8. PREZENTACJA WYNIKÓW
8.1. Zmienność stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla w Krakowie i na Kasprowym Wierchu
Na rysunku 8.1 przedstawiono zmiany stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Krakowa w okresie od marca 2003 do marca 2010. Najniższe wartości stężeń obserwowane są w sezonie letnim. Kiedy biosfera pochłania znaczne ilości CO2 jego chwilowe stężenia w atmosferze spadają. Najwyższe stężenia CO2 pojawiają się w zimie i sięgają 630 ppm. Sezonowa zmienność stężenia atmosferycznego CO2 w Krakowie widoczna jest wyraźnie dla dolnej obwiedni wyników pomiarowych prezentowanych na rysunku 8.1. W miesiącach letnich stężenie CO2 obniża się wyraźnie, nawet do ok. 360 ppm, natomiast w miesiącach zimowych minimalne wartości stężenia wynoszą blisko 400 ppm. Dobowe wahania stężenia dwutlenku węgla w Krakowie mogą dochodzić nawet do 100 ppm.
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 CO 2 [ppm ] rok
Rysunek 8.1. Chwilowe stężenia CO2 mierzone w Krakowie w okresie 2003-2010. Pomiary prowadzono w laboratorium chromatograficznym WFiIS, AGH.
Na rysunku 8.2 przedstawiono chwilowe wartości stężeń CO2 dla tego samego okresu pomiarowego obserwowane na Kasprowym Wierchu. Dolna obwiednia mierzonych stężeń kształtuje się na tym samym poziomie co dla Krakowa i reprezentuje składową tła dla tego regionu Europy. Amplituda dobowych wahań stężenia CO2 na Kasprowym Wierchu sięga maksymalnie ok. 30 ppm. Na rysunku 8.2 widoczny jest również długoterminowy trend wzrostu stężenia CO2. Wysokie wartości stężeń CO2 na Kasprowym Wierchu w latach 2007– 2008 spowodowane były pracami remontowymi przeprowadzanymi w budynku obserwatorium meteorologicznego. W dalszej części analizy dane te zostały przefiltrowane i błędne wyniki zostały usunięte.
Dane pomiarowe pokazane na rysunkach 8.1 i 8.2 są to dane „surowe” i wymagają odpowiedniej obróbki. Metody filtrowania danych dla stacji Kasprowy Wierch opisane zostały w rozprawie doktorskiej Ł. Chmury [Chmura, 2009]. Dla Krakowa zastosowano
57
jedynie analizę statystyczną polegającą na odrzuceniu pomiarów, które były uzyskane w okresach wadliwego działania aparatury (np. wartości leżące wyraźnie poniżej tła). Następnie policzono średnie wartości stężeń CO2 (dobowe, tygodniowe lub miesięczne) w zależności od typu analiz, do których dane miały być użyte oraz wyznaczono ich niepewność jako odchylenie standardowe średniej.
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 CO 2 [ppm ] rok
Rysunek 8.2. Chwilowe stężenia CO2 mierzone na Kasprowym Wierchu w okresie 2003-2010. Na rysunku 8.3. przedstawiono średnie miesięczne zmiany stężenia CO2 w latach 2003- 2010 na Kasprowym Wierchu i w Krakowie. Dla porównania, pokazano również wartości tła regionalnego CO2 dla szerokości geograficznej Kasprowego Wierchu i Krakowa pochodzące z bazy NOAA GlobalView [NOAA GlobalView 2011].
2007 2008 2009 2010 2011 360 370 380 390 400 410 420 430 440 Kraków Kasprowy Wierch NOAA GlobalView CO 2 [ppm] rok
Rysunek 8.3. Średnie miesięczne stężenia dwutlenku węgla w Krakowie oraz na Kasprowym Wierchu w latach 2007–2010. Dla porównania pokazano również średnie miesięczne tła regionalnego CO2 dla szerokości geograficznej Krakowa i Kasprowego Wierchu [NOAA GlobalView 2011].
