23.09.2021

Uczeni z AGH badają, na jakiej wysokości można oddychać bez smogu


Zdjęcie przedstawia balon widokowy na Bulwarze Wołyńskim w Krakowie. W centrum zdjęcia znajduje się czasza balonu, która jest w kolorze białym. Na balonie znajduje się napis "Dobra Atmosfera" w kolorze granatowym. Pod czaszą zwieszone są liczne liny, który łączą ją z koszem balonu. W tle zdjęcia widać drugi brzeg Wisły oraz stojące przy nim budynki.

Balon widokowy na Bulwarze Wołyńskim, gdzie fizycy z AGH zainstalowali aparaturę pomiarową, fot. prof. Mirosław Zimnoch, WFiIS

Zdjęcie przedstawia panoramę Krakowa widzianą z balonu widokowego. W centrum zdjęcia widać rzekę Wisłę, które zakręca w lewą stronę. Na lewym oraz prawym brzegu rzeki widać tereny zielone, czubki drzew oraz dachy licznych budynków.

Panorama Krakowa widziana z balonu widokowego, fot. dr inż. Łukasz Chmura, WFiIS

Dzięki możliwości umieszczenia aparatury pomiarowej na balonie widokowym, naukowcy z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej zgromadzili już tysiące profili pionowych atmosfery. Ich badania uzupełniają wiedzę na temat tego, jak ruchy powietrza wpływają na stężenie pyłu zawieszonego w Krakowie.

Kiedy zaczyna się sezon grzewczy, wskaźniki wizualizujące poziom zanieczyszczenia powietrza szkodliwymi dla organizmu pyłami zapalają się w Krakowie na czerwono. Tak jest przez wiele dni w okresie jesienno-zimowym, co przekłada się na częstszą zachorowalność na choroby płuc i układu krążenia. Danych na temat zasmogowania  stolicy Małopolski dostarcza aktualnie osiem stacji Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska oraz coraz gęstsza sieć prywatnych czujników pomiarowych. Dowiadujemy się dzięki temu, czym oddychamy przy powierzchni ziemi. Nie daje to jednak pełnego obrazu wpływających na to procesów, które zachodzą w atmosferze. – Jeśli chcemy ustalić, skąd zanieczyszczenia napływają – czy to my je emitujemy, czy miejscowości okalające – warto też badać je w profilu pionowym. Mamy do czynienia z zupełnie inną sytuacją, kiedy smog utrzymuje się do wysokości 20 metrów, niż kiedy unosi się do 100 metrów – wyjaśnia dr inż. Jakub Bartyzel z Zespołu Fizyki Środowiska, Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej.

Żeby odpowiedzieć na powyższe pytanie, fizycy z AGH od jakiegoś już czasu prowadzą badania jakości powietrza w profilu pionowym z użyciem dronów. Maszyny wymagają jednak zaangażowania operatora. Mają też swoje ograniczenia zarówno jeśli chodzi o możliwość instalacji niezbędnej aparatury, jak też obowiązujące przepisy. Te ostatnie nie pozwalają dronom wznosić się powyżej 100 metrów. Dlatego naukowcy ucieszyli się bardzo, kiedy dwa lata temu właściciel balonu widokowego przy Bulwarze Wołyńskim zwrócił się do AGH z propozycją umieszczenia na swoim statku powietrznym urządzeń pomiarowych. Pozwoliło to zwiększyć zakres prowadzonych badań, jednocześnie ograniczając niezbędne do ich przeprowadzenia środki. Dr inż. Bartyzel, który koordynuje projekt z ramienia WFiIS, tłumaczy: – Pomiary prowadzone w ten sposób są praktycznie bezkosztowe. Zarówno ze względu na finanse, jak też czas oraz zaangażowanie ludzi. Balon lata niezależnie od nas, a my dostajemy dane po każdym locie.

