Wodór: efekty troposferyczne i stratosferyczne

Pośredni wpływ wodoru na ocieplenie klimatu jest znany już od ponad 20 lat (m.in.: Derwent i in., 2001; Derwent i in., 2020; Warwick i in., Raport “Atmospheric implications of increased Hydrogen use”, 2022). Okres życia wodoru w atmosferze wynosi kilka lat (4–7). Szacuje się, że po wydostaniu się do atmosfery około 70–80% wodoru jest usuwane przez gleby w wyniku pochłaniania przez bakterie glebowe, zaś pozostałe 20–30% jest utleniane w reakcji z naturalnie występującymi w powietrzu rodnikami hydroksylowymi (OH): 

H₂ + OH → H + H₂O. 

Ta reakcja prowadzi do wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych zarówno w troposferze, jak i stratosferze. Jak to się dzieje? Spójrzmy na Ilustrację 2. Po pierwsze, w troposferze reakcje wodoru z OH powodują, że koncentracja rodników spada (są „zużywane”). To z kolei wydłuża czas życia metanu, bowiem reakcje z rodnikami OH to główny sposób usuwania z atmosfery również tego gazu. Gdy rodników robi się mniej, takie reakcje zachodzą rzadziej. Ten mechanizm odpowiada za około połowę pośredniego wpływu wodoru na klimat (Paulot i in., 2021, Ocko i Hamburg, 2022). 

Dodatkowo, pojawienie się wodoru atomowego prowadzi do serii reakcji, które ostatecznie tworzą ozon troposferyczny. Ten dodatkowy gaz cieplarniany odpowiada za około 20% ocieplającego wpływu wodoru na klimat (Ocko i Hamburg, 2022). 

W stratosferze zaś reakcja wodoru z OH zwiększa ilość pary wodnej, która również jest gazem cieplarnianym i zwiększa zdolności stratosfery do emitowania promieniowania podczerwonego (o tym, jak sposób działania gazów cieplarnianych zależy od wysokości przeczytasz w tekście Mit: CO2 chłodzi atmosferę). To prowadzi do wychłodzenia stratosfery, a im jest ona chłodniejsza, tym słabiej promieniuje (patrz: Efekt cieplarniany – ABC) a na Ziemi i w atmosferze w sumie pozostaje więcej energii. Szacuje się, że ten efekt odpowiada za około 30% oddziaływania wodoru na klimat (Ocko i Hamburg, 2022). 

Opisany mechanizm jest pewnym uproszczeniem, jednak pełniejszy opis zjawisk wymaga specjalistycznej wiedzy i wprowadzenia matematycznych modeli interakcji wodoru z innymi składnikami atmosfery (Warwick i in., Raport “Atmospheric implications of increased Hydrogen use”, 2022).

Jak duży jest wpływ wodoru na klimat?

Wpływ danego gazu lub innej substancji na klimat można ocenić podając na przykład tzw. potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP, ang. global warming potential). Porównuje on ilość energii zatrzymywanej w systemie klimatycznym przez dany gaz lub substancję do energii zatrzymywanej przez taką samą masę dwutlenku węgla. Na przykład GWP = 10 oznacza, że dany gaz zatrzymuje 10 razy więcej energii niż dwutlenek węgla. Ważny jest też czas, dla którego określa się ten wskaźnik. Jeśli jakiś gaz jest szybko usuwany z atmosfery, to jego GWP może być niskie, nawet gdy każda cząsteczka pochłania znacznie więcej energii niż cząsteczka CO₂.

Z uwagi na to, że wpływ wodoru na bilans radiacyjny Ziemi jest pośredni, określenie jego GWP jest trudne i zależne od przyjętej metodologii. Jeden z najnowszych raportów na ten temat, opracowany przez naukowców z uznanych ośrodków naukowych: University of Cambridge, National Centre for Atmospheric Science i University of Reading, powstał na zamówienie władz Wielkiej Brytanii i został opublikowany w 2022 r.

Do przygotowania raportu wykorzystano niezwykle zaawansowany model systemu klimatycznego Ziemi UKESM1 (Sellar i in., 2020), który zawiera szczegółowy matematyczny opis zarówno troposferycznych, jak i stratosferycznych procesów chemicznych oraz „sprzęga” procesy chemiczne i radiacyjne od powierzchni Ziemi do szczytu modelu (85 km). Uwzględniono w nim łącznie 291 reakcji (w tym: termicznych i fotolitycznych) zachodzących wśród 81 substancji, znajdujących się w atmosferze, przy różnych założeniach dotyczących wycieków wodoru (1–10%). 

W efekcie uzyskano dla wodoru GWP-20 = 33 (20–44), zaś GWP-100 = 11±5, przy czym liczby po myślnikach oznaczają horyzont czasowy, dla którego wyznaczono GWP. Wartość 11, uzyskana dla horyzontu 100 lat okazuje się być około dwukrotnie wyższa niż wcześniejsze szacunki z 2020 r. Na Ilustracji 5 przedstawiono skumulowane wymuszenie radiacyjne wodoru, opublikowane w innej pracy.

Skąd się bierze wodór?

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie, jednak w atmosferze Ziemi jego koncentracja jest niewielka i wynosi około 550 ppb (ang. parts per billion, cząsteczek na miliard), bowiem emisje tego gazu w wyniku procesów naturalnych są na niskim poziomie. 

Naturalne źródła wodoru

Główne naturalne źródła wodoru w atmosferze to: 

• utlenianie fotochemiczne metanu i innych prostych związków węgla, zwanych ogólnie lotnymi związkami organicznymi (ang. volatile organic compounds), 
• spalanie biomasy,
• oraz emisje towarzyszące wiązaniu azotu przez mikroorganizmy (bakterie). 

