Nowoczesny monitoring atmosfery obejmuje wiele technik pośrednich i bezpośrednich – od stacjonarnych pomiarów naziemnych po satelitarne techniki pomiarowe. Połączenie i analiza danych z tych baz pozwalają specjalistom na śledzenie zjawisk o skali ponadregionalnej. By jednak dobrze interpretować wyniki takiego monitoringu trzeba poznać podstawowe informacje na temat ich powstawania.

To kolejny sezon, w którym w europejskim obszarze detekcji obserwujemy obecność cząstek stałych i gazowych, których źródłem są pożary lasów w Kanadzie. Choć to znaczna odległość od Polski to dobrze uświadamia, że procesy w atmosferze nie znają pojęcia administracyjnych granic, a obszary cyrkulacji powietrza są ze sobą powiązane. Oczywiście, czy i ile cząsteczek zostanie przetransportowanych nad dany obszar będzie zawsze zależało od sytuacji meteorologicznej.

Czy powinniśmy się obawiać?

Transport daleki to najczęściej transport na znacznych wysokościach – kilku kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Warunki muszą być odpowiednio sprzyjające by dana substancja trafiła do atmosfery na taką wysokość, podobnie by z wyższego poziomu atmosfery trafiła na powierzchnię Ziemi w innym miejscu. W przypadku cząsteczek gazów należy jeszcze uwzględnić ich chemiczne przemiany w reakcji z innymi składnikami powietrza, choćby tlenem, po których dana cząsteczka prezentuje już inny biologiczny efekt swojego oddziaływania na organizm człowieka.

Rejestracja zanieczyszczeń okiem satelity

Znając widma absorpcyjne poszczególnych substancji, na podstawie teledetekcyjnego (satelitarnego) pomiaru radiometrycznego szacuje się zawartość cząsteczek danej substancji w tzw. kolumnie atmosfery, którą można sobie wyobrazić jako prostopadłościan rozciągający się od powierzchni Ziemi do satelity, o podstawie kwadratu o boku 1 cm. Pozyskane na podstawie satelitarnych danych pomiarowych informacje o zawartości różnych substancji w atmosferze są przedstawiane jako zobrazowania o różnej rozdzielczości przestrzennej (zależnej od właściwości instrumentu pomiarowego). Dane z poniższych instrumentów pomiarowych, umieszczonych na satelitach okołobiegunowych, wykorzystujemy w IMGW-PIB przy ocenach rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, w szczególności do monitorowania ich napływu z dalekich odległości.

Instrument pomiarowy TROPOMI (na satelicie Sentinel-5P) jest to spektrometr rejestrujący promieniowanie słoneczne odbite i rozproszone od Ziemi i atmosfery w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego oraz bliskiej i krótkiej podczerwieni. Drugi instrument pomiarowy IASI (na satelitach serii MetOp) to również spektrometr, ale rejestrujący promieniowanie w zakresie podczerwieni termicznej emitowane przez Ziemię i atmosferę, wykorzystujący transformację Fouriera.

Podsumowując: na podstawie pomiarów satelitarnych dokonujemy detekcji obecności danej substancji (na podstawie ustalonych wzorców) w kolumnie powietrza, która rozpościera się pomiędzy instrumentem pomiarowym a powierzchnią Ziemi. Bywa to pomocne przy objaśnianiu genezy zjawisk czy ustalaniu konieczności prowadzenia dodatkowego naziemnego monitoringu.

Na podstawie uzyskanych wizualizacji nie możemy bowiem stwierdzić jak wygląda koncentracja substancji w profilu pionowym atmosfery, ani tym bardziej gdzie jest ona największa – czy blisko powierzchni ziemi, co mogłoby np. stanowić jakieś zdrowotne zagrożenie. Ocena tego zagadnienia każdorazowo powinna być przeprowadzana w oparciu o dane z systemu pomiarów naziemnych.

Tlenek węgla w kolumnie powietrza nad Polską

W poprzednim wpisie informowaliśmy, że systemy satelitarnej detekcji Sentinel-5P/TROPOMI oraz MetOp/IASI wskazały na podwyższoną zawartość cząsteczek tego gazu w atmosferze – rzędu 3*10¹⁸ cząsteczek/cm². Jak wspomniano wyżej jest to sumaryczna wartość w całej kolumnie powietrza  – bez wskazania poziomu koncentracji.

Na zobrazowaniach systemu satelitarnego IASI (mapy powyżej) z kolejnych terminów pomiarowych (pora dzienna i nocna) widoczny jest obszar wyższych zawartości CO w kolumnie powietrza m.in. nad obszarem Atlantyku. Koresponduje on z obrazem satelitarnym Ziemi w barwach rzeczywistych (tj. kompozycji RGB True Color utworzonej z danych systemu NOAA-20/VIIRS), na którym widać rozprzestrzenianie się dymów. Obraz wskazuje na wschodni kierunek transportu składników dymu z pożarów lasów w Kanadzie nad Atlantyk. Co można połączyć również z wizualizacją prawdopodobnych ognisk aktywnych pożarów przedstawioną na tle wspomnianego obrazu RGB True Color, prezentowaną w serwisie monitoringu zagrożenia pożarowego NASA (https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/)

Analizę dopełnia jeszcze wynik modelowania za pomocą narzędzia NOAA Hysplit (tzw. trajektorie wsteczne), który bazując na danych meteorologicznych z systemu GFS wskazuje ponadto, że transport początkowo odbywał się na poziomie piętra średniego (2-6 km), a następnie w dniach 11-15 lipca już powyżej poziomu 7500 m nad powierzchnią Ziemi. Szansa by wysoka zawartość CO w atmosferze rejestrowana była również przy powierzchni Ziemi była zatem marginalna. A gdyby gaz ten w czasie transportu przemieścił się w niższe warstwy atmosfery, najprawdopodobniej uległby utlenieniu.

Należy nadmienić, że faktycznie tlenek węgla jest silnie toksycznym, niewidzialnym i bezwonnym gazem, stąd duże niebezpieczeństwo narażenia na nieświadomą ekspozycję. Każdy zatem epizod zwiększonej koncentracji tego gazu powinien podlegać monitoringowi. Natomiast trzeba pamiętać, że silne reakcje biologiczne występują w sytuacji ekspozycji na wysokie stężenia, co ma raczej miejsce w pomieszczeniach zamkniętych i jest następstwem wadliwego użytkowania wentylacji czy niesprawności urządzeń grzewczych. Stężenie tego gazu w terenie otwartym będzie zwykle niższe, a ponadto modyfikowane dodatkowymi czynnikami, stąd nie należy spodziewać się występowania skrajnych objawów zdrowotnych.

Opracowanie:

dr Joanna Wieczorek, IMGW-PIB Centrum Modelowania Meteorologicznego

dr Artur Rutkowski, IMGW-PIB Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju

mgr Monika Hajto, IMGW-PIB Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju