Ziemia jest obiektem badań, którego nie da się zamknąć w laboratorium. Badając zjawiska zachodzące w atmosferze i oceanie, w tym przejawy i skutki zmiany klimatu, trudno jest pracować w pojedynkę. Często potrzeba do tego wielu instrumentów, pomiarów prowadzonych w wielu lokalizacjach lub przez dłuższy okres. Dlatego dla specjalistów nauk o Ziemi bardzo ważna jest międzynarodowa współpraca oraz szeroka wymiana danych. Na temat sieci pomiarowych i ich roli w badaniach klimatu napisał dla nas prof. Szymon Malinowski.

Zdjęcie: widok ze stacji kosmicznej na otulającą Ziemię atmosferę. Na czarnym tle widać niebieski łuk.
Ilustracja 1: Cienka warstwa atmosfery widziana z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.

Powietrze to cienka warstwa ściśliwego płynu nad powierzchnią obracającej się Ziemi. Jego przepływy zależą od różnic ciśnienia i przemian termodynamicznych obecnej w powietrzu wody. W cyklu dobowym i rocznym, różne części planety i atmosfery są różnie ogrzewane przez Słońce, i różnie wypromieniowują energię w podczerwieni. Bezustannie napędzane tymi procesami przepływy atmosferyczne – wiatry i cyrkulacje – unoszą ze sobą ciepło, parę wodną, aerozole i inne zanieczyszczenia.

To wszystko sprawia, że badania pogody, klimatu, transportu, bilansu energii, muszą obejmować skale większe niż lokalna. Pojedyncze obserwacje czy pomiary są ważne. Jednak dopiero w komplecie z innymi podobnymi obserwacjami i pomiarami z innych lokalizacji pozwalają śledzić, analizować i prognozować stan atmosfery, pogody, klimatu, jakości powietrza. Podobne zależności dotyczą oceanu, prądów morskich, temperatury, zasolenia, stanu morza. Wszystkie większe przedsięwzięcia naukowe mające na celu lepsze rozumienie procesów atmosferycznych i oceanicznych, monitorowanie czy prognozowanie pogody i klimatu, mają zespołowy i ponadnarodowy charakter. Jak żadna inna dyscyplina, nauka o atmosferze i oceanie utkana jest z sieci pomiarowych i obserwacyjnych, przeplatających się ze sobą, obejmujących państwa, kontynenty i cały świat.

Podstawowe pomiary meteorologiczne

Powszechnie znane sieci to sieci stacji i posterunków prowadzących podstawowe pomiary najważniejszych parametrów atmosfery i warunków meteorologicznych (np. wiatru, ciśnienia i temperatury powietrza, usłonecznienia, opadu) prowadzone przez krajowe czy regionalne służby meteorologiczne które współpracują w ramach Światowej Organizacji Meteorologicznej (World Meteorological Organization, WMO), w którą po powstaniu ONZ w roku 1950 przekształciła się istniejąca od 1873 roku Międzynarodowa Organizacja Meteorologiczna (International Meteorological Organization, IMO). WMO działa jako organizacja międzyrządowa przy ONZ, a jej celem jest „wolna i nie podlegająca ograniczeniom wymiana danych, informacji i badań pomiędzy odpowiednimi służbami meteorologicznymi i hydrologicznymi”.

Zdjęcie: stacja meteorologiczna (sieć pomiarowa IMGW). Na krótko przystrzyżonym trawniku, na wysokich nóżkach stoją klatki pomiarowe (skrzynki z instrumentami), w tle także maszt.
Ilustracja 2: Stacja meteorologiczna i hydrologiczna IMGW w Radzyniu. Zdjęcie: Marek Argent (licencja CC BY-SA 4.0).

