Naukowcy z MIT zidentyfikowali ludzki „odcisk palca” w rosnącym stężeniu ozonu w górnej troposferze.
To odkrycie, wskazujące wpływ działalności człowieka na ten silny gaz cieplarniany, pozwala naukowcom lepiej zrozumieć, gdzie i jak powstają te emisje.
Podwójna rola ozonu: ochrona i substancja zanieczyszczająca
Ozon może być czynnikiem dobrym lub szkodliwym, w zależności od tego, gdzie go znajdziesz w atmosferze. Wysoko w stratosferze bezbarwny gaz chroni Ziemię przed ostrymi promieniami ultrafioletowymi Słońca. Jednak bliżej ziemi ozon jest szkodliwą substancją zanieczyszczającą powietrze, która może powodować przewlekłe problemy zdrowotne, w tym ból w klatce piersiowej, trudności w oddychaniu i zaburzenia czynności płuc.
A gdzieś pomiędzy, w górnej troposferze – warstwie atmosfery tuż pod stratosferą, po której lata większość samolotów – ozon przyczynia się do ocieplenia planety jako silny gaz cieplarniany.
Istnieją oznaki wskazujące, że poziom ozonu w górnej troposferze w dalszym ciągu wzrasta, pomimo wysiłków wielu krajów mających na celu ograniczenie jego źródeł na powierzchni. Teraz naukowcy z MIT potwierdzają, że znaczna część wzrostu ilości ozonu w górnej troposferze jest prawdopodobnie spowodowana działalnością człowieka.
Wpływ człowieka na ozon w górnej troposferze
W artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Nauka i technologia o środowiskuzespół donosi, że wykrył wyraźny sygnał wpływu człowieka na trendy w zakresie ozonu w górnej troposferze w zapisie satelitarnym obejmującym 17 lat, począwszy od 2005 r.
„Potwierdzamy, że istnieje wyraźny i rosnący trend w stężeniu ozonu w górnej troposferze na północnych średnich szerokościach geograficznych, spowodowany działalnością człowieka, a nie hałasem klimatycznym” – mówi główny autor badania Xinyuan Yu, absolwent Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT (EAPS). ).
„Teraz możemy wykonać więcej pracy detektywistycznej i spróbować zrozumieć, jakie konkretne działania człowieka prowadzą do trendu dotyczącego ozonu” – dodają współautorka Arlene Fiore, Peter H. Stone i Paola Malanotte Stone profesorowie nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach.
Autorami badania z MIT są Sebastian Eastham i Qindan Zhu, a także Benjamin Santer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, Gustavo Correa z Uniwersytet KolumbiiJean-François Lamarque z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych i Jerald Zimeke z NASA Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda.
Wyzwania związane z analizą ozonu
Zrozumienie przyczyn i wpływów ozonu jest trudnym zadaniem. Ozon nie jest emitowany bezpośrednio, lecz jest produktem „prekursorów” — składników wyjściowych, takich jak tlenki azotu i lotne związki organiczne (LZO), które reagują w obecności światła słonecznego, tworząc ozon. Prekursory te powstają w spalinach pojazdów, elektrowniach, rozpuszczalnikach chemicznych, procesach przemysłowych, emisjach z samolotów i innych działaniach spowodowanych przez człowieka.
To, czy i jak długo ozon pozostanie w atmosferze, zależy od splotu czynników, do których zalicza się rodzaj i zakres działalności człowieka na danym obszarze, a także naturalna zmienność klimatu. Na przykład silny rok El Niño może wpłynąć na cyrkulację atmosfery w sposób, który wpłynie na stężenie ozonu, niezależnie od tego, ile ozonu wnoszą do atmosfery ludzie w tym roku.
Wykrywanie wpływu człowieka wśród naturalnej zmienności
Rozróżnienie przyczyn tendencji powstawania ozonu wynikających z działalności człowieka i klimatu, szczególnie w górnej troposferze, jest szczególnie trudne. Sprawę komplikuje fakt, że w dolnej troposferze – najniższej warstwie atmosfery, położonej najbliżej poziomu gruntu – ozon przestał się podnosić, a w niektórych regionach na średnich szerokościach geograficznych północnych w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci nawet spadł. Ten spadek zawartości ozonu w dolnej troposferze jest głównie wynikiem wysiłków podejmowanych w Ameryce Północnej i Europie na rzecz ograniczenia przemysłowych źródeł zanieczyszczenia powietrza.