Oprócz tych zjawisk zaobserwowano kilka procesów geologicznych, które wpływają na koncentrację H₂ w atmosferze. Na przykład, w reakcji Na przykład, w reakcji wody morskiej lub deszczowej ze skałami (diageneza), zawierającymi żelazo Fe²⁺ (dwuwartościowe) powstają związki trójwartościowe, zawierające Fe³⁺, a przy tej okazji także cząsteczki H₂ . Inny mechanizm to radioliza, czyli rozkład wody na wodór i tlen w wyniku naturalnej radioaktywności skorupy ziemskiej. Wodór jest także uwalniany z magmy w czasie aktywności wulkanicznej, a nawet podczas reakcji wody z pękającymi skałami krzemianowymi. Istnieje także pierwotny wodór uwięziony wewnątrz Ziemi, pochodzący z czasu, gdy tworzyła się planeta. Te oraz inne szczegółowe dane i procesy są podsumowane np. w pracach Ehhalt i Rohrer, 2008; Klein i in., 2020; Zgonnik, 2020.

Wodór produkowany przez człowieka

Antropogeniczne (związane z działalnością człowieka) emisje wodoru są obecnie głównie wynikiem wydobycia, przetwarzania i spalania paliw kopalnych. Jednak im szerzej będziemy korzystać z wodoru jako nośnika energii, tym znaczenie innych źródeł może rosnąć.

Wodór może być produkowany wieloma metodami, które różnią się m.in. oddziaływaniem na klimat i środowisko. Powstały gaz można zgrubnie przyporządkować do czterech klas:

1. wodór „szary” – produkowany z gazu ziemnego; co jest obecnie najbardziej powszechną metodą, skutkującą dużymi emisjami CO₂ do atmosfery. 
2. wodór „zielony” – pozyskiwany w sposób, który nie powoduje emisji gazów cieplarnianych, np. poprzez elektrolizę; wymaga dużej ilości energii, przez co jest kosztowny, a obecnie ma niską efektywność. 
3. wodór „niebieski” – pozyskiwany podobnie jak wodór „szary”, ale bez emisji gazów cieplarnianych, np. dzięki wychwytywaniu i magazynowaniu powstałego CO₂; wymaga dużej ilości energii, nie likwiduje innych wad produkcji z paliw kopalnych (np. zniszczenia środowiska), jest kosztowny.
4. wodór „złoty” (lub „naturalny”) – wydobywany z pokładów geologicznych; hipotetycznie najbardziej neutralny dla środowiska i klimatu; obecnie jeszcze nie stosowany na skalę przemysłową.

Powyższy podział nie jest jedyny. Czasami pojawiają się inne umowne kolory wodoru, np. „biały” (elektroliza z użyciem energii elektrycznej z dowolnego źródła, w odróżnieniu od zielonego, gdzie energia elektryczna pochodzi ze źródeł odnawialnych lub niskoemisyjnych), a także „brązowy” (powstający ze zgazowania węgla) (Hunt i in., 2022). 

Kolor zielony może także ogólnie oznaczać energię pochodzącą ze źródeł tzw. odnawialnych. Z kolei, wodór wytwarzany dzięki energii z elektrowni atomowych bywa klasyfikowany jako „różowy”, przy czym Komisja Europejska proponuje włączenie go do kategorii „zielonej” (Dyrektywa PE i RE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych, 2018–2022). Można także spotkać się z pojęciem „żółtego” wodoru, produkowanego z energii słonecznej. 

Wodór jako magazyn energii

Warto zwrócić uwagę, że wodór może być wykorzystany do magazynowania nadwyżki energii elektrycznej, która często powstaje podczas działania np. elektrowni słonecznych lub wiatrowych. Nadwyżkę tę można zużyć na produkcję gazu, a później, w okresach mniejszego nasłonecznienia lub słabszego wiatru, można utlenić/spalić wodór w odpowiedni sposób (np. w ogniwach paliwowych lub silnikach) i wytworzoną energię elektryczną ponownie wprowadzić do sieci. Na razie jest to jednak tylko koncepcja z uwagi na relatywnie niewielkie nadwyżki energii z OZE w stosunku do potrzeb i brak w związku z tym instalacji o skali przemysłowej. Dodatkowo, z uwagi na niską sprawność całego procesu zamiany energii elektrycznej na wodór i z powrotem, prawdopodobnie będzie to rozwiązanie niszowe, stosowane w tych obszarach gospodarki, gdzie nie ma lepszej alternatywy, np. w procesach przemysłowych wymagających wysokich temperatur.

Obecnie problemem przy produkcji wodoru za pomocą elektrolizy jest też konieczność wykorzystania bardzo czystej wody, której pozyskanie także wymaga energii, co zmniejsza sprawność i w rezultacie opłacalność tej technologii.

Kiedy wodór wycieka

Wodór powinien być wykorzystywany w gospodarce obiegu zamkniętego, czyli takiej, w której nie powstają żadne odpady, a wszystkie zużyte materiały i substancje są na nowo przetwarzane. To jednak w praktyce nie jest możliwe w 100% i nie można uniknąć dodatkowych wycieków wodoru na każdym etapie wykorzystania, głównie z uwagi na to, że jest najmniejszą cząsteczką, która łatwo przenika przez większość materiałów. Wodór może wyciekać m.in.: z elektrolizerów, sprężarek, skraplaczy, zbiorników magazynowych, magazynów geologicznych, rurociągów, samochodów-cystern, pociągów, statków i stacji paliw.

Ponadto część wodoru jest celowo uwalniana do atmosfery z tych systemów, np. podczas czyszczenia instalacji (Cooper i in., 2022; Frazer-Nash Consultancy, 2022). Dodatkowo, podczas produkcji wodoru „niebieskiego”, następuje także emisja „gotowych” gazów cieplarnianych (głównie CH₄ i CO₂) (Howarth i Jacobson, 2021). 

