Piasek z Sahary i aerozole z Białorusi dolatują do Warszawy. Dlaczego warto to badać? I jak to robić?

Piasek znad Sahary dociera do Polski zakolem przez Półwysep Iberyjski i Skandynawię, a aerozole z wypalania traw na Ukrainie i Białorusi mogą drastycznie zmienić własności optyczne atmosfery nad Warszawą. Nad badaniami tego typu zjawisk pracuje zespół naukowców pod przewodnictwem prof. Iwony Stachlewskiej z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prowadzone przez nich Laboratorium Pomiarów Zdalnych, (RS-Lab) wyposażone w najnowocześniejsze urządzenia, należy do kilku międzynarodowych sieci pomiarowych i współpracuje między innymi z Europejską Agencją Kosmiczną.

Szymon Bujalski: Angażuje się Pani w rozwój międzynarodowych sieci pomiarowych, które mają zajmować się m.in. pomiarami aerozolu. Dlaczego takie sieci są ważne?

Prof. Iwona Stachlewska, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: Istnieje wiele bardzo ciekawych infrastruktur badawczych w ważnych geograficznie lokalizacjach. Warto współpracować, ponieważ jeden kraj nie jest w stanie zapewnić pełnej infrastruktury dla wszystkich pomiarów, a ich dublowanie nie ma sensu – choćby dlatego, że są to bardzo drogie inwestycje. Zamiast tego jednostki naukowe mogą współpracować w ramach międzynarodowych umów i udostępniać tę infrastrukturę sobie nawzajem i osobom z zewnątrz, naukowcom z innych państw, firmom prywatnym, etc.

Atmosfera ziemska nie jest stałym tworem, tylko bez przerwy się zmienia, chociażby w wyniku cyrkulacji powietrza. Dynamika atmosfery sprawia, że to, co jest w danej chwili mierzone np. w Polsce, mogło zostać nad nią przyniesione z innych krajów i odpowiednio zmodyfikowane w wyniku różnych procesów, m.in. chemicznych i fizycznych. Rodzi się więc pytanie, jak to mierzyć. I temu właśnie mają służyć duże infrastruktury badawcze, takie jak np. infrastruktura ACTRiS do pomiarów aerozoli, chmur i gazów śladowych w atmosferze czy ICOS do pomiarów gazów cieplarnianych.

Tego typu przedsięwzięcia są bardzo trudne do realizowania, ale jednocześnie absolutnie konieczne. Obecnie mamy np. stację pomiarową na Kasprowym Wierchu, która działa od kilkudziesięciu lat. To jedna z najlepszych działających stacji in situ [prowadzących pomiary w lokalizacji, w której się znajdują, nie na odległość – przyp. red.]. Można powiedzieć: super, ale w zasadzie co z tego? Jeśli chodzi o jedną lokalizację, to o czym nam to w ogóle mówi? Co najwyżej o tym, że na szczycie jakiejś góry coś się wydarzyło. Nie chcę przez to powiedzieć, że te pomiary nie są potrzebne. Chodzi mi o coś wręcz odwrotnego.

Że są potrzebne, ale jest ich za mało?

Zgadza się. Celem naszych działań jest więc to, żeby znaleźć i ustalić takie założenia pomiaru i wykonać taką kalibrację instrumentów [odpowiednie ustawienie i konfigurację – przyp. red.] na danej stacji, żeby wykonywała w sposób ciągły wiele pomiarów wysokiej jakości. Dzięki temu np. dane z Warszawy można porównać z danymi z Kasprowego Wierchu, choć w obu miejscach występują zupełnie inne typy aerozoli. Gdybyśmy je odpowiednio skalibrowali, stacja w Warszawie opisująca warunki miejskie mogłaby też dokonać pomiarów naturalnych aerozoli, które docierają do niej z innych miejsc. I nie chodzi tylko o wspomniany Kasprowy Wierch. Taka stacja mogłaby też wykonywać pomiary związane z wypalaniem traw i wysuszaniem torfowisk w Ukrainie, napływami cząstek pochodzących ze spalania biomasy podczas pożarów w Kanadzie – i takimi badaniami zajmuje się moja doktorantka Łucja Janicka. 

