Satelitarne obserwacje stężeń, źródeł emisji i miejsc pochłaniania CO2

To, że wzrost koncentracji CO₂ i innych gazów w atmosferze cieplarnianych jest rezultatem naszej działalności, zostało dokładnie zweryfikowane. Dość powiedzieć, że ilość dwutlenku węgla w atmosferze jest największa od wielu milionów lat, metanu i podtlenku azotu od co najmniej miliona, a przemysłowych gazów cieplarnianych (freonów itp.) wcześniej w ogóle nie było. Nasze emisje CO₂ stanowią stały dodatek do naturalnych, zwiększając ilość węgla w szybkim cyklu węglowym. Podsumowanie zgodności obserwacji z różnymi potencjalnymi przyczynami obserwowanego wzrostu stężenia CO₂ w atmosferze pokazuje rysunek 1.

Mimo tego wciąż można spotkać osoby próbujące podważać naszą odpowiedzialność za wzrost koncentracji CO₂ w powietrzu (jak np. ta występująca pod pseudonimem ‘sceptyczny’ w komentarzach na NoK) lub wręcz sam fakt tego wzrostu (jak np. Władysław Klimek z Polskiego Lobby Przemysłowego). Wraz z kolejnymi badaniami mają jednak coraz bardziej „pod górkę”, a twierdzenia, że „tak do końca to nie wiadomo skąd ten wzrost stężenia CO₂” stają się coraz bardziej absurdalne. Dysponujemy bowiem obecnie narzędziami pozwalającymi na bieżąco monitorować stężenia CO₂ na całym globie z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną.

Widok z orbity

Pierwsze satelitarne oszacowania koncentracji CO₂ w atmosferze zostały przeprowadzone przez satelitę pogodowego NOAA-10 z serii TIROS (Television Infrared Observation Satellite) jeszcze w latach 80. XX wieku. Pierwszą misją satelitarną dedykowaną badaniom CO₂ był IMG (Interferometric Monitor for Greenhouse Gases) na wystrzelonym w 1996 roku satelicie ADEOS I. Stopniowo doskonalona była rozdzielczość pomiarów oraz ich dokładność.

W chwili obecnej najbardziej zaawansowaną platformą pomiarów CO₂ jest umieszczony na orbicie w 2014 roku satelita z serii Orbiting Carbon Observatory OCO-2 (OCO-1 uległ zniszczeniu w 2009 roku podczas awarii rakiety nośnej podczas startu). OCO-2 okrąża Ziemię co 98,8 minuty na orbicie heliosynchronicznej na wysokości ok. 700 km. Po każdych 16 dobach, dokonawszy 233 okrążeń Ziemi, satelita powraca nad ten sam punkt powierzchni dokładnie o tej samej porze doby, co ma to duże znaczenie dla zapewnienia stałości oświetlenia, istotnego przy obrazowaniu wielospektralnym. W okresie takiego 16-dniowego cyklu satelita skanuje pasy o szerokości 10 km (z rozdzielczością 1,3×2,25km) odległe od siebie o 1,5 stopnia długości geograficznej (niecałe 170 km na równiku). Oznacza to 16 milionów pomiarów, z czego typowo 10% ma wysoką jakość, a reszta jest zaburzona przez niesprzyjające pomiarom warunki meteorologiczne, szczególnie chmury i zanieczyszczenia powietrza).

Rysunek 3 zestawia lokalizacje naziemnych stacji mierzących atmosferyczną koncentrację CO₂ z trasami wykonywania pomiarów przez OCO-2. Przejście od stosunkowo niewielkiej liczby stacji pomiarowych do obserwacji obejmujących prawie całą kulę ziemską stanowi nie tylko skok ilościowy, lecz jakościowy.

Detektor OCO-2 nie mierzy oczywiście stężenia CO₂ bezpośrednio, lecz za pośrednictwem analizy natężenia promieniowania słonecznego odbijanego od powierzchni Ziemi w trzech długościach fal. Ich względna intensywność pozwala określić zawartość CO₂ w kolumnie powietrza, przez którą przeszły promienie słoneczne na drodze od powierzchni Ziemi do satelity.

Po uwzględnieniu w obliczeniach korekt ze względu na różne czynniki, takie jak zachmurzenie, grubość optyczna aerozoli w atmosferze, wysokość terenu (np. wyższa kolumna powietrza nad doliną niż nad górami) itp., wykonywane przez OCO-2 pomiary promieniowania pozwalają na uzyskanie (zweryfikowanych pomiarami bezpośrednimi – ze stacji naziemnych, samolotów i balonów) informacji o atmosferycznej koncentracji CO₂ o dokładności 1 ppm (<0,3%).

