Badania
W fizyce atmosfery jednym z podstawowych problemów badawczych ostatnich dziesięcioleci jest oszacowanie wpływu działalności człowieka na procesy atmosferyczne i związanych z tym zagrożeń. W działalności tej szczególną rolę odgrywa wzmożona emisja do atmosfery różnych gazów powodująca zmiany w składzie atmosfery nie tylko w skali lokalnej i regionalnej, ale także globalnej. Skutki zmian składu atmosfery maja wpływ na wiele różnorodnych procesów i zjawisk w atmosferze jak np. pochłaniania i rozpraszania promieniowania słonecznego lub elektryczności atmosferycznej. Z tymi ważnymi i aktualnymi zagadnieniami związane są nasze prace badawcze.
Ozon występuje w atmosferze Ziemi od jej powierzchni do wysokości ~100 km. Około 90% ozonu w pionowym słupie powietrza w atmosferze znajduje się w stratosferze, a maksimum zawartości ozonu wynoszące 5 x1012 cząsteczek/cm3, występuje na wysokości ~25 km. W troposferze, choć koncentracja ozonu jest znacznie niższa niż w stratosferze, odgrywa on ważną rolę, szczególnie w procesach chemicznych, a także oddziałuje na bilans cieplny dolnych warstw atmosfery. Ozon spełnia w atmosferze szczególną rolę, jest bowiem tarczą chroniącą powierzchnię Ziemi przed dopływem wysoce szkodliwego promieniowania ultrafioletowego o długości fali mniejszej niż 280 nm i znacznie redukującym natężenie tego promieniowania o większych długościach fal. Pochłaniając promieniowanie UV ozon jednocześnie zmienia warunki termiczne w atmosferze wpływając pośrednio na cyrkulację powietrza w stratosferze, co w pewnym stopniu decyduje także o warunkach klimatycznych na powierzchni Ziemi.
Grubość warstwy ozonowej zmienia się w zależności od pory roku i szerokości geograficznej. Maksimum całkowitej zawartości ozonu występuje wiosną w dużych szerokościach geograficznych, zaś minimum pojawia się w okolicach równika w ciągu całego roku. Taka zmienność ma charakter naturalny i nie stanowi zagrożenia dla życia na Ziemi. W okresie ostatnich kilkudziesięciu lat poważnym problemem w skali globalnej stały się obserwowane wyraźne zmiany ilości i rozkładu przestrzennego ozonu w atmosferze. Spowodowały one znaczne zaniepokojenie zarówno środowiska naukowego jak i opinii publicznej.
Pomiary spektrofotometryczne
Pomiary całkowitej zawartości ozonu w atmosferze przy pomocy spektrofotometru Dobsona rozpoczęto w Instytucie Geofizyki już w roku 1963 w Centralnym Obserwatorium Geofizycznym w Belsku. Prace nad metodyką pomiarów oraz staranna rewaluacja wyników pomiarowych doprowadziły do tego, że długoletnia seria wyników pomiarów jest uznawana przez międzynarodową społeczność badaczy warstwy ozonowej jako jedna z najbardziej wiarygodnych. Dane uzyskane w Belsku były zastosowane m. in. do rewaloryzacji pomiarów satelitarnych, a przede wszystkim są używane w licznych opracowaniach statystycznych i modelowych, w szczególności zaś do szacowania trendu.
Od 1991 roku prowadzone są pomiary całkowitej zawartości ozonu, całkowitej zawartości dwutlenku siarki oraz natężenia promieniowania UV przy pomocy spektrofotometru Brewera. Pomiary spektrofotometrem Brewera wykonywane są automatycznie od wschodu do zachodu Słońca. Dane o średniej dziennej całkowitej zawartości ozonu w bieżącym roku zamieszane są na wykresie w lokalnych bazach danych COG Belsk:
-
Bieżące pomiary całkowitej zawartości ozonu w COG IGF w Belsku Ozon BELSK
Trend w całkowitej zawartości ozonu jest zróżnicowany geograficznie i sezonowo. Oszacowanie trendu a zwłaszcza wyodrębnienie tzw. składowej antropogenicznej nie jest proste ze względu na to, że na zmienność ozonu wywierają wpływ procesy dynamiczne w dolnej stratosferze o różnych skalach czasowych od kilku dni (tzw. mini dziury ozonowej) do kilku lat. Wyniki badań trendu w seriach pomiarowych zawartości ozonu, w szczególności w strefie średnich szerokości geograficznych stały się przedmiotem wielu prac przeprowadzonych w Zakładzie Fizyki Atmosfery. Opracowano szereg modeli statystycznych pozwalających na ocenę wpływu poszczególnych procesów dynamicznych na zmiany ozonu, przy czym uwzględniono także efekt nieliniowego oddziaływania różnych procesów.
Jak już wspomniano szczególna rola warstwy ozonowej polega na absorpcji promieniowania ultrafioletowego (UV). Postępujące zubożenie warstwy ozonowej spowodowało wzrost zainteresowania biologicznie czynnym promieniowaniem ultrafioletowym (UV-B), które pochłanianie przez tkanki organizmów żywych i powoduje ich uszkodzenie. Pomiary tego promieniowania są również prowadzone w Belsku od 30 lat, od roku 1976 do 1994 za pomocą miernika Robertsona-Bergera a od 1993 do chwili obecnej używany jest UV-biometr Model 501A. Jest to najdłuższa seria pomiarowa w Europie. Dzienne wartości indeksu UV w bieżącym roku pokazane są na wykresie w lokalnych bazach danych COG Belsk:
-
Bieżące pomiary natężenia promieniowania UVB w COG IGF w Belsku UVB BELSK
Od 1993 roku prowadzone są pomiary widma promieniowania ultrafioletowego za pomocą spektrofotometru Brewera.
Pomiary zanieczyszczeń gazowych powietrza
Stacja pomiarowa w Belsku jest stacja podstawową krajowej sieci Monitoringu Zanieczyszczenia Atmosfery. Pomiary zanieczyszczeń gazowych powietrza - ozonu, tlenków azotu, dwutlenku siarki i tlenku węgla są wykonywane w COG w Belsku od roku 1991. W roku 2007 rozpoczęto pomiar stężenia w powietrzu dwutlenku węgla oraz zawartości w powietrzu pyłu o średnicy do 10 µm (PM10) Dzięki położeniu stacji – z dala od obszarów miejskich czy dużych zakładów przemysłowych, pomiary stężeń poszczególnych gazów śladowych wykonywane są w naturalnym, tzn. względnie mało zanieczyszczonym środowisku. Dzięki temu wyniki pomiarów mogą być wykorzystywane są w badaniach nad wpływem aglomeracji i obszarów przemysłowych na poziom zanieczyszczeń powietrza, a także w badaniach podstawowych z zakresu chemii i fizyki atmosfery. Serie wykonanych pomiarów (zwłaszcza ozonu i tlenków azotu należą do najdłuższych w Polsce i są wykorzystywane do badania długookresowych zmian stężeń tych gazów.
Pomiary koncentracji gazów, CO, SO2, NOx i ozonu, wykonywane są w sposób ciągły (24 godziny na dobę) miernikami firmy Monitor Labs. Na podstawie uzyskiwanych wartości chwilowych obliczane są średnie 60 minutowe. Na ich podstawie przeprowadzana jest dalsza analiza wyników: obliczane są dobowe wartości minimum i maksimum, średnia wartość dobowa, średnie przebiegi dobowe oraz średnie miesięczne. Wyniki pomiarów przekazywane są do krajowej bazy danych sieci podstawowej, zlokalizowanej w Wojewódzkim Inspektoracie Ochrony Środowiska (WIOŚ Warszawa).
W Zespole (dawniej Pracowni) Ozonu Atmosferycznego prowadzone są również badania własności fizyczno-chemicznych aerozolu metodą efektu Mössbauera oraz wpływ opadu aerozolu atmosferycznego na stan gleb w rejonach bardzo uprzemysłowionych.
Większość z nas nie zdaje sobie sprawy z faktu, że oddychamy powietrzem zawierającym tysiące naładowanych cząstek aerozolu w centymetrze sześciennym, ani że żyjemy w stałym, naturalnym polu elektrycznym wytwarzającym napięcie ponad 200 woltów pomiędzy poziomami naszych stóp i naszych głów, nawet podczas ładnej pogody. W 1920 roku C. T. R. Wilson wysunął hipotezę, z której później wynikło, że stały potencjał elektryczny 250 tysięcy woltów pomiędzy wysoką, przewodzącą warstwą atmosfery (jonosferą) a powierzchnią ziemi jest podtrzymywany przez ogólnoświatową aktywność burzową – w każdej chwili istnieje około tysiąc burz z piorunami, które przenoszą ujemne ładunki do ziemi, a dodatnie do przewodzącej jonosfery. Dziś naukowcy wiedzą, że ten mechanizm jest dalece bardziej skomplikowany, a ważne role odgrywają w nim dodatkowe czynniki, takie jak chociażby wiatr słoneczny, który modyfikuje globalny obwód elektryczny oraz wpływa na mikrofizykę chmur i inne dynamiczne procesy zachodzące w warstwie atmosfery, w której żyjemy.
Elektryczność burzowa
Jednym z najstarszych nierozwiązanych zagadnień w fizyce atmosfery jest to, jak właściwie zaczyna się wyładowanie doziemne, czyli piorun. Choć niektóre eksperymenty wskazują, że wyładowania atmosferyczne mogą być zapoczątkowywane przez tzw. ucieczkowe elektrony, generowane w atmosferze Ziemi przez promieniowanie kosmiczne, uważa się, że główną rolę inicjującą odgrywają niejednorodności w rozkładzie ładunku elektrycznego w chmurze burzowej. Gdy co najmniej dwa przeciwnie naładowane rejony chmury rozwiną się blisko siebie, powstają krótkie przebicia elektryczne (ang. breakdown discharges), które w ciągu kilkudziesięciu mikrosekund uruchamiają kaskadę coraz silniejszych tzw. wyładowań strimerowych (ang. streamers). Zmiana pola elektrycznego wskutek wydłużania się kanału początkowego wyładowania sprzyja kontynuacji tego procesu. Gdy na czole takiego kanału zgromadzi się wystarczająco duży ładunek, „wychodzi” on z chmury w kierunku ziemi w postaci tzw. lidera krokowego (ang. stepped leader), który stanowi wstęp do wyładowania doziemnego. Samo wyładowanie doziemne jest zazwyczaj serią wyładowań (zaobserwowano ich nawet kilkanaście) wykorzystujących kanał plazmowy wytworzony przez lidera. Większość piorunów przenosi dodatni ładunek z ziemi do ujemnie naładowanej podstawy chmury burzowej, lecz zdarzają się i takie, które rozwijają się z obszaru zawierającego duży ładunek dodatni, np. z „kowadła” w górnej części chmury cumulonimbus. Są to tzw. gorące wyładowanie, mające dużo większą moc, a więc i bardziej niebezpieczne. W sporadycznych przypadkach takie gorące, dodatnie wyładowanie może nastąpić w serii wyładowań ujemnych. Tego typu wyładowania wielokrotne, zwane bipolarnymi (ang. bipolar flash) były przedmiotem badań Pracowni Elektryczności Atmosfery w ramach międzynarodowego programu programu COST P18 „Fizyka wyładowania atmosferycznego i jego skutków”.
Mechanizm powstawania ładunku w początkowo obojętnej elektrycznie chmurze wciąż jest bardzo mało znany. Zaproponowano dwie różne hipotezy. Zgodnie z hipotezą konwekcyjną, dodatnio naładowane powietrze zalegające przy ziemi jest zasysane do chmury przez prądy wstępujące. Z kolei hipoteza opadowa zakłada, że cząstki tworzące chmurę (kropelki wody, igiełki lodu itp.) zyskują dodatni lub ujemny ładunek w wyniku wzajemnych zderzeń, a następnie są separowane grawitacyjnie w silnych konwekcyjnych prądach powietrza, wiejących nawet z prędkością 180 km/godz wewnątrz chmury. W chmurach burzowych opad często bierze udział w powstawaniu znacznych, lokalnych ładunków elektrycznych. Duże krupy lodowe lub gradziny są w stanie zakumulować na sobie duży ładunek elektryczny i przenieść go do podstawy chmury, wytwarzając centrum dodatniego ładunku elektrycznegi w ujemnie naładowanym otoczeniu, co ułatwia inicjację wyładowania doziemnego w tym rejonie. Świadczą o tym obserwacje radarowe, z równoczesną lokalizacją źródeł radiotrzasków generowanych wewnątrz chmury w okresie jej wysokiej aktywności elektrycznej.
Pracownia Elektryczności Atmosfery ZFA, w latach 1994-1996 uczestniczyła w międzynarodowym programie naukowym pt. „CESAR”, którego celem było zaprojektowanie i zbudowanie prototypu detektora wyładowań atmosferycznych, który mógłby pracować na pokładzie sztucznego satelity krążącego po niskiej orbicie. Prace nad skonstruowaniem nowych rejestratorów cyfrowych, wykorzystywanych w naziemnych urządzeniach do pomiaru pola elektrycznego pod kątem wykrywania wyładowań atmosferycznych, były później kontynuowane we współpracy z Centrum Badań Kosmicznych PAN.
Pioruny są nie tylko spektakularnym i zadziwiającym, ale również i groźnym zjawiskiem, którego znajomość ma duże znaczenie praktyczne. Od jesieni 2001 roku dane dotyczące przestrzenno-czasowego rozkładu wyładowań atmosferycznych na całym terytorium Polski oraz niektórych ich parametrów są gromadzone przez polski system SAFIR (interferometryczną sieć dwuwymiarowej detekcji i lokalizacji wyładowań). Polski system SAFIR, obecnie noszący nazwę PERUN, obsługuje Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Aby zweryfikować oferowaną przez niego skuteczność detekcji wyładowań, potrzeba co najmniej jednej dodatkowej stacji referencyjnej, która dostarczyłaby niezależne pomiary zmian pola elektrycznego i prądu związane z monitorowanymi wyładowaniami atmosferycznymi.
W ostatnich latach celem naszych prac było uzyskanie możliwości prowadzenia takiej weryfikacji danych systemu PERUN dla rejonu Warszawy za pomocą stacji referencyjnej działającej w Instytucie Geofizyki PAN. Jednoczesne obserwacje wyładowań doziemnych pozwolą poprawić niektóre algorytmy działania systemu PERUN w Polsce, jak również umożliwią bardziej wiarygodną detekcję wyładowań bipolarnych. Latem 2009 przeprowadzono kampanię obserwacyjną i weryfikację danych systemu PERUN dla rejonu Warszawy (w kwadracie około 100 x 100 km) za pomocą lokalnej sieci detekcji wyładowań atmosferycznych (LSDWA), zbudowanej we współpracy z Centrum Badań Kosmicznych PAN i Politechniką Warszawską. Jedna z sześciu stacji tej sieci zlokalizowana była w Instytucie Geofizyki PAN. Jednoczesne obserwacje wyładowań doziemnych pozwalały sprawdzić niektóre algorytmy działania systemu PERUN w Polsce i miały również umożliwić bardziej wiarygodną detekcję wyładowań bipolarnych. Metoda ciągłego monitoringu ogólnej aktywności burzowej może być użyta do krótkoterminowego prognozowania nagłych i intensywnych opadów (ulewy nawalnych połączonych z gradobiciem) oraz nagłych i silnych uderzeń wiatru pod chmurą burzową (ang. microburst), a więc krótkotrwałych zjawisk atmosferycznych, o fundamentalnym znaczeniu z powodu związanych z nimi zagrożeń dla ludzi, infrastruktury, czy komunikacji lotniczej. Są one charakterystyczne dla konkretnych etapów czasowego rozwoju burzy i występują na ogół w określonych obszarach układu burzowego, zwłaszcza w przypadku konwekcyjnych układów mezoskalowych (ang. mesoscale convective system, MCS).
Innym rodzajem elektrycznych wyładowań w atmosferze, występującym nad chmurami burzowymi, są wyładowania dojonosferyczne, czyli tzw. TLE (ang. Transient Luminous Events). Rejestracje optyczne tych zjawisk prowadzone są sezonowo od roku 2012 w Obserwatorium Geofizycznym w Świdrze.
Elektryczność pięknej pogody
Parametry elektryczne dolnej atmosfery atmosfery monitorowane są w Obserwatorium Geofizycznym w Świdrze. Rejestrowane są w sposób ciągły następujące parametry elektryczności atmosfery:
- natężenie pola elektrycznego
- gęstość prądu pionowego
- dodatnie i ujemne elektryczne przewodnictwo powietrza
- koncentracja jonów lekkich.
Wykonywane są również kompleksowe pomiary meteorologiczne, zanieczyszczeń gazowych, aerozolowych i radioaktywnych powietrza. Pole geoelektryczne jest również obserwowane w Polskiej Stacji Polarnej w Hornsundzie i Stacji Antarktycznej na Wyspie Króla Jerzego. Parametry elektryczności atmosfery w czasie pięknej pogody służą m.in. do monitorowania aktywności globalnego obwodu elektrycznego Ziemi.