Powinniśmy doprowadzić do tego, by w Polsce powstało kilka takich kluczowych stacji, z których pomiary będą wpisywały się w całość obserwacji prowadzonych w Europie. W przypadku ACTRIS jesteśmy w trakcie realizacji tego celu i odnosimy sukcesy! 

Warto mieć na uwadze, że Polska w zakresie potencjału dla tego typu infrastruktury rozproszonej nie jest na szarym końcu – mamy do zaoferowania bardzo dużo i pod względem lokalizacyjnym, i pod względem badaczy, i pod względem wyspecjalizowanego personelu technicznego. Jeśli to poprawnie wykorzystamy, możemy mieć bardzo dobrze rozwiniętą infrastrukturę i przestaniemy być pustą plamą na mapie ACTRIS. Jednocześnie te działania powinny być powiązane z obserwacjami typu monitoringowego np. w GIOŚ [Główny Inspektorat Ochrony Środowiska], ESA [Europejska Agencja Kosmiczna], NASA.

Brzmi jak praca na długie lata.

Bo tak jest. To są założenia strategiczne, wieloletnie. Jeśli zobowiążemy się do nich teraz, to oczywiście efekty stopniowo będą coraz lepsze, ale docelowo jest to projekt i inwestycja nawet nie na pięć lat, a raczej na 25. O takiej skali czasowej mówimy.

A jak to wszystko zorganizować?

Istnieją na świecie różnorodne sieci badawcze oraz infrastruktury badawcze zarządzane przez gremia złożone z przedstawicieli wielu instytucji, a nawet ministerstw z różnych krajów. Dotyczy to również atmosferycznych czy ekosystemowych infrastruktur badawczych, które funkcjonują lub mają funkcjonować podobnie jak organizacje międzynarodowe. 

Żeby to osiągnąć, trzeba wymyślić sposób, by wykorzystać istniejące lub rozwijane infrastruktury badawcze tak, aby nie były ulokowane w jednym miejscu, tylko zostały połączone prawnie w działającą i sprawnie zarządzaną infrastrukturę rozproszoną na regiony, kraje czy kontynenty. 

W ramach takich umów międzynarodowych, ministerstwa poszczególnych krajów byłyby zobowiązane do opłacania składek członkowskich – jak to ma miejsce chociażby w przypadku CERN-u – za wykorzystywanie przez naukowców z ich kraju infrastruktury znajdującej się w innych krajach, za dostęp do centrów kalibrujących urządzenia badawcze, za dostęp do unikatowych przyrządów, którymi dany kraj nie dysponuje itp.

Dzięki rozwojowi infrastruktury nasze zrozumienie procesów i relacji zachodzących w atmosferze stanie się o wiele bardziej kompleksowe, tak?

Kompleksowe, zrozumiałe i holistyczne. Dzięki temu poznamy procesy z różnych stron i dowiemy się, czy jakaś zmienna w ogóle wpływa na inną, czy istnieją między nimi korelacje, czy też są to być może sztuczne przypadkowe zależności, dla których fizycznego wytłumaczenia nie ma. To wszystko trzeba zbadać. Dlatego nie chodzi tylko o podstawowe badania atmosfery, ale też rozwój instrumentów, metod, algorytmów itp.

Czego możemy się nauczyć dzięki udoskonalaniu pomiarów?

Wiele zależy od naukowca. Są naukowcy, którzy wierzą w jakąś teorię. Nie chciałabym sugerować, że naciągają wyniki swoich badań, ale widzę, że niektórzy naukowcy mają określoną wizję świata, którą potwierdzają swoimi badaniami. Osobiście uważam, że jeśli w danych pomiarowych jest coś interesującego, to trzeba to opublikować – nawet jeśli wyniki mogą kogoś dziwić. To naprawdę ważne, ponieważ sama przywiązuję dużą wagę do wykonywania pomiarów i wiem, że są prowadzone tak, by były pomiarami rzeczywistymi. To, co mierzymy, to nie są żadne artefakty [pozorne zjawiska, które nie zachodzą w rzeczywistości ale uwidaczniają się w wynikach pomiarów ze względu na wady metody pomiarowej – przyp. red.]. 