Jak na tym przykładzie widać ważną specyfiką badań atmosfery jest szerokie, bardzo często publiczne, udostępnianie zarówno wyników pomiarów (które po weryfikacji i kalibracji deponowane są w powszechnie dostępnych bazach danych), jak i produktów ich przetwarzania – prognoz, analiz, map, wykresów, tabel, czy zbiorów liczb. Liczne meteorologiczne oraz oceanograficzne obrazy satelitarne pozyskiwane przez NASA, ESA czy agencje kosmiczne Japonii, Chin, Indii, są publikowane w internecie, oglądamy je w programach telewizyjnych i aplikacjach w telefonach komórkowych. Jednak badania atmosfery i oceanu nie ograniczają się do mniej lub bardziej standardowych obserwacji mereologicznych z powierzchni lądów, boi, satelitów i zapisywania ich aby śledzić zmiany klimatu.

Sieci pomiarów aerozolu atmosferycznego

Gdzieś, głębiej ukryte, rozwijają się sieci naukowe prowadzące mniej oczywiste pomiary czy obserwacje. O jednej z nich, dzięki której monitorujemy głębiny oceanu światowego, pisaliśmy kiedyś na naszej stronie (Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu, Program Argo sięga głęboko). Dziś skoncentrujemy się na sieciach badających aerozol atmosferyczny. Dlaczego? Bo Instytut Geofizyki UW, z którego wywodzi się część naszej redakcji jest głęboko „uwikłany” w te sieci. Bo zrozumienie aerozolu atmosferycznego, jego roli w transferze promieniowania przez atmosferę, w powstawaniu i ewolucji chmur ma ogromne znaczenie dla rozumienia i prognozowania pogody, klimatu, jakości powietrza.

AERONET – ile aerozolu jest w atmosferze?

Chyba największą siecią aerozolowa, obejmująca lokalizacje na wszystkich kontynentach i wielu wyspach, jest założona przez NASA Aerosol Robotic Network – AERONET. Jednostki badawcze należące do sieci są odpowiedzialne za utrzymanie automatycznych, zrobotyzowanych fotometrów słonecznych CIMEL.

Zdjęcie: fotometry CIMEL ustawione na platformie pomiarowej w górach. W tle chmury.
Ilustracja 3: Fotometry CIMEL podczas porównania i kalibracji. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości firmy Cimel.

Zgodnie z procedurami, urządzenia te są sprawdzane i kalibrowane w specjalnych laboratoriach według ściśle ustalonego schematu i harmonogramu. Zamontowane w punktach badawczych przez większą część czasu „śpią” smacznie. W określonych momentach, co godzinę, są „budzone” i zaczynają serię pomiarów według określonego schematu. Najpierw patrzą w słońce mierząc dopływ promieniowania w kilku różnych długościach fali. Następnie skanują nieboskłon według ściśle opracowanego schematu, co pozwala zmierzyć w tych samych długościach fali promieniowanie rozproszone przez obecne w powietrzu na różnych wysokościach cząstki aerozolu.

Wyniki pomiarów są bezzwłocznie a także po weryfikacji przez instytucje odpowiedzialne za pomiary raportowane do centrali w NASA. Wszystkie sprawdzone wyniki są dostępne dla badaczy z całego świata i opinii publicznej. Siec pozwala weryfikować obserwacje satelitarne, śledzić przemieszczanie się i ewolucję cząsteczek aerozolu w atmosferze, a informacje o promieniowaniu pomagają w interpretacji wielu innych danych, na przykład dotyczących fotosyntezy. Nasz CIMEL niejednokrotnie pomagał obserwować nad Warszawą pył wulkaniczny, aerozol pustynny, emisje z pożarów lasów czy torfowisk w odległych miejscach. Porównanie odczytów pomiarów z Warszawy i np. Strzyżowa (jest tam kolejny CIMEL obsługiwany przez Instytut Geofizyki UW) czy Belska k. Grójca (CIMEL IGF PAN) pozwala np. określić wpływ miasta, kwitnienia sosny na procesy atmosferyczne!

