Polski zespół na przykładzie Bełchatowa sprawdził, na ile pomiary satelitów emisji CO2 ogranicza fizyka atmosfery. Granica błędu jest nie do przeskoczenia.
Satelity miały być ostatecznym sędzią w sporach o to, kto ile faktycznie emituje dwutlenku węgla. Zespół kierowany przez Michała Gałkowskiego udowadnia jednak, iż choćby najdoskonalszy satelita nie przeskoczy praw fizyki. Turbulencja w atmosferze wprowadza do odczytów taki poziom niepewności, iż bez solidnych modeli i ostrożnej interpretacji można wyciągać z kosmicznych danych zbyt śmiałe wnioski.
Satelita nad Bełchatowem, czyli jak liczyć dym z komina
Punktem wyjścia badań jest bardzo konkretne miejsce na mapie, czyli elektrownia Bełchatów. To wymarzony poligon doświadczalny dla wszystkich, którzy chcą sprawdzić, czy satelity faktycznie potrafią z góry policzyć, ile dwutlenku węgla wylatuje z komina.
Od kilku lat rozwijane są misje satelitarne stworzone właśnie po to, by patrzeć na Ziemię jak na wielką tablicę emisji. Czujniki na orbitach rejestrują delikatne smugi podwyższonego stężenia CO2 nad elektrowniami, rafineriami czy wielkimi miastami. Następnie fizycy atmosfery łączą te obrazki z danymi o wietrze i przy pomocy specjalnych metod obliczają strumień emisji, czyli ile gazu faktycznie wydobyło się ze źródła.
Najpopularniejsza z tych metod, tzw. metoda strumienia przez przekrój, sprowadza się do prostego pomysłu: rysujemy w myślach pionową ścianę powietrza prostopadłą do kierunku wiatru, przecinającą smużkę CO2, liczymy ile nadmiarowego dwutlenku węgla jest w tej ścianie i mnożymy przez prędkość wiatru. jeżeli teoria działa, dostajemy emisję elektrowni jak na tacy. Problem jednak w tym, iż atmosfera to nie jest spokojna rura wentylacyjna, a Bełchatów nie emituje do idealnie równego strumienia powietrza. Nad kominem pracuje prawdziwy, chaotyczny trójwymiarowy wir.
Turbulencja psuje idealny obraz z kosmosu
Naukowcy postanowili sprawdzić, jak bardzo rzeczywista, burzliwa atmosfera potrafi namieszać w rachunkach opartych na obrazach satelitarnych. Zamiast czekać na idealną kampanię pomiarową, zbudowali szczegółowy model okolic Bełchatowa. Wykorzystali do tego rozwiniętą wersję modelu pogodowego WRF, rozbudowaną o moduł śledzący gazy cieplarniane. Siatka obliczeniowa miała kroki rzędu kilkuset metrów i aż kilkadziesiąt poziomów w pionie, tak by uchwycić zarówno wznoszącą się chmurę spalin, jak i pełną głębokość dziennej warstwy granicznej, w której dominuje konwekcyjna, gotująca się atmosfera.
Do modelu wprowadzono emisje CO2 z elektrowni Bełchatów zgodne z rzeczywistymi wielkościami dla wybranego dnia. Następnie zasymulowano, jak ta chmura gazu rozrywa się, roztapia, skleja na nowo i zakręca pod wpływem zmiennego wiatru i wirów powietrza. Na tej podstawie wyliczono to, co widziałby hipotetyczny satelita o bardzo wysokiej rozdzielczości: pole stężenia CO2 nad elektrownią w chwili przelotu.
Kiedy badacze potraktowali tak wygenerowane obrazy dokładnie tak samo, jak dane satelitarne i zastosowali klasyczną metodę strumienia przez przekrój, okazało się, iż idealny satelita wcale nie odtwarza idealnie znanej emisji. W zależności od tego, w którym miejscu wzdłuż smugi postawimy umowną ścianę powietrza, wyliczona emisja waha się od wyraźnego niedoszacowania do równie wyraźnego przeszacowania.
Średnio da się trafić blisko prawdziwej wartości, ale wokół tej średniej pojawia się nieusuwalny margines błędu rzędu kilkunastu proc. – i to w symulacji, w której wszystko poza turbulencją jest pod pełną kontrolą: nie ma chmur, instrument nie myli się w odczycie, a wiatr i tło stężenia CO2 są znane bezbłędnie.
Satelity są potrzebne, ale nie są wyrocznią
Czy z tego wszystkiego wynika, iż nie można ufać satelitom? Absolutnie nie. Wnioski zespołu są dużo bardziej wyważone. Satelity są ważne wszędzie tam, gdzie brakuje stacji naziemnych i wiarygodnych statystyk, bo dają ogólny obraz i pozwalają wyłapać duże, niezgłoszone źródła emisji. W połączeniu z modelami atmosfery potrafią też całkiem dokładnie oszacować emisje z dużych punktowych źródeł, takich jak Bełchatów z błędem rzędu kilkunastu proc.
Nawet najlepszy satelita nie zastąpi jednak czystej fizyki. Turbulencja w atmosferze wprowadza nieusuwalną niepewność, więc pojedyncza scena z policzoną emisją nie może być traktowana jak ostateczny wyrok. Rzetelny monitoring wymaga wielu obserwacji, uśredniania, porównywania metod i interpretacji zakorzenionej w solidnej fizyce atmosfery.
Praca Gałkowskiego i współautorów podpowiada jednak, jak projektować przyszłe systemy monitoringu. Zamiast liczyć na cudowny instrument, który da nam prawdę z dokładnością do kilku proc. z jednego zdjęcia, rozsądniej jest stawiać na zestawy misji, wielokrotne przeloty, lepsze modele przepływu powietrza i standardy szacowania niepewności.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: DyziO / Shutterstock.com
