygodniowy stężeniem interesujących nas gazów (CO2 i CH4). 

Chromatografia gazowa

W 1996 do laboratorium został zakupiony dedykowany chromatograf, dzięki czemu rozdzielczość czasowa pomiarów wzrosła z jednego pomiaru na dwa tygodnie do czterech analiz na godzinę. W tamtym czasie podstawową techniką wykorzystywaną do pomiaru zawartości CO2 była wciąż spektroskopia podczerwieni (polegająca na sprawdzaniu, jak silnie próbka powietrza pochłania światło podczerwone o określonych długościach), jednakże o wiele bardziej uniwersalną techniką była chromatografia gazowa. Pozwalała ona na jednoczesne określenie ilości dwutlenku węgla, metanu, podtlenku azotu i sześciofluorku siarki w próbkach powietrza. Ta technika była już w latach 90-tych XX wieku bardzo dobrze rozwinięta i powszechnie stosowana także w obserwatoriach. System pomiarowy został zaprojektowany przez Douglasa Worthy’ego (Environment Canada) na wzór ówczesnego wyposażenia stacji Alert na dalekiej północy Kanady (82°29’55.7″N 62°20’48.9″W). Z biegiem czasu wprowadzono dużo zmian w układzie pomiarowym na Kasprowym Wierchu i przyspieszono analizy tak aby wykonywać je co 10 minut.

Chromatografia gazowa polega na rozdziale mieszaniny gazów na składowe i następnie oznaczanie ilości wybranych składników za pomocą detektorów. Rozdział przeprowadza się na tzw. kolumnach chromatograficznych – są to rurki wypełnione adsorbentem, czyli materiałem, do którego cząsteczki mogą się „przyczepiać” (np. węglem aktywnym, jaki znamy z zastosowań medycznych). Gazy są wstrzykiwane na jeden koniec rurki i zmuszane do przechodzenia przez adsorbent. Czas po którym  wychodzą z rurki zależy między innymi od budowy ich cząsteczek. W naszym przypadku SF6 wychodził jako pierwszy, potem metan, następnie N2O i na końcu dwutlenek węgla.  Stężenie metanu i dwutlenku węgla wyznaczało się przy użyciu detektora płomieniowo-jonizacyjnego (rodzaj palnika wodorowego wstawionego pomiędzy okładki kondensatora), natomiast do wykrywania podtlenku azotu (N2O) i szesciofluorku siarki (SF6) należało wykorzystać detektor wychwytu elektronów (to z kolei rodzaj kondensatora ze źródłem promieniotwórczym wewnątrz). 

Spektrometria laserowa

W roku 2015 ponownie zmieniono sposób prowadzonych pomiarów: wysłużoną i powoli odchodzącą do lamusa metodę chromatografii gazowej w pomiarach głównych gazów cieplarnianych zastąpiono metodą spektrometrii laserowej. Zainstalowany w laboratorium spektrometr laserowy zwiększył rozdzielczość czasową prowadzonych pomiarów do 1 pomiaru na sekundę, a także poprawił ich precyzję. Aktualnie wynosi ona dla CO2 0.01 ppm (1 cząsteczka dwutlenku węgla na sto milionów cząsteczek powietrza), a dla CH4 0.1 ppb (1 cząsteczka metanu na dziesięć miliardów cząsteczek powietrza).

Laserowa spektroskopia strat we wnęce optycznej (ang. cavity ring down spectroscopy CRDS) jest obecnie jedną z wielu technik precyzyjnego oznaczania zawartości dwutlenku węgla, metanu czy innych gazów opracowanych przez firmę Picarro, USA w roku 2012. Opiera się na o osłabianie wiązki światła podczerwonego przy przejściu przez próbkę zawierającą gazy cieplarniane.
Do pomiaru potrzebny jest półprzewodnikowy laser o niewielkiej mocy (mają tu zastosowania lasery telekomunikacyjne), emitujący bardzo skupiony promień światła podczerwonego przez bardzo krótki okres (kilka milionowych części sekundy). Długość fali wiązki laserowej może być sterowana przez zmiany temperatury lasera. Dzięki temu laser może świecić światłem, które jest pochłanianie przez dany gaz.  Po jednej tysięcznej części sekundy zużywanej na ogrzanie lasera wiązka światła zmienia długość na taką, która przechodzi przez gaz bez strat. Po zaprzestaniu świecenia, promień lasera jest wielokrotnie odbijany pomiędzy zwierciadłami wewnątrz wnęki optycznej. Za każdym odbiciem mała część promienia jest przepuszczana przez zwierciadło do detektora, który monitoruje natężenie przepuszczanego światła i czas potrzebny na jego dwukrotne osłabienie. Jeżeli długość fali światła odpowiada zakresowi pochłaniania przez cząsteczkę gazu (np. CO2) to natężenie będzie spadało szybciej niż w przypadku wiązki nie pochłanianej. W ten sposób, porównując jedynie czasy zaniku wiązki we wnęce możemy określić zawartość gazu w przestrzeni wnęki.