EARLINET, czyli sieć lidarów

Podobną rolę, choć wykorzystując do pomiarów zupełnie inne przyrządy pełni sieć EARLINET (European Aerosol Lidar NETwork), europejska sieć pomiarów aerozolu lidarami. Lidar, w przeciwieństwie do fotometru, który do pomiaru wykorzystuje promieniowanie Słońca, sam wysyła wiązkę promieniowania elektromagnetycznego (często w kilku długościach fali) i odbiera promieniowanie rozproszone (odbite) wstecz. Znając odstęp czasu między emisją i odbiorem sygnału możemy precyzyjnie podać wysokość na której występują cząstki rozpraszające, a badając własności zarejestrowanego promieniowania zwrotnego wiele powiedzieć o ich własnościach. Więcej o wspaniałym lidarze wykorzystywanym w IGF UW można przeczytać w artykule To się nazywa lidar!

Zdjęcie z drona: stacja pomiarowa SolarAOT, część sieci pomiarowej Poland AOD.
Ilustracja 4: Stacja pomiarowa SolarAOT w Strzyżowie, należąca do polskiej sieci pomiarów aerozolu Poland AOD. Zdjęcie: SolarAOT (licencja CC BY-SA 4.0).

POLAND AOD – wszystko o aerozolu nad Polską

Dzięki współpracy kilku instytucji badawczych z Polski powstała i działa od 10 lat nasza krajowa sieć aerozolowa POLAND AOD (http://www.polandaod.pl/), koordynowana przez IGF UW. Pozwala to prowadzić wspólne, interdyscyplinarne badania i śledzić zmienność aerozolu w skali kraju. Punkty pomiarowe tej sieci dysponują różnym wyposażeniem badawczy. nie wszędzie są lidary i fotometry. Jednak nawet pomiary natężenia promieniowania oraz badanie składu i własności cząstek aerozolu pobieranych z powietrza przy powierzchni Ziemi pozwalają budować wiedzę o jakości powietrza, transporcie, pomaga zasilać modele chemii atmosfery i jakości powietrza, weryfikować ich obliczenia i kalibrować dane satelitarne.

Wspólna infrastruktura badawcza

Innym rodzajem badawczych sieci naukowych są tzw. sieci czy przedsięwzięcia infrastrukturalne. Jednostki uczestniczące w sieci, prócz prowadzenia pomiarów i prowadzenia wymiany danych, uczą się od siebie i współpracują badawczo. W ramach sieci pracownicy z jednych ośrodków mogą odwiedzać inne, np. mające inne wyposażenie badawcze niż macierzysta instytucja, poznawać nowe przyrządy i wspólnie prowadzić badania. Zdarza się, że ktoś wymyśla nowy czy udoskonala algorytm przetwarzania danych który chce sprawdzić na innych, niż macierzyste, przyrządach badawczych czy bada jak ujednolicać wyniki pomiarów – sieć pomaga to zrobić.

Sieć koordynuje też prowadzone badania i pomaga optymalizować rozwój aparatury badawczo pomiarowej. Znając zalety i wady rożnych przyrządów pomiarowo obserwacyjnych znacznie łatwiej dokonywać optymalnych zakupów brakującego sprzętu czy modyfikować tak programy pomiarowe, aby efekt synergii z innymi przyrządami czy pomiarami sieci przynosił jak najlepsze czy najdokładniejsze wyniki.

Na tropie aerozolu i gazów cieplarnianych

IGF UW uczestniczy w dwóch takich przedsięwzięciach europejskich. Pierwsze z nich, o czym nieco pisaliśmy w artykule o lidarze to ACTRIS (The Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) sieć badawcza chmur i aerozoli. Podobnie jak ACTRIS działa np. siec ICOS (Integrated Carbon Observation System) do śledzenia obiegu węgla w przyrodzie, do której przyłączyć się chce między innymi polski KASLAB (o którym przeczytasz w artykule Kasprowy Wierch – co tu się mierzy i co z tego wynika?).