W raporcie Frazer-Nash Consultancy, opracowanym na zlecenie władz Wielkiej Brytanii, ocenia się, że największe wycieki H₂ mają miejsce podczas transportu ciekłego wodoru tankowcami (13,2% ładunku), kolejne w trakcie magazynowania sprężonego gazu (6,52%), dalej zaś z ogniw paliwowych (2,64%) oraz stacji paliw (0,89%). W przypadku wszystkich innych rodzajów produkcji, transportu, przechowywania i zastosowań wodoru wycieki powinny być mniejsze niż 0,53%.

Wycieki wodoru to utrudnienie na drodze do obniżenia wpływu gospodarki na klimat, jednak dokładne ustalenie ilości wycieków i ich znaczenia dla ocieplenie jest sporym wyzwaniem. Po pierwsze, nie ma pewności, ile wodoru zostanie ostatecznie wyemitowane z instalacji. Całkowita ilość emisji nawet w obecnych systemach jest nieznana, szczególnie w przypadku mniejszych wycieków, które łatwo przeoczyć i dokładnie zmierzyć (Mejia, 2020). Po drugie, infrastruktura wodorowa nie została jeszcze praktycznie opracowana i zbudowana, zaś budowa kolejnych rurociągów (w tym nawet pompowanie wodoru do domów mieszkalnych jest nadal w planach.

Podsumowanie

Wykorzystanie wodoru jako źródła lub nośnika energii jest ważnym elementem ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, pochodzących z paliw kopalnych (Azevedo i in., 2021). Jest to jeden ze sposobów transformacji najbardziej emisyjnych sektorów gospodarki: energetyki, transportu, przemysłu ciężkiego (6. Raport IPCC – Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change). Jeżeli wodór będzie produkowany w sposób czysty, przyniesie to znaczną korzyść dla klimatu, nie tylko ze względu na redukcję emisji dwutlenku węgla i metanu, dwóch głównych gazów cieplarnianych, ale również ze względu na możliwość redukcji innych emisji, w tym tlenku węgla, lotnych związków organicznych i tlenków azotu, co dodatkowo poprawi jakość powietrza i zdrowie. 

Według danych Międzynarodowej Agencji Energii moce instalowanych elektrolizerów osiągnęły blisko 8 GW rocznie, zaś a realizacja wszystkich planowanych projektów prowadzi do uzyskania sumarycznej zainstalowanej mocy 134–240 GW do 2030 r. (IEA, Hydrogen. Energy system overview, 2022) To jest dobra informacja, bo jeszcze w 2021 r. jedynie 1% wodoru było produkowane z użyciem technologii niskoemisyjnych.

Zarówno szacunki IPCC udziału wodoru w produkcji energii (IPCC, Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change), jak i dane IEA świadczą o tym, że w perspektywie 2050 r. wykorzystanie wodoru jest w stanie zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych o co najmniej kilka procent (IEA, Hydrogen. Energy system overview, 2022), jednak czy to się uda, to zależy od przebiegu wypadków i wielu kolejnych decyzji. 

Potencjalne wycieki wodoru do atmosfery mogą jednak mieć duży wpływ na jej skład, co może częściowo zniwelować korzyści z przejścia na gospodarkę wodorową, choć na szczęście nie całkowicie.

Jacek Pniewski, konsultacja merytoryczna: dr inż. Paweł Gajda, dr Aleksandra Kardaś

The post Wodór i gospodarka wodorowa a klimat  appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Satelity geofizyczne rejestrują obraz powierzchni Ziemi w ujęciu globalnym, w różnych zakresach widmowych, czyli korzystając z promieniowania o różnych długościach fali – oprócz światła widzialnego także w nadfiolecie, podczerwieni czy mikrofalach. Współcześnie mogą monitorować m.in. pokrywę śniegu, grubość optyczną aerozoli, wegetację, temperaturę powierzchni Ziemi, a nawet pożary (zobacz np. Global Maps/NASA). Jedną z zalet obserwacji satelitarnych jest możliwość regularnego, przez wiele lat (a wziąwszy pod uwagę kolejne generacje satelitów nawet przez dziesiątki lat) wykonywania zdjęć tego samego obszaru o dużej powierzchni. Dzięki temu można dostrzec zarówno trendy wieloletnie, jak i wydarzenia nagłe (zobacz np. Satelity na tropie niezadeklarowanych emisji metanu, Erupcja Hunga Tonga – atmosferyczne tsunami).

Cofające się lodowce

Bardzo wyraźną oznaką antropogenicznej zmiany klimatu jest zmiana zasięgu lodowców. Praktycznie na całym świecie lodowce górskie topnieją. Przykładowo, chilijski lodowiec o technicznej nazwie HPS-12 (Hielo Patagónico Sur 12), znajdujący się w południowej części chilijskich Andów, cofnął się o prawie 13 kilometrów w latach 1985–2018 i stracił więcej niż 30 metrów grubości na końcowym 4-kilometrowym odcinku języka. Porównanie obrazów lodowca, uzyskanych przez satelity Landsat, można zobaczyć w serwisie Earth Obserwatory NASA. Podobny los spotyka także archipelag Svalbard. Globalnie proces topnienia lodowców wywołany antropogeniczną zmianą klimatu powoduje uwolnienie 400 miliardów ton słodkiej wody do oceanów, podnosząc poziom morza (zobacz też Lodowce górskie arktycznej Europy zmierzają ku wyginięciu, ale niektóre mają inne plany, Znikające lodowce tropikalne – dlaczego ich żałujemy?, Jakub Małecki: W Alpach możemy nie mieć lodu za kilkadziesiąt lat). 