Satelita OCO-2 znajduje się w grupie kilku poruszających się jeden za drugim po tej samej orbicie formacji satelitów meteorologicznych i środowiskowych (nosi ona angielską nazwę „A-Train”, co jest skrótem od „Afternoon Train” czyli po polsku „Popołudniowy Pociąg”), które prowadzą skoordynowane, prawie jednoczesne obserwacje tych samych obszarów na powierzchni Ziemi za pomocą różnorodnych instrumentów. Ich wzajemnie uzupełniające się pomiary pozwalają uzyskać kompleksowy obraz pogody i klimatu na Ziemi.

Do A-Train należą obecnie satelity Aqua (sześć różnych instrumentów pomiarowych na pokładzie, m.in. instrument MODIS, obrazujący powierzchnię Ziemi w różnych długościach fal) oraz CERES służący do pomiaru balansu energetycznego Ziemi), CALiPSO (lidar), GCOM-W1 (obserwacja zmian w globalnym obiegu wody), Cloudsat z satelitarnym radarem opadowym oraz Aura (badanie warstwy ozonowej, jakości powietrza i klimatu).

Wyniki pomiarowe OCO-2

Co 16 dni na podstawie danych pomiarowych z OCO-2, NASA przygotowuje i udostępnia publicznie zestawienia danych – od nieprzetworzonych danych pomiarowych (tzw. dane poziomu 1B) po dane przetworzone (poziom 2) zawierające np. oszacowanie zawartości molowej CO₂ w suchym powietrzu wraz z pochodzącymi od innych satelitów A-Train parametrami określającymi albedo powierzchni i zawartość aerozoli. Na tej podstawie opracowywane są mapy globalnych stężeń CO2 (rysunek 5) a także – w połączeniu z modelowaniem pogody – symulacje przemieszczania się CO2 w atmosferze (rysunek 6).

Dwutlenek węgla ulega szybkiemu mieszaniu w atmosferze, kiedy więc nad jednym miejscem obserwujemy jego podwyższone stężenie, a nad innym stężenie mniejsze od tła, możemy powiedzieć, że w pierwszym miejscu znajduje się źródło emisji, a w drugim gaz jest pochłaniany. Pozwala to na mierzenie, jakie są naturalne i antropogeniczne źródła CO₂, gdzie jest usuwany z atmosfery i jak wygląda jego obieg w środowisku – nie tylko „średnio rzecz biorąc”, ale też w zależności od pory roku, warunków środowiskowych (np. susze czy fale upałów) lub ekonomiczno-gospodarczych.

W oparciu o dane zbierane przez OCO-2 powstało wiele interesujących prac. Przykładowo, badanie Eldering i in., 2018 potwierdziło (tym razem globalnie i w dużej rozdzielczości przestrzennej) wyniki wielu wcześniejszych pomiarów, pokazując regionalne zmiany stężeń CO₂ w cyklu węglowym w rytmie pór roku: atmosferyczne stężenie CO₂ na półkuli północnej spada wiosną i latem, gdy rozkwitające rośliny pobierają CO₂ z powietrza, a wzrasta jesienią i zimą, gdy w wyniku rozkładu materii organicznej CO₂ wraca do atmosfery. Fluktuacje te są zaś nałożone na stały wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze związany ze spalaniem paliw kopalnych.

Nadzwyczaj interesująca analiza Liu i in., 2018 dotyczyła wpływu bardzo silnego El Niño z lat 2015-2016 na cykl węglowy. W latach El Niño wzrost atmosferycznego stężenia CO₂ jest szczególnie szybki – teraz wreszcie można było precyzyjnie zmierzyć stojące za tym procesy. Ze zjawiskiem El Niño związanych jest wiele ekstremów pogodowych, takich jak susze czy wysokie temperatury. Dla mieszkańców dotkniętych nimi terenów były one katastrofą, jednak dla naukowców stały się prawdziwym skarbcem informacji o odpowiedzi cyklu węglowego na podobne zdarzenia. Badanie, łączące dane pomiarowe OCO-2 z danymi zebranymi za pomocą innych satelitów pokazało, że tropikalne regiony Ameryki Południowej, Afryki i Azji wyemitowały do atmosfery w 2015 roku sumie aż 2,5 GtC więcej niż w 2011 roku – blisko ¼ tego, ile wynoszą emisje antropogeniczne.

Analiza pokazała też, że procesy stojące za wzrostem emisji na różnych kontynentach były różne. W Ameryce Południowej przyczyną był brak deszczu. W Afryce wzrost roślin był normalny, za to wyższe od średniej temperatury spowodowały szybszy rozkład materii organicznej. W Azji zaś główną przyczyną emisji były powodowane suszą pożary. Wnioski przekładają się też na prognozy na przyszłość: anomalnie wysokie temperatury i susze w przyszłości doprowadzą do dodatkowych emisji CO₂ i dalszego nasilenia zmiany klimatu.

Analiza Schwandner i in., 2018 pokazuje zdolność OCO-2 do śledzenia emisji z niewielkich źródeł.