Na podstawie własnych badań zauważyłam zresztą, że wyniki końcowe pomiarów rzeczywiście bywają nieintuicyjne. Na przykład mam publikację dotyczącą pożarów związanych z wypalaniem traw na Ukrainie i Białorusi – jeszcze przed wojną. Okazało się, że wypalanie traw w tamtych krajach może w bardzo szybkim tempie sprowadzić aerozole do atmosfery nad Warszawą i że aerozole te mogą drastycznie zmienić własności optyczne atmosfery.

Czyli że za zanieczyszczenia powietrza w Warszawie odpowiada nie tylko to, co dzieje się w Warszawie? I w dodatku możemy to zmierzyć?

Zgadza się. Zwróćmy przy tym uwagę, że Unia Europejska nakłada kary na poszczególne kraje za to, że mają przekroczone normy pyłów zawieszonych PM. I teraz wyobraźmy sobie, że ktoś zmierzył stężenie PM w stolicy i doszedł do wniosku, że „znowu ta Warszawa smrodzi”. Tylko że takie pomiary dotyczą tego, co znajduje się przy powierzchni ziemi. Jeśli popatrzymy na całą strukturę atmosfery, obliczymy modelami trajektorie wsteczne mas powietrza i zobaczymy, że masywna ilość dymu i aerozoli napłynęła w bardzo krótkim czasie z innego miejsca, to okaże się, że Warszawa wcale tak bardzo nie „smrodzi”. Bo owszem, jakiś procent zanieczyszczeń stanowią zanieczyszczenia miejskie, ale reszta to aerozol napływowy. Oczywiście są badania chemiczne, które po wielu dniach i analizach laboratoryjnych mogą to wykazać w próbkach pobranych przy powierzchni ziemi, ale my dzięki pomiarom zdalnym możemy „wyprodukować” tę informację w przeciągu mniej więcej kilkudziesięciu minut. To ogromna różnica.

Dzięki naszym pomiarom możemy też sprawdzać, na ile to wszystko – i czy w ogóle – łączy się z dynamiką atmosfery [występującymi w niej przepływami powietrza – przyp. red.] . Jedno z moich badań wykazało, że jeżeli do zanieczyszczonej warstwy granicznej [warstwy powietrza najbliżej granicy między atmosferą i powierzchnią Ziemi – przyp. red.] w Warszawie dołożymy aerozoli, które pochodzą z zanieczyszczonych obszarów w Niemczech, to cała dynamika atmosfery na kilka dni zostaje zaburzona. Można też pójść dalej i zastanowić się, co się stanie, jeśli do tej zanieczyszczonej warstwy granicznej atmosfery dołożymy np. aerozole pochodzące z piasku znad Sahary, którego ostatnio mamy coraz więcej.

I co się stanie?

Moja doktorantka, Dominika Szczepanik, zajmowała się tym przez ostatnie kilka lat. W tym celu przeanalizowała dane lidarowe znad Warszawy od 2013 r. Faktycznie napływów piasku znad Sahary jest coraz więcej. Do tego są one coraz bardziej intensywne, a jednocześnie warstwy napływowe są coraz grubsze i dłużej utrzymują się w atmosferze. Część z tych aerozoli osiada, opada, ale nie wszystkie. Te, które utrzymują się w atmosferze, mogą sprawiać, że promieniowanie słoneczne jest przez niektóre z drobin piasku rozpraszane lub pochłonięte – podobnie jak przez chmury. Jeśli taka chmura pyłu z drobinami piasku rozprzestrzenia się nad połową Polski, to radiacyjne zmiany zaistnieją na całym tym obszarze.

Warto przy tym dodać, że pyły piasku docierają do Polski z dwóch miejsc – najczęściej znad Sahary, a znacznie rzadziej z pustyń azjatyckich. Większość napływów znad Sahary jest nieoczywista, bo one nie płyną jak po prostej z Afryki do Polski, tylko wchodzą w cyrkulację [globalny układ przepływów powietrza – przyp. red.] i trafiają do nas zakolem: najpierw przez Półwysep Iberyjski, potem przez Francję, czasami nawet Norwegię i Danię lub przez Niemcy. Widzimy też, że taki aerozol ma inne właściwości od tego, który o wiele rzadziej napływa bezpośrednio znad Sahary. 