NASA nie jest jedyną instytucją monitorującą wpływ zmiany klimatu na los lodowców. To ważne zadanie jest wykonywane także przez: World Glacier Monitoring Service (WGMS), działający pod auspicjami m.in. ONZ, oraz Projekt ‘Glaciers’ w ramach Climate Office Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA, Glaciers CCI). Warto odnotować także inne, mniej prestiżowe organizacje, jak np. Global Glacier Initiative, której celem jest fotografowanie z pokładu małego samolotu lodowców w regresji „zanim zanikną”.

Powierzchniowe topnienie lodowców i lądolodów

Satelity pomagają nie tylko w śledzeniu skracania się lodowcowych jęzorów, wynikającego z rozgrzewania się terenów lub akwenów, do których sięgają. Zdjęcia satelitarne ułatwiają też monitoring powierzchniowego topnienia lodowców i lądolodów w sezonie letnim. W tym czasie na powierzchni niektórych lodowców temperatury są wystarczająco wysokie, by pojawiała się na nich warstwa wytopionej wody, czasami tworząca nawet całe jeziorka i strumienie. To zjawisko ma spory udział w bardzo szybkiej utracie masy przez Grenlandię (aktualnie tracącej w ciągu roku blisko dwa razy więcej lodu niż Antarktyda). Zasięg powierzchniowego topnienia na Grenlandii można śledzić dzień po dniu dzięki serwisowi Greenland Today National Snow and Ice Data Center.

Lód morski

Dzięki satelitom (choć nie tylko) wiemy, że drastycznie zmniejsza się powierzchnia lodu morskiego. We wrześniu, gdy powierzchnia lodu osiąga minimum, obserwuje się zasięg lodu na poziomie 40% obserwowanego jeszcze w latach 80. Dane na ten temat mamy praktycznie od lat 60. XX wieku, kiedy na orbicie okołoziemskiej rozpoczęto umieszczanie satelitów projektu Defense Meteorological Satellite Program (DMSP, NOAA) rejestrujących obraz Ziemi w zakresie mikrofalowym, pierwotnie dla celów wojskowych – informacji na temat warunków pogodowych dla wojska. Dzięki opracowanemu wskaźnikowi Sea Ice Index, mamy niezwykłą możliwość precyzyjnego prześledzenia zmiany zasięgu lodu morskiego w Arktyce od ponad 40 lat. Zajmuje się tym m.in. National Snow and Ice Data Center (NSIDC) na Uniwersytecie Colorado Boulder (USA). Dzięki pomiarom wiemy że średni lipcowy zasięg lodu morskiego w Arktyce zmniejszał się o około 7,2% na dekadę (Ilustracja 6).

Szerokie omówienia zagadnień, związanych z lodem arktycznym znajdziecie też na polskojęzycznym blogu Arktyczny Lód.

Pożary i ich zasięg

W wyniku zmiany klimatu, a w szczególności zmiany struktury opadów i coraz poważniejszych suszy, wzrasta ryzyko pożarów. Pojawiają się już teraz niemal co roku w USA, Kanadzie, Australii czy na Syberii, pustosząc ogromne połacie lądu i powodując duże emisje gazów cieplarnianych do atmosfery. Dzięki temu, że satelity okrążają Ziemię nawet kilka razy w ciągu doby, możliwy jest codzienny monitoring pożarów, a także dokumentacja zmian w wyniku spalenia terenu. NASA udostępnia serwis Fire Information for Resource Management System, który zawiera m.in. globalną mapę pożarów, aktualizowaną codziennie (choć możliwe są częstsze aktualizacje). Mapa powstaje na bazie danych z sensorów: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), znajdującego się na pokładzie satelity AQUA (NASA) oraz Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), umieszczonego w satelitach Suomi NPP and NOAA-20. Zobacz też animowaną mapę pokazującą pożary zarejestrowane z użyciem satelitów od marca 2000 r. do dziś, dostępną na stronie NASA’s Earth Observatory.

Dzięki obserwacjom satelitarnym udało się także opracować metodę oceny jak bardzo będzie intensywny pożar w różnych obszarach leśnych. Wykorzystując zdjęcia satelitarne wykonywane z użyciem promieniowania o różnych długościach fali (światła widzialnego i podczerwieni), można zbadać stan roślinności na wybranym obszarze. Na ich podstawie oblicza się tak zwane wskaźniki wegetacji, które pozwalają oszacować stres wodny u roślin w okresach poprzedzających pożary. Odpowiedniego zestawu danych dostarcza m.in. sensor ECOSTRESS, znajdujący się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. 

Zagrożone ekosystemy

Dzięki podobnym badaniom można identyfikować także konkretne ekosystemy i ich zasięg oraz dokumentować to, jak odbijają się na nich rozmaite zjawiska nasilane przez zmianę klimatu – susze, coraz bardziej niszczycielskie cyklony tropikalne czy upały i zakwaszanie oceanu.

Takimi wrażliwymi ekosystemami są między innymi lasy namorzynowe, porastające słone mokradła na wybrzeżach oceanu w strefie międzyzwrotnikowej. To niezwykle cenne formacje roślinne, chroniące mieszkańców wybrzeży przed sztormami i magazynujące duże ilości węgla. Z ich niszczeniem – podobnie jak w przypadku innych mokradeł – mogą się łączyć duże emisje metanu (czytaj więcej w NASA’s Earth Observatory). Dane z satelitów Landsat zostały ostatnio wykorzystane do globalnego podsumowania zmian w zasięgu przybrzeżnych mokradeł (związanych ze zmianą klimatu ale też z regulacją rzek czy przekształcaniem na ziemię uprawną) od lat dziewięćdziesiątych do dziś Murray i in. (2022). 