Ilustracja 8: Wnętrze laboratorium na Kasprowym Wierchu, aparatura do spektrometrii laserowej. Zdjęcie z archiwum autorów. 

Pomiary stężenia gazów muszą być spójne!

Jednym z najważniejszych pojęć w dziedzinie monitoringu gazów cieplarnianych jest spójność pomiarów. Nie można dopuścić do tego, aby to samo powietrze analizowane przez dwa różne laboratoria posiadało różne oznaczenia stężeń gazów. 

Spójność prowadzonych pomiarów, bez względu na zmieniające się z czasem metody pomiarowe, gwarantuje odniesienie otrzymywanych wyników do obowiązującej, międzynarodowej skali WMO-NOAA. Laboratorium KASLAB, podobnie jak inne laboratoria pomiaru gazów cieplarnianych na całym świecie, odnosi zmierzone wyniki do tzw. wzorców, czyli mieszanin standardowych. To nic innego jak po prostu skompresowane w butli powietrze o bardzo precyzyjnie określonym stężeniu mierzonych związków. Standardy używane na stacjach pomiarowych kalibrowane są okresowo względem standardów podstawowych, dystrybuowanych przez dedykowane temu centra naukowe na świecie.

W praktyce określone w zapisach WMO (Światowa Organizacja Meteorologiczna, która czuwa także nad badaniami składu powietrza) maksymalne dopuszczalne różnice pomiędzy stacjami to w przypadku CO2: 0.1 ppm. W ostatnich latach jednostki badawcze wchodzące w skład sieci pomiarowej ICOS (ang. Integrated Carbon Observation System) zmniejszyły dopuszczalną różnicę od 0.05 ppm dla stacji na południowej półkuli gdzie jest mniej źródeł CO2 i wahania jego stężenia są znacznie mniejsze. Dzięki tym wyśrubowanym standardom wiemy, że gdyby  pomiędzy dwoma stacjami – np. Mace Head w Irlandii (53°19’36.3″N 9°54’14.1″W) a Kasprowym Wierchem – zaobserwowano duże różnice wskazań, to oznaczałoby że pomiędzy nimi istnieje duże źródło np. metanu, które wraz z zachodnimi wiatrami wzbogaca powietrze na Kasprowym w stosunku do Irlandii. 

