KASLAB mieści się w jednym małym pokoju, ale pełni globalną misję. To najdalej wysunięta na wschód stacja wysokogórska w Europie, która w sposób ciągły mierzy regionalne stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze.
Kasprowy Wierch, za sprawą otwartej w 1936 roku kolei linowej, to jeden z najpopularniejszych szczytów w Tatrach. Tylko kolejką rocznie odwiedza go ok. 600 tys. osób. W parze z popularnością idą jego zasługi dla nauki. Zapewne większość zdobywających górę turystów wie, że znajdujący się na jego wierzchołku najwyżej położony budynek w Polsce mieści obserwatorium meteorologiczne IMiGW–PIB. Nieco mniej ma pewnie świadomość, że w wynajmowanym od właściciela obiektu niewielkim pomieszczeniu działa unikalna placówka AGH. Laboratorium Pomiaru Gazów Cieplarnianych (KASLAB), które prowadzi Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, to najdalej wysunięta w Europie na wschód stacja wysokogórska, która monitoruje regionalne stężenie dwutlenku węgla i metanu w sposób ciągły. Regionalne, czyli w żargonie naukowców pozbawione wpływu lokalnych emisji antropogenicznych i biosferycznych obszarów pochłaniania.
Powstanie stacji
Początki laboratorium sięgają 1994 roku, który przypadkiem zbiega się z wejściem w życie Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych ws. Zmian Klimatu. Pojawiła się wtedy konieczność utworzenia stacji, która spełniałaby wymienione wyżej kryteria pomiarowe. WFiIS nawiązał wówczas współpracę z Instytutem Fizyki Atmosfery na Uniwersytecie w Heidelbergu. Akademicy posiadali wtedy podobną stację na Schauinsland w Szwarcwaldzie. Zależało im, żeby kolejna powstała na wschód od nich. Choć wśród na poważnie rozważanych miejsc była słowacka Łomnica i Śnieżka, gdzie fizycy z AGH prowadzili już epizodycznie podobne pomiary, ostatecznie stanęło na polskich Tatrach. – Koledzy z Niemiec przyjechali do Polski i jeździli ze mną po różnych lokalizacjach. Kasprowy bardzo im się spodobał jako miejsce. Głównie ze względu na to, że łatwo się tam dostać i jest infrastruktura – wspomina dr inż. Jarosław Nęcki z Zespołu Fizyki Środowiska, Katedry Zastosowań Fizyki Jądrowej WFiS.
Dlaczego lokalizacja stacji ma bardzo ważne znaczenie z badawczego punktu widzenia, wyjaśnia dr inż. Łukasz Chmura, który łączy funkcję szefa KASLAB oraz obserwatorium IMiGW–PIB: – Cyrkulacja powietrza jest głównie zachodnia, czyli wiatry przeważnie wieją z zachodu na wschód. Posiadając stację na zachodzie Europy, dostajemy obraz tego, co wchodzi nad kontynent europejski. Jeżeli na drugim końcu mamy stację, która też mierzy to samo, możemy dowiedzieć się, w jaki sposób sam kontynent, który jest bardzo mocno zurbanizowany, wpływa na stopień stężenia gazów cieplarnianych w masach powietrza, które przechodzą nad Europą.
Urządzenia pomiarowe
Aparaturę niezbędną do uruchomienia stacji udało się zakupić dzięki wsparciu Fundacji Współpracy Polsko–Niemieckiej. W początkowym okresie działalności laboratorium powietrze było wpierw pompowane przez dwa tygodnie do tedlarowych worków, a później przepłukiwano nim kuwety pomiarowe. Te ostatnie były następnie przesyłane do Heidelbergu, gdzie próbki były badane metodą chromatografii gazowej. W 1996 roku stacja wzbogaciła się o własny chromatograf, a od 2015 roku dysponuje spektrometrem laserowym.
– Wcześniej mogliśmy uzyskać od dwóch do czterech pomiarów na godzinę. Spektrometr laserowy działa z rozdzielczością jednohercową, czyli otrzymujemy praktycznie jeden wynik co sekundę. Precyzja tych urządzeń jest też dużo wyższa. W przypadku dwutlenku węgla na poziomie 0,01 ppm, czyli jednej cząsteczki CO2 na sto milionów cząsteczek powietrza – wyjaśnia dr inż. Chmura.
Wzorce, czyli skala pomiarowa
Niezależnie od metody pomiarów, do ich użyteczności niezbędne jest stosowanie wzorców. To cylindry ze sprężonym powietrzem, w którym dokładnie określone jest stężenie dwutlenku węgla, metanu czy innych gazów. Dzięki nim poszczególne stacje wykonują pomiary według jednej skali, bądź uzyskane przez nie wyniki można łatwo przeliczyć względem siebie. Wzorce pierwotne przechowują laboratoria kalibracyjne. Wzorce wtórne są natomiast odpłatnie udostępniane zainteresowanym placówkom, które na ich podstawie preparują wersje robocze.
Stacja na Kasprowym wykonuje pomiary w odniesieniu do skali WMO–NOAA. Dane o stężeniu dwutlenku węgla począwszy od 1994 roku udostępniane są za pośrednictwem ogólnodostępnej bazy ObsPack, zaś wyniki pomiarów stężenia metanu mogą zostać udostępnione na życzenie. Takie dane nigdy nie są udostępniane na bieżąco w stanie surowym, ale w formie zbiorczego pakietu, najczęściej z okresu danego roku. Wymagają bowiem wcześniej rekalibracji, czyli przeliczenia uzyskanych wartości wedle wspomnianej wcześniej skali.
Problemy z regionalnością
Prócz konieczności kalibracji pomiarów, badacze muszą zmierzyć się jeszcze z jednym problemem, który wpływa na wartość pomiarów. Choć jak wspomniano na wstępie, ich wyniki powinny być niezakłócone przez lokalne emisje i obszary pochłaniania, niekiedy sytuacja odbiega od ideału. Wpływ mają na to bryzy górskie i dolinne, czyli wiatry anabatyczne i katabatyczne, którą prowadzą do mieszania się mas powietrza z góry i dołu. Wskutek tego zimą na wartości pomiarów mogą mocniej wpływać emisje dwutlenku węgla będącego produktem spalania paliw kopalnych w dolinach. Latem z kolei gaz może być pochłaniany przez fotosyntezujące rośliny.
– Przez lata nauczyliśmy się, jak filtrować ten system, żeby wyciągnąć z niego tylko sygnał regionalny – mówi kierownik KASLAB. Uwzględniamy głównie wartości z godzin nocnych, kiedy Kasprowy odcięty jest od terenów położonych poniżej warstwy inwersyjnej. Oczywiście nie dzieje się tak każdej nocy. Na podstawie rozrzutu danych oceniamy, czy nie mamy zmienności w krótkim czasie. Wtedy wiemy, że mógł dojść sygnał lokalny, który nie jest odzwierciedleniem sytuacji regionalnej. To wszystko można powiązać metodami statystycznymi.
Co nie powinno budzić zaskoczenia, rejestrowane stężenia gazów cieplarnianych na Kasprowym podążają za globalnym trendem. Przejawia się on w liniowym wzroście notowanych wartości. W porównaniu ze stacją Mace Head na zachodnim wybrzeżu Irlandii, która jest punktem referencyjnym dla Europy, różny jest tylko wpływ wspomnianych wahań sezonowych.
Praca w laboratorium
Laboratorium znajduje się w pokoju o powierzchni 2,5–3,5 metra. Na niewielkiej powierzchni musi zmieścić się czerpnia powietrza, aparatura pomiarowa, butle z wzorcami, komputer oraz obsługujący całość człowiek. Tę ostatnią z rolę, z racji na podwójną funkcję szefa laboratorium oraz kierownika obserwatorium IMiGW–PIB, pełni najczęściej dr inż. Chmura. Kiedy zachodzi jednak potrzeba dokonania napraw, modernizacji czy dodatkowych pomiarów w prace angażuje się cały Zespół Fizyki Środowiska.
Wysokogórskie położenie stacji sprawia, że jej kierownik często musi odpowiadać na pytania ciekawskich dziennikarzy. Zainteresowanie tych ostatnich intensyfikuje się przede wszystkim w okresie zimowym.
– Gdy śnieg trochę popada, gazety szaleją i pytają, jak się pracuje na Kasprowym Wierchu. Jak w każdym innym miejscu – śmieje się dr inż. Chmura.
Czy rzeczywiście?
Naukowiec dopytywany przyznaje, że praca na Kasprowym odbiega niekiedy od stereotypowego wyobrażenia uczonego, który głowę z resztkami siwych włosów pochyla nad stosami liczb. W przypadku laboratorium, wiąże się też często z dźwiganiem ciężkich przedmiotów. Jedna butla z wzorcem może ważyć nawet 50 kg. Górną stację kolejki od szczytu dzieli 28 metrów w pionie, więc taką butlę należy przetransportować do budynku o własnych siłach. Zimą, po opadach świeżego śniegu, często przekształca się to w godzinną wyprawę, w trakcie której ciężar ten trzeba ciągnąć na sankach bądź na linach.
Pracując w laboratorium, niejednokrotnie trzeba było się też wykazać umiejętnością majsterkowania. Częstych napraw wymagał zwłaszcza chromatograf. Zmorą naukowców były przede wszystkim psująca się pneumatyka i uszczelki. – Coś się nie chciało przestawiać, coś syczało, zawory się psuły, non stop było coś do robienia – wspomina szef KASLAB. Obecnie, kiedy pomiary wykonywane są metodą spektrometrii laserowej, jedynym awaryjnym elementem są wiatraki.
Aktywność naukowa
Codzienna rutyna przekłada się na realizację wielu projektów finansowanych ze środków krajowych i europejskich. Do tych ostatnich należą METHMONITEUR, CARBOEUROPE–IP, IMECC, GHG–EUROPE, INGOS, EUROHYDROS, MEMO2. Dane zbierane i analizowane przez laboratorium wykorzystywane są również w kolejnych edycjach raportu rządowego RP na Konferencje Stron Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych ds. Zmian Klimatu. W czasach przed pandemią, z infrastruktury KASLAB korzystali również badacze z zagranicy oraz studenci podczas wakacyjnych praktyk.
Badacze z AGH zabiegają też, aby laboratorium stało się częścią europejskiej sieci ICOS (Integrated Carbon Observation System). Jak tłumaczy dr inż. Nęcki, chodzi przede wszystkim o jeszcze lepsze ujednolicenie metodologii pomiarów prowadzonych przez różne stacje: – Kilka projektów unijnych, które zostało ufundowanych w celu zwiększenia koherentności pomiarów, wykazało, że ludzie są w tym mało spójni. Np. najpierw coś mierzą, potem dostają wzorce z innych laboratoriów i w efekcie okazuje się, że wychodzą inne wartości. Albo jedni kalibrują dane raz na tydzień, a inni jak my co godzinę.
Aby zapobiec powyższym sytuacjom, w ramach ICOS powstały Centralne Laboratoria Analityczne (ICOS CAL – Central Analytical Laboratories), których zadaniem jest tworzenie oraz dystrybucja wzorców i stanie na straży przestrzegania jednorodnej metodyki pomiarów.
Przyszłość KASLAB
Do badania stężenia gazów cieplarnianych wciąż wchodzą nowe technologie. Jednym z ostatnich trendów jest budowa stacji pomiarowych w miastach, które sytuuje się np. na kilkusetmetrowych wieżach. Jak jednak wyjaśnia kierownik laboratorium na Kasprowym, nawet wówczas będą one potrzebowały odpowiednich punktów referencyjnych, żeby ocenić udział lokalnych emisji: – Fajnie byłoby mieć jedną stację na dole w Krakowie, a drugą 2 tys. metrów wyżej. Najbliżej jest Kasprowy.
Przejścia laboratorium do lamusa nie obawia się również dr inż. Nęcki: – Europa jest najgęstszym obszarem ze stacjami jaki można sobie wyobrazić na świecie. Ale jeżeli weźmiemy pod uwagę, czego potrzebują modele klimatyczne, choćby do weryfikacji pomiarów satelitarnych, gęstość nie jest jeszcze wcale optymalna. Przynajmniej w najbliższym 10–15–leciu taka sytuacja nie zajdzie. Może jeżeli powstanie kilka ekstra platform satelitarnych, które będą potrzebowały tylko pojedynczych punktów referencyjnych do kalibracji, wtedy kto wie? Ale wróżyłem to 20 lat temu, i to dalej nie nastąpiło.
Źródło: agh.edu.pl
foto: Wikipedia