Dane z Kasprowego Wierchu reprezentują ten sam zakres, co dane GlobalView i latem spadają do wartości 375-380 ppm a zimą sięgają 390-395 ppm. Na tle tych danych stężenia otrzymane w Krakowie są średnio o 30 ppm wyższe. Widać również przesunięcie w występowaniu minimum i maksimum stężeń dwutlenku węgla. Minimum związane z aktywnością biosfery pojawia się najpierw w Krakowie (na przełomie czerwca i lipca). Następnie widoczne jest w danych z Kasprowego Wierchu (sierpień), a na końcu pojawia się w danych GlobalView (wrzesień). Maksimum stężeń pojawia się jako pierwsze również w
58
Krakowie na przełomie grudnia i stycznia. Na Kasprowym Wierchu obserwowane jest miesiąc później, natomiast w danych GlobalView pojawia się dopiero w kwietniu. Różnica między Krakowem, a Kasprowym Wierchem związana jest z różnicą pomiędzy klimatem górskim a miejskim. Z kolei różnica dla danych z GlobalView spowodowane jest tym, że są to dane wygenerowane dla danej szerokości geograficznej i przedstawiają stężenie CO2 nad oceanem.
Dobowa zmienność dwutlenku węgla w Krakowie ma inny charakter latem a inny zimą. Na rysunku 8.4 przedstawiono średnią zmienność dobową CO2 w miesiącach czerwiec – sierpień (lato) oraz listopad – luty (zima) policzone dla całego okresu pomiarowego, czyli lat 2003 - 2010. W zimie występują wyższe stężenia związane ze spalaniem paliw kopalnych w celach grzewczych, na które nałożone są dwa piki komunikacyjne, przy czym drugi z nich rozpoczynający się po południu jest rozciągnięty w czasie aż do wczesnych godzin rannych. Jego rozmycie i kumulacja zanieczyszczeń spowodowane są tworzeniem się warstwy inwersyjnej blokującej pionowe mieszanie się atmosfery. Średnia amplituda stężeń dobowych CO2 mierzonych w tym okresie roku wynosi zaledwie 7 ppm. W miesiącach letnich sytuacja jest inna. Z charakteru krzywej przedstawionej na rysunku 8.4 wynika, że w lecie składowa biogeniczna dominuje zdecydowanie nad składową antropogeniczną. W ciągu dnia, kiedy zachodzi proces fotosyntezy i nie ma warstwy inwersyjnej obserwowane stężenia CO2 spadają do poziomu tła (ok. 385 ppm). Maksymalne stężenia obserwowane są w godzinach porannych (ok. 420 ppm), po czym następuje ich spadek związany z zanikaniem warstwy inwersyjnej tuż po wschodzie słońca. Średnia amplituda zmian dobowych stężenia CO2 w okresie letnim wynosi ok. 50 ppm.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423
godzina doby (czas lokalny)
CO 2 [ppm] zima 380 390 400 410 420 430 440 CO 2 [ ppm] lato
Rysunek 8.4. Średnie dobowe zmiany stężenia dwutlenku węgla w Krakowie obserwowane w lecie (niebieska krzywa: czerwiec - sierpień) oraz w zimie (czarna krzywa: listopad - luty), wyznaczone dla okresu 2003-2010.
Pomiar chwilowych stężeń CO2 w atmosferze Krakowa nie był realizowany z taką regularnością jak na Kasprowym Wierchu. Główną przyczyną przerw w pomiarze kwasi-ciągłym w Krakowie była konieczność okresowego wykorzystywania chromatografu do innych celów. Stąd, zdecydowano się na pobór zintegrowanych tygodniowych prób powietrza i pomiar w nich średnich stężeń CO2. Pomiary prowadzono w latach 2007 -2010. Na rysunku 8.5 przedstawiono porównanie średnich tygodniowych stężeń CO2 uzyskanych z pomiaru zintegrowanych prób powietrza ze średnimi tygodniowymi uzyskanymi na podstawie dostępnych danych z pomiarów kwasi-ciągłych. Widać, że dla dużych wartości stężenia CO2, pojawiających się w okresie zimowym, średnia tygodniowa z pomiarów kwasi-ciągłych jest z reguły zaniżona względem średniej uzyskanej z próbki zintegrowanej.