Skąd się biorą skale pomiarowe?
Wszystkie prowadzone przez naukowców pomiary wymagają odniesienia do wzorców. Jaką formę mają wzorce, to już jest odmienna kwestia każdej metody badawczej. Aktualnie (od roku 2019) wszystkie wielkości fizyczne są odniesione do przyjętych wielkości kilku stałych fizycznych takich jak między innymi liczba Avogadro, stała Boltzmana czy stała Plancka. Wcześniej odniesieniem były fizycznie istniejące obiekty. W przypadku stężenia gazów, w mieszaninie jaką jest powietrze, wszystkie analizy muszą być porównywalne i zgodne z odpowiednimi wzorcami. Teoretycznie, jako że stężenie gazów jest definiowane przez ułamek molowy, do weryfikacji poprawności badań wystarczy odnieść się do stałej Avogadro. W praktyce proces jest nieco bardziej skomplikowany. Wszystkie zespoły wykonujące analizy stężenia gazów w powietrzu posiadają tzw. mieszaniny kalibracyjne. Są to butle zawierające mieszanki gazowe, które zawierają mierzony składnik i osuszone powietrze atmosferyczne (czasem jeszcze dodatkowo oczyszczone). W butlach tych jest ustalona zawartość danego gazu. 
Pytanie nasuwa się natychmiast: kto i jak ustala tą wartość. I tu z pomocą przychodzą skale pomiarowe. Otóż, mieszaniny kalibracyjne są wytwarzane przez mieszanie czystych składników. W przypadku dwutlenku węgla taka mieszanka będzie zawierała azot, tlen argon i wreszcie CO2. Jego ilość jest bardzo precyzyjnie ważona przed „rozpuszczeniem” w mieszaninie. W ten sposób powstaje skala grawimetryczna czyli zestaw butli zawierających różne stężenia dwutlenku węgla pokrywające zakres rejestrowanych w atmosferze wielkości (aktualnie od 360 do 450 ppm ale ciągle rozszerzana). Mówi się, że skala pomiarowa jest oparta o zestaw wzorców pierwotnych. Powietrze z tych butli jest następnie wprowadzone do analizatorów, a ich odpowiedź jest korygowana tak aby wynik zgadzał się z wartością wzorca.  
Względem wzorców pierwotnych analizuje się skład powietrza zgromadzonego w innych butlach, które następnie wykorzystuje się w najważniejszych laboratoriach. To są wzorce wtórne, które zapewniają propagowanie skali odniesienia do dalszych laboratoriów. Większość stacji pomiarowych używa wzorców trzeciorzędowych, czyli skalibrowanych w oparciu o wzorce wtórne.  Np. laboratorium na Kasprowym Wierchu posiada 2 wzorce z laboratorium NOAA (wykorzystywane od początku działania laboratorium w 1996 roku) i 4 wzorce z laboratorium w Jenie (wykorzystywane od 2015 roku), dzięki czemu pomiary tam wykonywane są porównywalne z innymi danymi uzyskanymi na stacjach rozmieszczonych na kuli ziemskiej. 
Skale pomiarowe są na bieżąco uzupełniane o mieszaniny zawierające coraz większą ilość badanych gazów. Dzieje się tak dlatego, że zawartość składników śladowych w atmosferze rośnie i pomiary odnotowują ciągle wyższe wartości. Butle, które zostały opróżnione są uzupełniane przez nowe mieszanki. Wreszcie, nowe wzorce są dołączane do skali (ok. 2 – 3 rocznie). Wszystko to powoduje,  że wartości wcześniej przypisane do wzorców pierwotnych mogą ulec zmianie nawet po kilkunastu latach od ich wprowadzenia do skali. Nie są to znaczące zmiany – zwykle maksymalnie o ok. 0.1ppm. Raz na dekadę wprowadza się zatem poprawkę do wartości skali i przelicza się wszystkie (!) wyniki uzyskane według tej skali. To może wydawać się manipulacją danymi. Zauważmy jednak, że zmianom podlegają jedynie absolutne wartości a nie wzrost stężenia, nie ma to więc przełożenia na zmiany wymuszania radiacyjnego.

Zdjęcie: Wysokogórskie Obserwatorium Meteorologiczne na Kasprowym Wierchu zimą, budynek obsypany śniegiem.
Ilustracja 9: Wysokogórskie Obserwatorium Meteorologiczne na Kasprowym Wierchu (IMGW-PIB) zimą. Zdjęcie z archiwum autorów.

Od pomiarów do wniosków 

„To co z tymi gazami, które tam mierzycie? Rosną?”. To chyba najczęściej zadawane pytanie gdy rozmowa schodzi na temat: „czym się zajmujesz”. No rosną. Niestety. Ale, żeby określić w jakim tempie rośnie ich stężenie w atmosferze trzeba przeprowadzić kilka czynności:

  1. Dokonać samego pomiaru jedną z metod, które zostały opisane powyżej.
  2. Wyniki odnieść do skali pomiarowej zdefiniowanej przez zestaw wzorców używanych w laboratorium. W praktyce oznacza to, że co jakiś czas pomiar powietrza atmosferycznego jest przerywany na rzecz pomiaru powietrza z butli, w której jest skompresowana mieszanina standardowa o ściśle określonym składzie mierzonych gazów.
  3. Wyznaczyć średnie stężenia: minutowe, godzinne lub dobowe w zależności od tego do jakiej analizy mają posłużyć. Rozdzielczość czasową uzyskanych wyników trzeba odpowiednio dobrać do rodzaju analizy, którą chcemy przeprowadzić. Np. jeśli chcemy badać wpływ bryz górskich na stężenie dwutlenku węgla mierzone na Kasprowym to użyjemy danych o dużej rozdzielczości (maksymalnie będą to średnie 10 minutowe). Jeśli chcemy badać trendy długoterminowe to wykorzystanie średnich dobowych w zupełności wystarczy.
  4. Jeśli interesuje nas co dzieje się w atmosferze bardziej regionalnie (w tzw. czystej atmosferze, charakterystycznej dla obszaru Europy Środkowej), to musimy oznaczyć pomiary, które są błędne (np. z powodu awarii sprzętu pomiarowego) lub zakłócone lokalną emisją. Interesować nas będzie tylko ta część wykonanych przez nas pomiarów, które nie zostały „zanieczyszczone” np. przez emisję z Zakopanego. Proces ten nazywamy flagowaniem danych.  Należy podkreślić, że żaden wynik pomiaru nie zostaje usunięty z zapisu a jedynie oznaczony odpowiednim komentarzem – flagą.