Obecnie pracuje się także nad metodami wykorzystania satelitów do regularnego śledzenia stanu tropikalnych raf koralowych. Te malownicze ekosystemy są coraz częściej narażone na epizody blaknięcia. Są one powodowane przede wszystkim rosnącymi temperaturami oceanu. Gdy temperatura robi się dla koralowców za wysoka, zaczynają oszczędzać swoje zasoby i przestają utrzymywać kolorowe glony, które normalnie pokrywają ich powierzchnię. Tym samym tracą kolor ale też dostęp do substancji odżywczych produkowanych przez glony w procesie fotosyntezy i umierają. Wielkoobszarowe wyblaknięcie rafy koralowej jest całkiem dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych, jednak wyzwaniem jest wiarygodne przetłumaczenie tego co widać na liczby. Zwłaszcza, że zmianę jasności rafy na zdjęciu mogą spowodować także zmiany w kolorze wody i tego, co w niej ewentualnie pływa (tak jak to było w przypadku jezior na Ilustracji 3).

Zdjęcia i nie tylko

Jak widać, satelity to doskonałe narzędzia, które pomagają nam dokumentować zmiany zachodzące na Ziemi. W niniejszym artykule przedstawiliśmy tylko kilka przykładów ich możliwości i w dodatku ograniczyliśmy się do przyrządów wykonujących coś, co można w uproszczeniu określić mianem “zdjęć”. Tymczasem satelity badawcze często wyposażone są nie tylko w urządzenia przypominające skomplikowane aparaty fotograficzne – rejestrujące docierające do nich ze strony Ziemi światło i fale o innych długościach. Mogą przenosić także satelitarne lidary, radary lub pomysłowe instrumenty badające lokalne zmiany grawitacji (używane np. do sprawdzania zmian masy lądolodów). 

Jeśli chcecie poczytać więcej na ten temat i zobaczyć więcej przykładów zmian na Ziemi, zachęcamy do eksploracji np. z tagiem ‘World of Change’ stron znanych instytucji naukowych, centrów akademickich oraz czasopism naukowych (np. NASA: World of change, Nature: Emerging signals of declining forest resilience under climate change), a także niektórych materiałów prasowych (np. Landsat turns 50: How satellites revolutionized the way we see – and protect – the natural world, How next-gen satellites are transforming our view of climate change, .

Jacek Pniewski, Aleksandra Kardaś

The post Landsat i nie tylko – zmiana klimatu na zdjęciach satelitarnych appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

STANOWISKO NAUKI

Ziemia jest otoczona polem magnetycznym. Chroni nas ono m.in. przed erozją atmosfery wskutek oddziaływania wiatru słonecznego,  cząstkami z wyrzutów plazmy w koronie słonecznej, a także przed promieniowaniem kosmicznym. Nie ma jednak znaczenia dla ilości promieniowania elektromagnetycznego docierającego do Ziemi ze Słońca oraz elektromagnetycznego promieniowania ziemskiego skierowanego w przestrzeń kosmiczną. A to od tych dwóch czynników zależy średnia temperatura powierzchni Ziemi.

Nie ma wątpliwości, że główną przyczyną obecnej zmiany klimatu jest wzrost koncentracji gazów cieplarnianych.

Magnetosfera i jej zmiany

Ziemia jest otoczona polem magnetycznym, zwanym magnetosferą, generowanym przez dynamiczne siły wewnątrz naszej planety. Magnetosfera Ziemi chroni nas m.in. przed erozją atmosfery z powodu wiatru słonecznego, bombardowaniem przez cząstki z wyrzutów plazmy w koronie słonecznej, a także przed promieniowaniem kosmicznym. Można powiedzieć, że pełni rolę strażnika, niedopuszczającego do powierzchni Ziemi mknących przez kosmos naładowanych cząstek szkodliwych dla życia.

Pole magnetyczne Ziemi jest wywoływane przez wirowe prądy elektryczne powstające w płynnym jądrze obracającej się Ziemi (tzw. geodynamo). Pole to jest w naturalny sposób zmienne w różnych skalach czasowych (zob. ziemskie pole magnetyczne), a także oddziałuje z wszechobecnym w kosmosie strumieniem cząstek, w tym z wiatrem słonecznym. W skomplikowanym układzie prądów konwekcyjnych i elektrycznych w jądrze Ziemi istnieją dość stabilne konfiguracje (np. bieguny północny–południowy), które jednak fluktuują i możliwy jest przeskok pomiędzy nimi. To powoduje, że położenie biegunów magnetycznych Ziemi stopniowo przesuwa się, a nawet całkowicie odwraca (inwersja biegunów) co około 300 tys. lat. Kształt pola magnetycznego można obejrzeć np. na stronie internetowej NASA Scientific Visualization Studio. 

Geograficzne położenie biegunów magnetycznych zmienia się cały czas. Od początku rejestracji w 1831 r. szybkość „przemieszczania się” biegunów wzrosła z około 16 km do około 55 km rocznie, co powoduje konieczność stałej aktualizacji systemów nawigacyjnych. Wizualizację zmian z ostatnich 50 lat można obejrzeć na stronie internetowej NCEI NOAA. Można wyróżnić trzy typy zmian: przesunięcie, zamianę położenia północ-południe oraz tzw. wycieczki geomagnetyczne (ang. geomagnetic excursions). Zamiana położenia biegunów magnetycznych (inwersja, przebiegunowanie) nie jest niczym nowym w historii Ziemi. Zapisy paleomagnetyczne świadczą o tym, że bieguny magnetyczne Ziemi w ciągu ostatnich 83 milionów lat odwróciły się 183 razy, a w ciągu ostatnich 160 milionów lat kilkaset razy.