Przykładowo, dane zebrane podczas przelotów OCO-2 nad Los Angeles (rysunek 8) wykazały, że koncentracje CO₂ w próbkowanych obszarach nad centrum miasta przy korzystnych warunkach wiatrowych były o 4,4-6,1 ppm wyższe niż w leżących 100 km dalej terenach pozamiejskich. Podobnie rejestrowane są też emisje CO₂ z aktywnych wulkanów oraz ich zmiany wraz ze zmianami aktywności, rejestrowanej równolegle za pomocą znajdujących się na innych satelitach detektorów SO₂ (więcej o tym piszemy w tekście CO₂ z wulkanów – jak to się mierzy?).

Możemy wiedzieć jeszcze więcej

Zdolność detektorów satelitarnych do wykonywania precyzyjnych pomiarów atmosferycznego stężenia CO₂ w czasie rzeczywistym już dziś umożliwia detekcję jego źródeł i miejsc pochłaniania oraz zaawansowane analizy przepływu węgla w cyklu węglowym. Kolejnym krokiem jest zwiększenie rozdzielczości czasowej pomiarów poprzez umieszczenie na orbicie większej liczby satelitów, tak, żeby mieć nie oddalone od siebie o 16 dni (a nawet więcej, zależnie od warunków atmosferycznych) „migawki”, lecz monitoring prowadzony znacznie bardziej na bieżąco. Umożliwi to precyzyjne pomiary zmian emisji antropogenicznych w cyklu dziennym, tygodniowym i sezonowym, związanych ze zmianami aktywności gospodarczej itp. Może to pozwolić także na określenie zmian emisji CO₂ na terytorium danego kraju, a tym samym niezależną weryfikację raportowanych emisji, m.in. w związku z realizacją redukcji emisji w ramach zobowiązań porozumienia paryskiego.

Wkrótce na orbicie znajdzie się wiele innych instrumentów, bazujących na technologii i algorytmach zastosowanych w OCO-2: tylko w ostatnich miesiącach na orbicie znalazły się europejski Sentinel-5P i chiński Fengyun-3D, w najbliższych miesiącach planowane jest wystrzelenie satelity japońskiego oraz umieszczenie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej siostrzanego instrumentu OCO-3. W 2020 roku satelitę MicroCarb wystrzelą Francuzi, a na 2022 rok planowane jest jeszcze bardziej ambitne umieszczenie przez Amerykanów geostacjonarnego satelity GeoCarb (Geostationary Carbon Cycle Observatory), który będzie miał stale „na oku” blisko połowę powierzchni Ziemi..

Szybko rosnąca flota satelitów będzie dostarczać coraz większej liczby informacji. Żeby zintegrować je w spójny i wygodny w użyciu zestaw danych NASA prowadzi projekt badawczy Carbon Monitoring System (CMS). Ma on na celu m.in. zszycie obserwacji atmosferycznych stężeń CO₂ w zintegrowany planetarny model przepływów węgla o wysokiej rozdzielczości, uwzględniający zarówno czynniki naturalne jak i antropogeniczne. Roczny budżet projektu wynoszący 10 mln dolarów w zestawieniu z kosztami misji satelitarnych jest niewielki, a jego wartość z punktu widzenia wiedzy naukowej i jej praktycznych zastosowań wręcz nieoceniona.

„Nie chcemy tego wiedzieć!”

Sceptycy zmiany klimatu, wysuwający argumenty, że z podjęciem działań na rzecz ochrony klimatu powinniśmy jeszcze się wstrzymać, bo najpierw potrzebne są badania, które precyzyjnie wyjaśnią co właściwie się dzieje, powinni być zadowoleni, jak szybko i dokładnie możemy te niepewności wyjaśnić.

Chyba, że… wcale nie są sceptykami, lecz negacjonistami, którym wcale nie zależy na wyjaśnieniu wątpliwości, bo to uniemożliwiłoby im dalsze twierdzenie, że „nie wiadomo”. Gdy pomiary OCO-2 i pokrewnych instrumentów zaczęły szybko zawężać niepewności w działaniu cyklu węglowego, a projekt CMS dał perspektywę uzyskania precyzyjnego obrazu jego funkcjonowania, prezydent USA Donald Trump postanowił unicestwić projekt, wycofując przeznaczone na niego fundusze. Podjął też próbę odebrania funduszy na misje satelitarne dotyczące badania klimatu, takie jak m.in. OCO-3, choć w tym przypadku Kongres przegłosował utrzymanie ich finansowania.

…ale wkrótce i tak będziemy wiedzieć

Zlikwidowanie przez prezydenta Trumpa budżetu na projekt CMS nie doprowadzi oczywiście do zablokowania badań naukowych w tym zakresie. Abdykacja Amerykanów z roli liderów badań naukowych w tej szybko rozwijającej się dziedzinie nie zostawi próżni, a klimatyczni negacjoniści kupią sobie tylko rok czy dwa opóźnienia. Jeśli nie zrobi tego NASA, to zrobią to Europejczycy, Chińczycy lub Japończycy.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczne: prof. Szymon P. Malinowski