Profile pionowe atmosfery

Fizykom udało się już dzięki temu uzyskać tysiące profili pionowych atmosfery, mierzonych od poziomu ziemi do wysokości około 280 metrów, na którą maksymalnie wznosi się balon. Co ciekawe, mają one nie tylko lokalne znaczenie. Wcześniejsze podobne badania prowadzone na świecie ograniczały się do miast takich jak Paryż czy Szanghaj, które zlokalizowane są na obszarach o mało zróżnicowanej topografii bądź nadmorskich. Kraków położony jest natomiast w rozległej dolinie, która z trzech stron otoczona jest wzgórzami. Wskutek tego można zaobserwować tu zjawiska takie jak wiatry katabatyczne, czyli spływające z wyżej położonych obszarów w dół doliny. Często występują też inwersje temperatury. Być może więc analiza uzyskanych danych pozwoli wysnuć uczonym ogólne wnioski, które zwiększą wiedzę o wpływie ruchów atmosfery na poziom zanieczyszczenia powietrza w podobnych aglomeracjach miejskich.

Pierwsze publikacje naukowe już powstały. W jednej z nich, która została przygotowana w wyniku kooperacji uczonych WFiIS z badaczami Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Instytutu Biogeochemii Maxa Plancka z Niemiec, autorzy analizują maksymalny pionowy zasięg chmury zanieczyszczeń nad Krakowem. Uczeni wskazują, że przy sprzyjających warunkach meteorologicznych w badane dni smog utrzymywał się do wysokości 100 metrów.

Dlaczego akurat tyle?

To mniej więcej głębokość doliny, na której usytuowana jest stolica Małopolski. Poniżej tego pułapu następuje tzw. uskok wiatru, czyli nagły spadek jego prędkości. – Wskutek tego przewiewa miejscowości położone powyżej, a praktycznie nie jest w stanie zaingerować w sytuację, którą mamy w Krakowie. Gdybyśmy chcieli zbudować budynek, na którego ostatnim piętrze moglibyśmy oddychać świeżym powietrzem, niezależnie od warunków, musiałby mieć ponad 100 metrów wysokości – komentuje fizyk z WFiIS.

Regularne pomiary stężenia pyłu zawieszonego w powietrzu to nie jedyna korzyść, jaką naukowcy zyskują dzięki możliwości instalacji urządzeń pomiarowych na balonie. Aparatura rejestruje również podstawowe dane meteorologiczne, takie jak temperatura, wilgotność czy ciśnienia powietrza. Pozwala to weryfikować poprawność matematycznych modeli pogodowych, które z kolei uwzględniane są przy opracowywaniu modeli propagacji zanieczyszczeń. Uczeni z AGH prowadzą również co miesiąc całodobowe pomiary stężenia dwutlenku węgla i metanu w atmosferze. Ich wyniki są wykorzystywane w ramach unijnego projektu „CoCO2” do weryfikacji obserwacji satelitarnych z systemu „Copernicus”.

Jak prowadzone są pomiary?

Początkowo za jedyny przyrząd pomiarowy służył fizykom prosty pyłomierz. Obecnie jest to profesjonalny sprzęt dostarczony przez francuskiego producenta, którego zakup został sfinansowany przez właściciela balonu. Dostarcza on informacji o składzie frakcyjnym badanego pyłu. Fizycy dowiadują się nie tylko, jaki jest udział w nim cząstek o danej średnicy (PM10, PM2,5 itd.). Zyskują również wiedzę, czy pył ma charakter mineralny czy jest produktem spalania. – Pozwala nam to wnioskować o źródłach zanieczyszczeń – mówi dr inż. Bartyzel.

Naukowcy z AGH współpracują też naukowo z twórcami urządzenia. Charakterystyka pyłu w Krakowie jest inna niż w Paryżu, gdzie podobną aparaturę również zainstalowano na balonie. Wspólna wymiana informacji może więc np. pomóc w lepszej kalibracji urządzenia i zwiększyć dokładność pomiarów.

Podczas comiesięcznych badań stężenia gazów cieplarnianych uczeni korzystają ze spektrometru laserowego podobnego do tego, którego używają codziennie w trakcie pomiarów prowadzonych w Laboratorium Gazów Cieplarnianych (KASLAB) na Kasprowym Wierchu. W przypadku badań prowadzonych podczas lotów balonem naukowcy nie mogą sobie niestety pozwolić na podobną regularność, bo urządzenie wymaga instalacji na balonie dużych akumulatorów, które zajmują sporo miejsca w koszu. Do zasilania urządzenia nie można z kolei skorzystać z agregatu, mimo iż pozwala na to infrastruktura statku powietrznego. Zaburzyło by to bowiem wyniki pomiarów:

– Agregat emituje zarówno pyły, jak i gazy cieplarniane. Dlatego zawsze musimy zapewnić sobie jakieś własne źródło zasilania – tłumaczy fizyk.