Odstępy czasowe między inwersjami ulegały znacznym wahaniom: średnio było to około 300 tys. lat, a ostatnie miało miejsce ok. 780 tys. lat temu. Podczas przebiegunowania następowało wyraźne osłabienie (choć nie zupełne zniknięcie) pola magnetycznego. Wycieczki geomagnetyczne to z kolei znaczne zmiany natężenia i kierunku pola magnetycznego Ziemi, występujące w krótkiej skali czasu, z powrotem do punktu wyjścia.

Na magnetosferę mają wpływ także koronalne wyrzuty masy (ang. coronal mass ejection, CME), a właściwie plazmy (materii zjonizowanej) z korony słonecznej. Są obserwowane przez naukowców i rejestrowane współcześnie przez aparaturę pomiarową. Ich energia i zasięg powodują zaburzenia magnetosfery, manifestujące się m.in. zorzami polarnymi. Samo zjawisko i jego skutki są widowiskowe, a czasami bezpośrednio odczuwalne na Ziemi – w 1989 r. burza słoneczna spowodowała ogromną awarię zasilania w kanadyjskiej prowincji Quebec.  

Przebiegunowanie a globalne ocieplenie

W debacie publicznej kilka lat temu pojawiły się głosy, że to zmiany ziemskiego pola magnetycznego mogą być czynnikiem decydującym o klimacie, w szczególności zaś przyczyną trwającego współcześnie globalnego ocieplenia. 

Publikacja (Vares i Persinger, 2015), wymieniona w treści mitu, będąca źródłem fałszywego przekonania o istotności przebiegunowania dla klimatu Ziemi, jest niezgodna ze współczesnym stanem wiedzy na ten temat. Została opublikowana w czasopiśmie International Journal of Geosciences. Czasopismo to jest wydawane przez Scientific Research Publishing (SCIRP), które znajduje się na listach tzw. drapieżnych wydawnictw (ang. „predatory journals”, patrz Predatory Journals List, Beall’s List of Potential Predatory Journals and Publishers), nie dających gwarancji rzetelnych recenzji i publikujących często artykuły wątpliwej jakości. Autorzy z Laurentian University w Kanadzie nie prowadzą badań naukowych w szeroko pojętej nauce o klimacie. D. A. E. Vares zajmuje się biologią molekularną i neuronauką, zaś zmarły w 2018 r. M. A. Persinger był psychologiem, zainteresowanym UFO oraz parapsychologią (źródło).

Z punktu widzenia praw fizyki oddziaływanie zmian pola magnetycznego na klimat jest niewielkie w porównaniu z wpływem współczesnej działalności człowieka. Powietrze atmosferyczne nie ma własności magnetycznych, poza marginalnymi ilościami żelaza, zawartymi w emitowanych pyłach wulkanicznych. Burze słoneczne i ich własności elektromagnetyczne wpływają tylko na jonosferę Ziemi, która rozciąga się od najniższej krawędzi mezosfery (ok. 50 kilometrów nad powierzchnią Ziemi) do przestrzeni kosmicznej, ok. 1000 km nad powierzchnią Ziemi. Nie mają więc istotnego wpływu na troposferę Ziemi ani dolną stratosferę, gdzie kształtuje się pogoda na powierzchni Ziemi. Co zaś jeszcze istotniejsze, nie mają istotnego wpływu na bilans energetyczny Ziemi i akumulację energii w systemie klimatycznym: ocenia się, że pole magnetyczne może odpowiadać za zaburzenia w bilansie energii planety sięgające maksymalnie kilku miliwatów na metr kwadratowy, podczas gdy całkowite wymuszenie radiacyjne wywołane przez antropogeniczne gazy cieplarniane wynosi ok. 3 W/m² (źródło: AR6 IPCC). 

Magnetosfera i klimat w odległej przeszłości 

Sceptycy mogą się także odwoływać do jednego z nowszych artykułów naukowych (Cooper i in., 2021), gdzie wskazano, że osłabienie pola magnetycznego w okresie tzw. wycieczki Laschampa, która miała miejsce ok. 42 tys. lat temu mogło być przyczyną istotnej zmiany klimatu. Badania zostały oparte w głównym stopniu na analizie drzew – agatisów nowozelandzkich – pod kątem zawartości węgla ¹⁴C oraz częstotliwości występowania malunków naskalnych w jaskiniach. Jednak już w tym samym numerze czasopisma opublikowano krytykę tego artykułu (Voosen, 2021), zawierającą poważne wątpliwości dot. metodologii i wniosków publikacji. 

Wpływ zmian magnetosfery w przeszłości, także w czasach, kiedy na Ziemi nie było jeszcze ludzi, jest badany od kilku dekad. Mimo znalezienia wielu ciekawych korelacji pomiędzy natężeniem pola magnetycznego Ziemi w wybranych miejscach a różnymi zjawiskami klimatycznymi (Courtillot, 2007 oraz artykuły cytujące), głównym wnioskiem z tych badań jest, że głównym czynnikiem kształtującym klimat Ziemi jest bilans energetyczny związany z promieniowaniem słonecznym (patrz także Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (7): Bilans energetyczny Ziemi). 

Przykład analizy porównującej okresy intensywnych przemian społecznych w Mezopotamii ze zmianami pola magnetycznego możecie zobaczyć na Ilustracji 4. Jakkolwiek korelacje są ciekawe dla badaczy, to jednak – jak sami autorzy wskazują – nadal nie świadczą o związku przyczynowo-skutkowym.

Podsumowując, chociaż od czasu do czasu pojawiają się artykuły naukowe zawierających spekulacje na temat ocieplenia wywołanego zmianami w magnetosferze, to jednak stanowisko nauki opartej o wyniki pomiarów nie zmienia się: głównym czynnikiem trwającej zmiany klimatu jest działalność człowieka, w szczególności zaś nadmierna emisja gazów cieplarnianych (AR6 IPCC).