Jakie są konsekwencje tego typu napływów?

Mogą być różne w zależności tego, o jaki aerozol chodzi. Jeden np. pochodzący ze wspomnianego spalania biomasy, wypalania terenów rolniczych, może prowadzić do chłodzenia, a inny np. antropogeniczne zanieczyszczenia powietrza transportowane z oddalonych terenów przemysłowych – do ogrzewania. Każdy może też inaczej wpływać na uwarstwienie atmosfery.

Wspomniała Pani o lidarach – to bliski Pani temat. Czym w ogóle są lidary i do czego służą.

Lidary można podzielić na atmosferyczne oraz meteorologiczne. Te pierwsze służą do pomiarów aerozoli i chmur, m.in. pionowej struktury aerozolu na różnych długościach fali,  wysokości pułapu chmur. Te drugie zajmują się pomiarami parametrów metodologicznych: temperatury, pary wodnej, prędkości i profilu wiatru. Na stacji RS-Lab mam kilka lidarów. 

Najnowszy, mobilny lidar (EMORAL) został zbudowany w 2018 r. i jest zamontowany w vanie. Ma osiem kanałów [rejestruje fale ośmiu rodzajów – przyp.red.], mierzy aerozole oraz parę wodną i daje możliwość odzyskania książkowego zestawu pomiarów własności optycznych, które można później wrzucać do modeli matematycznych potrafiących odzyskiwać mikrofizyczne parametry aerozolu. Czyli lidar taki jest w stanie przekazać informację o tym, na jakiej wysokości znajduje się warstwa aerozolu, a także jaki jest rozkład wielkości cząstek w tej warstwie i jak bardzo różni się on od innego rozkładu cząstek, który znajduje się w warstwie niżej lub wyżej.

Podobno tym najnowszym lidarem zainteresowały się największe instytucje z różnych części świata. Co jest w nim takiego innowacyjnego?

Lidar EMORAL był budowany po to, żeby służyć jako narzędzie do walidacji [potwierdzania poprawności – przyp. red.] danych satelitarnych [np. CALIPSO [zbudowany przez amerykańską (NASA) i francuską (CNES) agencję kosmiczną] czy ADM-Aleous [należy do Europejskiej Agencji Kosmicznej – ESA]. EMORAL w przyszłości ma również posłużyć do walidacji pomiarów EarthCARE [wspólnej misji kosmicznej zaplanowanej przez europejską (ESA) i japońską (JAXA) agencję kosmiczną, która ma pomóc lepiej zrozumieć rolę, jaką chmury i aerozole odgrywają w rozpraszaniu promieniowania słonecznego].

Ale dzięki temu, że lidar jest zamontowany w samochodzie, może być wykorzystywany nie tylko do badań satelitarnych – w ciągu kilku godzin możemy pojechać w dowolne miejsce, zainstalować system, rozpocząć pomiary i mierzyć aerozole, warstwy i struktury atmosferyczne. W zeszłym i tym roku mierzyliśmy m.in. sytuacje smogowe w Zabrzu, w Krakowie i we Wrocławiu. Praktycznie przez trzy zimowe miesiące byliśmy non stop na pomiarach lidarowych. 

Do Zabrza zaprosił nas Krzysztof Klejnowski, naukowiec o ogromnej wiedzy w dziedzinie badania smogu z Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk (IPIŚ-PAN). Do Krakowa na kampusie AGH, mierzyliśmy lidarem w kolokacji z instrumentami in-situ i dronami, które prowadzili Jarosław Nęcki i Mirosław Zimnoch – naukowcy w mojej ocenie zbyt mało znani w Polsce, a doceniani na świecie. Z kolei we Wrocławiu byliśmy na zaproszenie ekspert klimatologii Anetty Drzenieckiej-Osiadacz z Uniwersytetu Wrocławskiego, a lidar zainstalowaliśmy w ogródku meteorologicznym uczelni. 