59
Ten sam efekt widać na rysunku 8.6, gdzie przedstawiono korelację tych dwóch typów danych. Pomiary podzielono na dwie grupy: (i) te, dla których mierzone wartości stężenia w zintegrowanej próbce tygodniowej wynosiły więcej niż 430 ppm, oraz (ii) te które były niższe od 430 ppm. Dla każdej z tych dwóch grup wyznaczono oddzielnie korelację, a dopasowane proste przedstawiono na rysunku 8.6.
2007-03-01380 2008-03-01 2009-03-01 2010-03-01 390 400 410 420 430 440 450 460
470 pomiar próbek tygodniowych
srednie tygodniowe z pomiarów kwasi-ciaglych
CO
2
[ppm]
data
Rysunek 8.5. Zmienność średnich tygodniowych stężenia CO2 w Krakowie w latach 2007-2010. Na rysunku pokazano średnie tygodniowe stężenia CO2 wyliczone na podstawie pomiarów kwasi-ciągłych oraz stężenia zmierzonego w zintegrowanych tygodniowych próbkach powietrza.
380 390 400 410 420 430 440 450 460 380 390 400 410 420 430 440 450 460 y = 0,4 (±0,2)x + 247 (±82) pomiar tygodniowy <430ppm pomiar tygodniowy >430ppm pomiar kwasi-ci agly, sr ednia tygod niow a CO 2 [ppm] pomiar tygodniowy CO2 [ppm] y = 0,9 (±0,1)x + 43 (±27)
Rysunek 8.6. Korelacja średnich tygodniowych stężeń CO2 w Krakowie uzyskanych z pomiarów kwasi-ciągłych oraz z pomiarów w zintegrowanych próbach powietrza.
Z przedstawionych powyżej danych pomiarowych widać, że do wartości ok. 430 ppm wyniki dla próbek tygodniowych oraz średnich tygodniowych z pomiarów kwasi-ciągłych są porównywalne. Jednak dla wyższych stężeń tygodniowych, obserwowanych w okresie zimowym, średnie policzone z pomiarów kwasi-ciągłych są z reguły zaniżone. Wynika to najprawdopodobniej z faktu iż w okresie zimowym, przy intensywnych wahaniach stężenia CO2 wynikających z emisji antropogenicznych pochodzących z licznych, blisko położonych źródeł, oraz generalnie większej stabilności dolnej atmosfery, pomiary kwasi-ciągłe w Krakowie "gubią" znaczą część informacji o wysokich stężeniach dwutlenku węgla w tym okresie.
60
8.2. Zmienność składu izotopowego atmosferycznego dwutlenku węgla (14CO2, 13CO2)
w Krakowie i na Kasprowym Wierchu
Pomiary składu izotopowego dwutlenku węgla w atmosferze Krakowa (zawartość radiowęgla oraz 13C) prowadzone są od 1983 roku [Kuc i in., 2007; Kuc i Zimnoch 1996 i 2009; Zimnoch i in. 2004]. W ramach niniejszej pracy prowadzono pomiary średnich tygodniowych zawartości 14C oraz 13C w atmosferycznym CO2 w Krakowie oraz średnich miesięcznych tych parametrów na Kasprowym Wierchu. Pomiary na Kasprowym Wierchu objęły tylko godziny nocne (2200 – 600). Na rysunkach 8.7 i 8.8 przedstawiono wyniki pomiarów składu izotopowego atmosferycznego dwutlenku węgla na tle danych referencyjnych. Jako dane referencyjne, reprezentujące tło regionalne dla mierzonych wartości 14C oraz 13C wybrano, odpowiednio, stację pomiarową Jungfraujoch zlokalizowaną w szwajcarskich Alpach oraz dane z bazy NOAA GlobalView dla szerokości geograficznej Kasprowego Wierchu oraz Krakowa. 1983 1990 1997 2004 2011 0 50 100 150 200 250 = 30‰ Jungfraujoch (Szwajcaria) Kraków Kasprowy Wierch 14 CO 2 [‰] rok = 55‰
Rysunek 8.7. Zmienność zawartości radiowęgla w atmosferycznym dwutlenku węgla w okresie 1983– 2010 (Kraków) oraz 2007-2010 (Kasprowy Wierch). Na rysunku przedstawiono wygładzone średnie miesięczne wartości 14CO2. Dla porównania, pokazano krzywą zmienności atmosferycznego 14CO2 dla stacji referencyjnej Jungfraujoch, w Alpach Szwajcarskich.
1983 1990 1997 2004 2011 -11,5 -11,0 -10,5 -10,0 -9,5 -9,0 -8,5 -8,0 -7,5 Kraków
NOAA Global View Kasprowy Wierch 13 CO 2 [‰ ] rok
Rysunek 8.8. Zmienność składu izotopowego węgla 13C w atmosferycznym dwutlenku węgla w Krakowie oraz na Kasprowym Wierchu w latach 2005 – 2010 na tle danych z bazy danych NOAA GloblaView. Na rysunku przedstawiono wygładzone średnie miesięczne.
61
Sezonowe zmiany 14CO2 obserwowane w Krakowie związane są przede wszystkim ze zwiększonymi emisjami antropogenicznego dwutlenku węgla w okresach zimowych, a także częstszymi niż latem inwersjami temperatury, które blokują pionowy transport w dolnej warstwie atmosfery. Zmiany te nałożone są na ogólnoświatowy malejący trend koncentracji radiowęgla (por. rys. 4.5). Jak widać na rysunku 8.7, pomiędzy pomiarami 14CO2 w Krakowie, a danymi dla stacji Jungfraujoch istnieje znaczna różnica. W Krakowie, gdzie emisje związane ze spalaniem paliw kopalnych stanowią znaczny wkład w stężenie dwutlenku węgla, stężenie radiowęgla jest znacząco niższe w porównaniu z Jungfraujoch. W latach 80’tych i na początku lat 90’tych ubiegłego wieku różnica w stężeniach radiowęgla pomiędzy tymi dwoma stacjami wynosiła ok. 55‰. Obecnie jest ona mniejsza niż 30‰. Efekt ten związany jest bezpośrednio z redukcją zużycia paliw kopalnych w Polsca we wczesnych latach 90’tych (por. rys 3.10 oraz 3.11). Wartości koncentracji radiowęgla w atmosferycznym CO2 dla Kasprowego Wierchu przedstawione na rysunku 8.7 leżą znacznie bliżej danych Jungfraujoch, ale wykazują większe wahania sezonowe i większe zubożenie w 14C w miesiącach zimowych. Efekt ten związany jest ze zwiększoną lokalną emisją antropogeniczną z rejonów Zakopanego. Ten sam efekt widoczny jest dla 13C. Zawartości tego izotopu w atmosferycznym dwutlenku węgla w lecie sięgają wartości referencyjnych, a zimowe są znacząco obniżone. Amplituda zmian 13CO2 dla Kasprowego Wierchu jest dwukrotnie większa niż dla danych GlobalView i jest podobna do amplitudy zmian 13CO2 obserwowanej w Krakowie. Krakowskie pomiary 13CO2 wykazują najniższe stężenia 13C. Zapis 13CO2 prezentowany na rysunku 8.8. pokazuje długoterminowy trend w kierunku coraz niższych wartości tego parametru, zgodny ze stopniowym wzrostem zawartości antropogenicznego CO2 w atmosferze (por. roz. 4.2).