Jacek Pniewski, zainspirowany A. Buis, „Flip Flop: Why Variations in Earth’s Magnetic Field Aren’t Causing Today’s Climate Change”, JPL NASA.

The post Mit: To zmiany pola magnetycznego Ziemi i nadchodzące przebiegunowanie są przyczyną współczesnej zmiany klimatu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.

Metan jest drugim, pod względem wpływu na klimat, istotnym gazem cieplarnianym (więcej na temat przeczytasz np. w artykule „Metan w środowisku” na naszym portalu). Jego ilość w atmosferze stale wzrasta (patrz „Coraz więcej gazów cieplarnianych w atmosferze”), co zagraża realizacji celów klimatycznych przyjętych przez państwa świata w Porozumieniu paryskim. W trakcie spotkania COP26 w Glasgow w 2021 r., po publikacji raportu Global Methane Assessment (CCAC/UNEP), ponad 100 krajów podpisało porozumienie Global Methane Pledge. Sygnatariusze zobowiązali się do ograniczenia emisji metanu o 30% do 2030 r. w odniesieniu do 2020 r. Niestety, porozumienia nie podpisały Chiny, Indie i Rosja, czyli duzi emitenci metanu, aczkolwiek Chiny złożyły inną wspólną deklarację wraz z USA. Realizacja Global Methane Pledge może zmniejszyć przewidywane do 2050 r. globalne ocieplenie o 0,28°C. Ponadto, jak wskazano w Global Methane Assessment, realna byłaby także większa redukcja emisji: o 45% w ciągu dekady.

Emisje metanu w poszczególnych krajach znamy głównie z obowiązkowych deklaracji, dotyczących wybranych gałęzi przemysłu oraz oszacowań, bazujących na znajomości procesów, w których metan jest emitowany (więcej znajdziesz np. w artykule “The Global Methane Budget 2000–2017”). Istniejące bazy gromadzące dane o emisjach nie pozwalają na ustalenie z dużą dokładnością, gdzie występują emisje i w jakich ilościach. Metan wydobywa się m.in. z gazociągów, szybów naftowych, kopalni, zakładów przetwórstwa paliw kopalnych, czy składowisk odpadów. Wycieki mogą następować przez zaniedbanie lub w wyniku celowego działania, co sprawia, że przynajmniej część z nich jest ukrywana. W związku z tym konieczna jest weryfikacja i śledzenie wycieków na całym świecie. Warto tu wspomnieć, że ONZ powołało Międzynarodowe Obserwatorium Emisji Metanu, działające w ramach Programu Środowiskowego (UNEP). Jego zadaniem jest wiarygodne określenie wszelkich emisji tego gazu. 

Jak znaleźć emitentów metanu

Obecnie, weryfikację emisji metanu można prowadzić użyciem satelitów, co ma tę zaletę, że informacje pozyskuje się szybko i globalnie. Na orbitach okołoziemskich funkcjonuje już kilka satelitów lub ich sieci, a część jest w fazie przygotowania, m.in.:

• GHGSat – satelity firmy prywatnej, oferującej dane dla sektorów: wydobycia ropy, gazu i węgla, gospodarki odpadami, a także dla instytucji finansowych i publicznych, od 2016 r.
• Copernicus Sentinel-5 Precursor – satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej i Komisji Europejskiej, od 2017 r.
• GOSAT/GOSAT-2 – satelity Japan Aerospace Exploration Agency, od 2018 r. 
• MethaneSAT – satelita finansowany przez amerykańską organizację pozarządową  Environmental Defense Fund oraz Nowozelandzką Agencję Kosmiczną, planowane wystrzelenie w 2022 r.
• GeoCarb – satelita geostacjonarny, wspólna inicjatywa m.in. NASA i University of Oklahoma, planowane wystrzelenie w 2023 r.
• Carbon Mapper – publiczno-prywatny projekt NASA/Jet Propulsion Laboratory, planowany

Satelity różnią się między sobą parametrami sensorów, m.in. rejestrowanymi zakresami długości fali elektromagnetycznej, rozdzielczością, zarówno przestrzenną, jak i widmową (szerokością wspomnianych przedziałów długości fal), szybkością lotu itp. Koncentracja metanu nie jest mierzona w sposób bezpośredni, lecz uzyskiwana w wyniku analizy i interpretacji natężenia światła w różnych zakresach widmowych, zwykle dla całej kolumny powietrza, od powierzchni Ziemi do szczytu atmosfery.       

Uzyskanie precyzyjnej informacji o lokalizacji punktu emisji jest sporym wyzwaniem. Przykładowo, detektor TROPOMI, umieszczony na satelicie Sentinel-5P, ma nominalną rozdzielczość 7 x 7 kilometrów i na podstawie zbieranych przez niego danych można tylko orientacyjnie ustalić globalne „hotspoty” emisji. Aby uzyskać precyzyjne lokalizacje źródeł, firma GHGSat, łączy te informacje z własnymi danymi (zbieranymi z użyciem instrumentów o większej rozdzielczości, przyrządów montowanych w samolotach i in.) oraz analizami stanu atmosfery.      

Inna wykorzystana metoda to połączenie danych z dwóch misji: Copernicus Sentinel-5P i Sentinel-2, oraz zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji. Dzięki temu specjaliści z firmy Kayrros wykryli 13 zdarzeń emisji metanu (do 164 ton na godzinę) w latach 2019–2020 wzdłuż rurociągu Jamał-Europa, biegnącego przez Rosję, Białoruś, Polskę i Niemcy, na dystansie 4196 km. Co ciekawe, liczba zdarzeń-emisji na terenie Rosji, wykrytych przez Kayrros, wzrosła o 40% w 2020 r. w porównaniu z 2019 r., mimo że pandemia COVID-19 spowodowała zmniejszenie eksportu rosyjskiego gazu do Europy o około 14%, według Międzynarodowej Agencji Energetycznej IEA.

Na ilustracji 2 możecie zobaczyć emisję metanu z wysypiska śmieci w pobliżu centrum Madrytu w Hiszpanii, na ilustracji 3 emisję z kopalni węgla w prowincji Shanxi w Chinach, zaś na ilustracji 4 emisję w wyniku wycieku z gazociągu w Kazachstanie.

Niedoszacowane emisje metanu

Analiza danych satelitarnych wskazuje, że emisje metanu są niedoszacowane i że problem dotyczy praktycznie całego świata. Na przykład, w Turkmenistanie na polach wydobywczych wykazano szereg wycieków, którym można było zapobiec (choćby przez wypalenie, w wyniku którego do atmosfery zamiast metanu trafi mniej szkodliwy dwutlenek węgla), czego jednak nie wykonano. W niektórych punktach wyciekają dziesiątki ton metanu na godzinę. W USA, z kolei, wykryto wycieki z opuszczonych odkrywek gazowych w Pensylwanii i wskazano dziesiątki innych wycieków z funkcjonujących szybów gazowych. Wszystko wskazuje na to, że problem jest bardzo istotny, szczególnie w kontekście odchodzenia od energetyki węglowej na rzecz spalania gazu, jako rzekomo mniej emisyjnego medium energetycznego, stanowiącego paliwo przejściowe na drodze do źródeł niskoemisyjnych. 

Według Yasjka Meijera, naukowca pracującego w ramach projektu Carbon Dioxide Monitoring mission (CO2M):

Wielu producentów ropy i gazu twierdzi, że ich średni wyciek wynosi około 1%. Okazuje się, że to znacznie więcej. Spalanie gazu w elektrowni przewyższa węgiel pod względem śladu węglowego tylko wtedy, gdy wyciek nie przekracza około 4%. Biorąc pod uwagę obecne liczby, faktycznie mamy wątpliwości, ponieważ może to być może 6% lub 12%, a wtedy globalny wpływ na klimat byłby znacznie większy.

Nie tylko przemysł paliw kopalnych ma swoje tajemnice. Ilse Aben, naukowiec z Netherlands Institute for Space Research, powiedział:

Zanim zobaczyliśmy pierwszy, nigdy nie sądziłem, że będziemy w stanie zobaczyć z kosmosu emisje ze składowisk odpadów. To z pewnością wywołało efekt ‘wow’, kiedy zobaczyliśmy to po raz pierwszy. A teraz wykryliśmy ich już całkiem sporo. 

Monitorowanie emisji gazów cieplarnianych z satelitów jest wciąż na wczesnym etapie, jednakże przemysł kosmiczny jest gotowy, aby poprawić technologię i zrobić kolejny krok, skutecznie pilnując emitentów z kosmosu. Ta możliwość będzie miała kluczowe znaczenie, aby świat był na dobrej drodze do osiągnięcia celów redukcji emisji gazów cieplarnianych i utrzymania globalnego ocieplenia w pobliżu limitu 1,5°C, określonego w Porozumieniu paryskim wynegocjowanym w 2015 r. Obecnie kraje samodzielnie zgłaszają swoje emisje na podstawie ilości paliw kopalnych spalanych w różnych sektorach ich gospodarki. Jednak kraje często publikują te liczby z pięcioletnim opóźnieniem, a eksperci kwestionują ich dokładność.

Niemniej jednak, trzeba walczyć o ograniczenie emisji metanu, albowiem to osiągniecie wydaje się znacznie prostsze niż osiągnięcie redukcji dwutlenku węgla. Uwalnianie metanu nie leży w niczyim interesie.

Monitorowanie emisji metanu a dwutlenku węgla

Monitorowanie metanu jest prostsze niż monitorowanie emisji dwutlenku węgla. Naturalna ilość metanu w powietrzu jest znacznie niższa niż dwutlenku węgla, a dodatkowo poziom emisji ze źródeł antropogenicznych jest znacznie wyższy niż poziom tła, więc znacznie łatwiej można je wyodrębnić. W przypadku dwutlenku węgla jest odwrotnie. W atmosferze jest go względnie dużo, a dodatek wywołany przez poszczególne źródła jest stosunkowo niewielki.

Mimo trudności, monitorowanie źródeł emisji CO₂ jest równie ważne. Misja ESA CO2M ma za zadanie uruchomienie pierwszego tego typu narzędzia zdolnego do wskazania poszczególnych antropogenicznych źródeł dwutlenku węgla. Obecnie podobne zadanie wykonują satelity NASA Orbiting Carbon Observatory 2 i detektor OCO-3, jednak rozdzielczość tych dwóch instrumentów nie jest wystarczająco dobra, aby wykryć poszczególne emitery. Misja CO2M, która ma wystartować do 2026 roku, ma mierzyć stężenia gazu z dokładnością do 0,25%, co nadal stanowi wyzwanie techniczne. 

Wiara czyni cuda

Mamy nadzieję, że obserwacje satelitarne pomogą utrzymać świat na właściwej drodze do zażegnania kryzysu klimatycznego. Mimo, że skala wycieków metanu zaskoczyła badaczy, to jednak teraz, kiedy można wreszcie zobaczyć ukryte wcześniej przecieki gazociągów i zanieczyszczające atmosferę składowiska, rozwiązanie problemu jest przynajmniej technicznie możliwe. 

Jacek Pniewski, na podstawie T. Pultarova, “Satellites discover huge amounts of undeclared methane emissions”

The post Satelity na tropie niezadeklarowanych emisji metanu appeared first on Nauka o klimacie | naukaoklimacie.pl.