EUFAR – badania w przestworzach

Drugą, zupełnie inną siecią infrastrukturalną w której uczestniczy IGF UW jest EUFAR – European Facility for Airborne Research. Badania lotnicze są bardzo drogie, wiele krajów nie ma infrastruktury badawczej w tym zakresie. Np. nasz instytut rozwija termometr do pomiaru w chmurach z pokładu samolotu, czy pracuje nad nowymi przyrządami samolotowymi do pomiaru wilgotności nie mając samolotu badawczego.

Zdjęcie: samoloty ATR (biały) i Twin Otter (czerwony) stojące na lotnisku.
Ilustracja 5: Samoloty ATR (należący do Meteo France) oraz Twin Otter (należący do brytyjskiego Natural Environment Research Council) udostępniane w ramach sieci EUFAR. Zdjęcie: S. Maliniowski.

Dzięki takim sieciom jak EUFAR możemy rozwijać te badania a także uczestniczyć w szkoleniach czy projektach badawczych (przykład znajdziecie w artykule Jak to się robi?Pomiary atmosferyczne z pokładu samolotu). Co więcej, niektóre z tych badań są z jednej strony bardzo niszowe, z drugiej ważne dla innych badaczy że łatwiej jest współpracować mając jeden taki termometr jak nasz, niż konstruować analogiczne gdzie indziej. Tak, z własnym wkładem jesteśmy cennymi partnerami w sieci nie mając samolotu, a w zbliżony sposób prowadzi badania wiele innych jednostek w Europie. Podobne sieci działają na kontynencie amerykańskim, czasami, np. w projektach takich jak EUREC4A łączą się, ułatwiając organizację wielkich kampanii pomiarowych.

Na podobnej zasadzie działają sieci oceanograficzne udostępniające miejsca dzielące przyrządy na statkach badawczych. Silne usieciowanie jest korzystne i dla bogatszych, lepiej wyposażonych, i dla gorzej oprzyrządowanych instytucji. Synergia, wymiana doświadczeń i badań, a także wzajemna kontrola na każdym etapie powodują, że badania naukowe oceanów i atmosfery rozwijają się szybko, a ich wyniki mogą być szeroko udostępniane opinii publicznej.

Dane z Europy udostępni ci Copernicus

W skali Europy wyniki badań prowadzonych przez różne sieci, od meteorologicznych po badawcze są gromadzone, przetwarzane i rozpowszechniane przez program usług klimatycznych Copernicus, którego celem jest uzyskanie maksymalnych korzyści dla wszystkich obywateli Unii Europejskiej. Dane z satelitów oraz naziemnych, atmosferycznych i morskich systemów pomiaru oraz sieci takich jak AERONET, EARLINET, Poland AOD, ACTRIS, ICOS a także symulacji numerycznych wykorzystuje się do wytwarzania i przekazywania informacji, pomagających usługodawcom, organom publicznym i innym organizacjom międzynarodowym w podnoszeniu jakości życia mieszkańców UE. Użytkownicy mają bezpłatny i otwarty dostęp do usług informacyjnych świadczonych w ramach programu.

Gdy korzystasz z aplikacji WINDY po to żeby zobaczyć prognozę aerozolu w Europie, dostarczaną przez program Copernicus, pamiętaj że robione przez nas pomiary pomagają udoskonalać algorytmy obliczeń transportu zanieczyszczeń i interpretować obrazy satelitarne. Systematyczne rozszerzanie pomiarów aerozolu nad Polską oraz skuteczne i regularne dostarczanie najwyższej klasy danych pomiarowych do ponadnarodowych sieci pozwala nie tylko lepiej prognozować pogodę czy rozumieć klimat, ale ma konkretne przełożenie na wiele naszych codziennych działań.

Szymon Malinowski