Uczony dodaje, że równie istotny jest wybór miejsca, gdzie zainstalowany jest „inlet”, czyli czerpnia powietrza:

– Powinna być umiejscowiona wysoko nad koszem balonu, ponieważ podczas większości lotów w koszu znajdują się ludzie, którzy naturalne emitują dwutlenek węgla – opisuje dr inż. Bartyzel. – Czasem widzimy w profilach pionowych atmosfery naprawdę subtelne różnice, dlatego warto zadbać o to, żeby wynikały one z sytuacji na zewnątrz, a nie tego, co ludzie wydychają do inletu.

Do analizy danych zgromadzonych podczas lotów służą odpowiednie algorytmy komputerowe. Potrafią one np. z wielu wylatanych godzin wyodrębnić poszczególne momenty wznoszenia i opadania balonu, czy tworzyć wizualizacje w oparciu o pozyskane dane. Jak przystało na drugi człon nazwy WFiIS, czyli „informatyki stosowanej”, fizycy opracowali je sami.

Pandemia i katastrofa lotnicza

Badania atmosfery prowadzone z użyciem balonu zostały zakłócone w ubiegłym roku przez dwa wydarzenia, które wpłynęły na zawieszenie lotów. Pierwsze miało charakter globalny, a drugie lokalny. Najpierw wybuch pandemii COVID-19 i związany z nią „lockdown” uziemił statek powietrzny od początku marca do początku maja. Z kolei w połowie czerwca czasza balonu została rozerwana w trakcie burzy, wskutek czego loty nie odbywały się do początku września.

Koordynator projektu z WFiIS wyjaśnia jednak, że nie wpłynęło to znacząco na jego realizację: – Szczęście w nieszczęściu, z punktu widzenia pomiarów stężenia pyłu zawieszonego, że katastrofa powietrzna miała miejsce latem. Wówczas sytuacja jest dla badaczy najmniej ciekawa i dynamiczna. Zawsze mamy też wsparcie w postaci dronów. Natomiast w trakcie „lockdownu” stanęły wszystkie projekty. Czy byśmy chcieli latać dronem, czy balonem nie miało to znaczenia. Po prostu nie można było wyjść z domu.

Normalnie loty balonu ograniczone są przez panujące warunki atmosferyczne i regulacje prawa lotniczego. Spotkało się z to z zarzutami części mediów, że statek powietrzny nie wznosi się, kiedy panuje gęsty smog. Dr inż. Bartyzel przestrzega jednak przed prostym łączeniem tych dwóch faktów:

– Warunki atmosferyczne, które powodują rozwój gęstej mgły, korelują jednocześnie z wysokim stężeniem pyłu zawieszonego w atmosferze. Ale to nie pył zmniejsza widzialność, tylko utrzymywanie się smogu i mgły ma tę samą przyczynę. Natomiast faktem jest, że poniżej pewnej widzialności balon nie może latać – wyjaśnia fizyk z WFiIS.

Dla studentów i mieszkańców Krakowa

Kiedy loty odbywają się bez przeszkód, na pokładzie balonu naukowcy z AGH prowadzą również zajęcia ze studentami. Oprócz tego szkolą się również na nim ich koledzy Uniwersytetu Jagiellońskiego. Rezultaty pomiarów, opatrzone rzetelnym komentarzem fizyków z WFiIS, mogą również śledzić wszyscy zainteresowani na stronie internetowej balonu widokowego. Uczeni marzą, żeby w przyszłości dzielić się nimi w jeszcze szerszy i bardziej zautomatyzowany sposób.

– Stacja meteorologiczna, którą zainstalowaliśmy na dachu naszego wydziału, cieszy się bardzo dużym zainteresowaniem. Ludzie szukają miarodajnych informacji na temat pogody za oknem. W tym przypadku też mogłoby być dla nich ciekawe, jak wysoko trzeba się wznieść nad Kraków, żeby pooddychać świeżym powietrzem – mówi dr inż. Bartyzel.