Jak widać taki mobilny sprzęt może pomagać w zacieśnianiu współpracy środowiska naukowego w Polsce. I nie tylko, bo zainteresowanie mobilnym lidarem faktycznie jest ogromne. Dzięki niemu mieliśmy okazję przeprowadzić szkolenie lidarowe dla pracowników Europejskiej Agencji Kosmicznej – zaczynając od tego, czym lidar w ogóle jest, a kończąc na tym, dlaczego Agencja powinna więcej inwestować w sektor naziemnych pomiarów lidarowych, wejść w ściślejszą współpracę z ACTRiS itd.

I posłuchali?

Tak. Są tym zainteresowani. Będą współpracować z ACTRiS.

Czym ten lidar odróżnia się od innych, że wzbudza tak duże zainteresowanie? Jest bardziej zaawansowany czy też znaczenie ma to, że jest mobilny?

Na pewno jego mobilność ma duże znaczenie. Ale nie tylko to. Istnieją inne mobilne lidary, które czasem potrzebują jednak kilku dni na rozpoczęcie pomiarów, co jest dużym problemem [wstrząsy podczas transportu urządzenia mogą powodować niewielkie przesunięcia jego elementów optycznych względem siebie i konieczność ponownego ich dostrojenia przed rozpoczęciem pomiarów – przyp. red.]. Jako że wcześniej konstruowałam samolotowy lidar AMALi, który do dzisiaj (ponad 20 lat!) funkcjonuje prowadząc samolotowe pomiary w Arktyce, z bardzo wielu rozwiązań mogłam skorzystać przy okazji tworzenia również lidara EMORAL. W związku z tym był on budowany w taki sposób, żeby był niezwykle stabilny. Dzięki temu możemy przejechać w kilka godzin np. do Krakowa i w przeciągu dwóch, trzech godzin jesteśmy gotowi do rozpoczęcia pomiaru. Z punktu widzenia wszystkich aktywności kalibracyjno-walidacyjnych pomiarów lidarów satelitarnych jest to bardzo duża zaleta. Drugą kluczową rzeczą w tym lidarze jest to, że nie mierzy tylko na jednej długości fal, lecz posiada szeroką pulę różnych kanałów detekcji. Bez wchodzenia w szczegóły, jest to bardzo zaawansowany system. I stąd to ogromne zainteresowanie, zapotrzebowanie, chęć współpracy i wspólne projekty.

Czyli rodzima technologia powstaje i jest bardzo przydatna. Skoro zainteresowała się tym Europejska Agencja Kosmiczna, to trudno osiągnąć więcej.

Ależ musimy pamiętać, że wkład w budowę lidara EMORAL to nie tylko wkład Polski. Praca nad nim była podzielona na różne moduły realizowane przez partnerów naukowych i firmy prywatne. Nie jest to zatem technologia polska, a raczej technologia opracowana wspólnie przez międzynarodowy zespół naukowców z wielu instytucji, firm sektora prywatnego, oraz międzynarodowej organizacji rządowej. W pewien sposób wracamy więc do początku naszej rozmowy: dzięki tworzeniu międzynarodowej infrastruktury badawczej możemy działać wspólnie, co przynosi korzyści dla wszystkich.

Lidar pomoże między innymi w misjach Europejskiej Agencji Kosmicznej. A jak z takich rozwiązań mogą korzystać np. samorządy i firmy? Do czego mogą one wykorzystywać całą tę wiedzę naukową i infrastrukturę badawczą?

To pytanie łączy się z jednym z projektów, który ko-realizujemy na Uniwersytecie Warszawskim w ramach finansowania z programu KE Horyzont 2020. Chodzi o projekt ATMO-ACCESS, którego celem jest wypracowanie europejskich, międzynarodowych zasad dostępu do infrastruktur badawczych. Infrastruktury te po części są tworzone ze środków publicznych, a po części z innych środków, a do tego trzeba pamiętać, że powinny one być udostępniane dla każdego do badań naukowych i być może również komercyjnych. 

Rodzi się zatem pytanie, w jaki sposób udostępniać infrastruktury badawcze. Wypracowanie europejskich zasad dostępu jest więc niezwykle ważne. Dzięki temu np. Uniwersytet Warszawski miałby model opisujący w jaki sposób może współpracować z inną uczelnią, agencja rządową, organizacją publiczną, czy firmą prywatną, która chce skorzystać z infrastruktury i to w różnych celach! Podmiot komercyjny może np. chcieć przetestować swój prototyp danego urządzenia względem zaawansowanych urządzeń infrastruktury, żeby go udoskonalić. Organizacja międzynarodowa może zlecić naukowcom pewne badania do wykonania w różnych lokalizacjach i warunkach. Trzeba ustalić, na jakich zasadach ma to wszystko przebiegać. 

Podobnie jest z samorządami, które również mogą chcieć skorzystać z naszych danych. Ale to nie jest proste, bo trzeba ustalić, jakiego typu dane są jej potrzebne: dane pierwotne, dane przetworzone wyższego rzędu, dane średnie godzinowe, miesięczne, roczne? Zawsze możemy podpisać umowę na dostarczenie danych i wykonać odpowiednią usługę, ale co, w jakim zakresie, i w jaki sposób można dostarczać nieodpłatnie musi być dookreślone.

Żeby rozwijać infrastrukturę badawczą czy tworzyć i obsługiwać kolejne urządzenia pomiarowe, konieczna jest odpowiednia kadra pracowników. Jak sytuacja wygląda w Polsce?

Tak, jest to bardzo ważne i trudne, ponieważ kadrę do pracy na infrastrukturze trzeba szkolić długo, a część zadań to zadania bardzo mozolne, pracochłonne. Z reguły szkolenie pracownika technicznego specjalizującego się z szeroko pojętej obsłudze infrastruktury w mojej grupie trwa około dwóch lat. Po tym czasie pracownik jest prawie w pełni samodzielny. 

Od kilku lat mam w zespole na stanowiskach technicznych dwie kobiety i jednego mężczyznę. Ponieważ jest to praca nie tylko techniczna, ale jednocześnie naukowa, w trakcie tej pracy powstały również doktoraty – Łucja Janicka bada pożary ze spalania biomasy, Dominika Szczepanik napływy pyłów pustynnych znad Sahary, Dongxiang Wang zależności aerozol-chmura… 

Poza tym mam pięcioro młodych doktorantów (Fatimę Mirzę, Artura Tomczaka, Emekę Ugbomę, Macieja Karasewicza i Afwana Hafiza), którzy dopiero się wdrażają i wszystkiego uczą. Do tego oczywiście dochodzi kadra doświadczonych pracowników z doktoratami – Pablo Ortiz, Christiana Olusegun, Dongxiang Wang. Zespół jest bardzo dynamiczny i międzynarodowy – to pracownicy z Polski, ale i Hiszpanii, Nigerii, Indonezji, Niemiec, Grecji. A w ACTRIS, w tej bardzo dużej infrastrukturze badawczej jesteśmy postrzegani jako młoda ale bardzo aktywna grupa badawcza. Dlatego osoby z zewnątrz chcą do nas przyjść, chcą u nas robić badania i rozwijać się.

Zróżnicowana i pracowita kadra jest bardzo istotna, bo tak szeroko zakrojonych przedsięwzięć nie zrobi się w pojedynkę. Trzeba mieć charyzmę i determinację, bo gdy przyjechałam do Polski w 2008 r. zaczynałam od zera. Sama musiałam zbudować pierwszy lidar, bo nie było innej możliwości, a udało się to dzięki współpracy z Niemcami z Instytutu Troposfery w Lipsku i pierwszy lidar stacjonarny został zainstalowany w RS-Lab już 2013 r. Od tego czasu pojawiło się kilka innych lidarów, jak również innych urządzeń badawczych.

Rozmawiał Szymon Bujalski.

Dr hab. Iwona Stachlewska – jest profesorem uczelni na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, kieruje Zakładem Fizyki Atmosfery. Jest założycielem-liderem uznanego na świecie Remote Sensing Laboratory (RS-Lab) do którego przyjeżdżają w celu prowadzenia wspólnych badań naukowcy z Europy, Ameryki, Afryki i Azji. Specjalizuje się w badaniach aerozoli atmosferycznych z użyciem synergii aparatury naukowej w wielkich rozproszonych infrastrukturach badawczych. W maju 2022 została wybrana na prestiżową funkcję “Co-Chair of ACTRIS National Facility Technical and Scientific Forum”.