Dopiero tak przygotowany zestaw danych obrazuje jak zmienia się stężenie głównych gazów cieplarnianych w atmosferze mierzonej na Kasprowym Wierchu, co zostało przedstawione na wykresach poniżej. Zawarto na nich wszystkie dostępne dane zebrane w laboratorium KASLAB, a więc średnie dwutygodniowe z okresu 1994-1996, średnie godzinne obliczone na podstawie pomiarów chromatograficznych w latach 1996-2014 i średnie godzinne obliczone na podstawie pomiarów metodą CRDS w latach 2015-2020. Dla porównania przedstawiono również zmiany stężenia CH4 i CO2 na stacji Mauna Loa na Hawajach, najstarszej stacji monitoringu stanu atmosfery pod kątem stężenia gazów cieplarnianych.

CO2 i CH4 na Kasprowym Wierchu

W przypadku metanu (il. 10), którego stężenie w całym okresie pomiarowym przyrasta na Kasprowym Wierchu w tempie 5,34 ppb/rok można wydzielić dwa charakterystyczne okresy: (i) od początku pomiarów do końca roku 2007 kiedy wydawało się, że narost stężenia CH4 w atmosferze został prawie zahamowany, oraz (ii) od roku 2008 do chwili obecnej, kiedy znowu znacznie on przyspieszył. 

Obserwacje prowadzone na Kasprowym zgadzają się z wynikami pomiarów prowadzonych w innych punktach na kuli ziemskiej, w tym z najbardziej charakterystycznym punktem pomiarowym na Mauna Loa. Oczywiście stężenie metanu na Kasprowym jest wyższe niż na Hawajach, bo Tatry są w środku kontynentu europejskiego, na którym jest wiele źródeł metanu. Wpływ emisji kontynentalnych na stężenia gazów jest także rozpoznawalny w amplitudzie zmian krótkoterminowych stężenia. Rozrzut stężeń metanu jest nieco większy na Kasprowym Wierchu niż na stacji umieszczonej na środku oceanu.

Wykres koncentracji metanu na Kasprowym Wierchu i Mauna Loa, w obu zestawach danych widoczny jest trend wzrostowy
Ilustracja 10: Stężenie atmosferycznego metanu w latach 1994-2020, zmierzone na stacji Kasprowy Wierch i Mauna Loa na Hawajach (dane Ed Dlugokencky, NOAA/GML). Prowadzone na obu stacjach pomiary wskazują wypłaszczenie krzywej narostu stężenie CH4 na przełomie XX i XXI wieku.

Zawartość CO2 w powietrzu Kasprowego Wierchu wzrasta mniej więcej ze stałym tempem. Na il. 11 przedstawione są zmiany stężenia dwutlenku węgla dla atmosfery zanotowane na stacji Kasprowy Wierch prowadzonej przez AGH i stacji oceanicznej Mauna Loa prowadzonej przez NOAA. Z roku na rok jest więcej dwutlenku węgla w atmosferze. Średni przyrost dla całego okresu to aż 2,16 ppm/rok dla Kasprowego Wierchu i 2,09 ppm/rok dla Mauna Loa. Oczywiście na wzrost długoterminowy nakładają się zmiany sezonowe, które powodują, że stężenie tego gazu w okresie aktywnej wegetacji, czyli wtedy gdy roślinność aktywnie pochłania duże ilości CO2 w procesie fotosyntezy (ciepłe półrocze), jest średnio o kilkanaście ppm niższe niż zimą. Ale to już zupełnie inna opowieść….

Wykres koncentracji dwutlenku węgla na Kasprowym Wierchu i Mana Loa. Obie linie niemal się pokrywają, w obu przypadkach widać wyraźny trend wzrostowy.
Ilustracja 11: Stężenie atmosferycznego dwutlenku węgla w latach 1994-2020, zmierzone na stacji Kasprowy Wierch i Mauna Loa na Hawajach, dane: dr Pieter Tans, NOAA/GML i dr Ralph Keeling, Scripps Institution of Oceanographyhttp://scrippsco2.ucsd.edu/

Łukasz Chmura1,2, Jakub Bartyzel2, Jarosław Nęcki2, Robert Pyrc1, Mirosław Zimnoch2

1 Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy
2 Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej

Opublikowano: 7 lutego 2022

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.