„Zaobserwowano, że w niektórych regionach ilość ozonu w pobliżu powierzchni zmniejsza się, a jego zmiany są ściślej powiązane z emisjami powodowanymi przez człowieka” – zauważa Yu. „W górnej troposferze trendy dotyczące ozonu są gorzej monitorowane, ale wydają się odbiegać od trendów w pobliżu powierzchni, a zmienność klimatu łatwiej wpływa na ozon. Nie wiemy zatem, czy i w jakim stopniu zaobserwowany wzrost stężenia ozonu w górnej troposferze przypisuje się działalności człowieka”.
Ludzki sygnał wśród hałasu klimatycznego
Yu i Fiore zastanawiali się, czy ludzki „odcisk palca” w poziomie ozonu, spowodowany bezpośrednio działalnością człowieka, może być wystarczająco silny, aby można go było wykryć w obserwacjach satelitarnych w górnej troposferze. Aby zobaczyć taki sygnał, badacze musieliby najpierw wiedzieć, czego szukać.
W tym celu wykorzystali symulacje ziemskiego klimatu i chemii atmosfery. Kierując się podejściami opracowanymi w naukach o klimacie, doszli do wniosku, że gdyby udało im się symulować szereg możliwych zmian klimatu w ostatnich dziesięcioleciach, wszystkie z identycznymi źródłami emisji prekursorów ozonu pochodzącymi od człowieka, ale każde z nich zaczynałoby się od nieco innych warunków klimatycznych, wówczas wszelkie różnice między scenariusze te powinny wynikać z hałasu klimatycznego. Podsumowując, wszelkie typowe sygnały, które pojawiły się podczas uśredniania symulowanych scenariuszy, powinny wynikać z przyczyn spowodowanych działalnością człowieka. Taki sygnał byłby zatem „odciskiem palca” ujawniającym ozon wytwarzany przez człowieka, którego zespół mógłby szukać w rzeczywistych obserwacjach satelitarnych.
Mając na uwadze tę strategię, zespół przeprowadził symulacje z wykorzystaniem najnowocześniejszego chemicznego modelu klimatu. Opracowano wiele scenariuszy klimatycznych, każdy rozpoczynający się od roku 1950 i kończący się na roku 2014.
Na podstawie symulacji zespół dostrzegł wyraźny i wspólny sygnał we wszystkich scenariuszach, który zidentyfikował jako ludzki odcisk palca. Następnie przyjrzeli się produktom ozonu troposferycznego pochodzącym z wielu instrumentów znajdujących się na pokładzie satelity NASA Aura.
„Szczerze mówiąc, myślałem, że dane satelitarne będą po prostu zbyt zaszumione” – przyznaje Fiore. „Nie spodziewałem się, że wzór będzie wystarczająco solidny”.
Jednak obserwacje satelitarne, z których korzystali, dały im wystarczająco dobrą szansę. Zespół przejrzał dane dotyczące ozonu w górnej troposferze pochodzące z produktów satelitarnych z lat 2005–2021 i stwierdził, że rzeczywiście dostrzega sygnał ozonu wytwarzanego przez człowieka, zgodnie z przewidywaniami wynikającymi z ich symulacji. Sygnał jest szczególnie wyraźny w Azji, gdzie w ostatnich dziesięcioleciach znacznie wzrosła działalność przemysłowa i gdzie obfite światło słoneczne i częste zjawiska pogodowe przenoszą zanieczyszczenia, w tym ozon i jego prekursory, do górnej troposfery.
Wnioski z symulacji i danych satelitarnych
Yu i Fiore starają się obecnie zidentyfikować konkretną działalność człowieka, która prowadzi do wzrostu stężenia ozonu w górnej troposferze.
„Skąd bierze się ta rosnąca tendencja? Czy są to emisje przypowierzchniowe powstałe w wyniku spalania paliw kopalnych w silnikach pojazdów i elektrowniach? Czy to samoloty latające w górnej troposferze? Czy to wpływ pożarów dzikich terenów? A może jakaś kombinacja wszystkich powyższych?” Fiore mówi. „Możliwość oddzielenia skutków działalności człowieka od naturalnych zmian klimatycznych może pomóc w opracowaniu strategii przeciwdziałania zmianom klimatycznym i zanieczyszczeniu powietrza”.
Odniesienie: „Antropogeniczny odcisk palca wykrywalny w trendach ozonu w górnej troposferze pobrany z satelity”: Xinyuan Yu, Arlene M. Fiore, Benjamin D. Santer, Gustavo P. Correa, Jean-François Lamarque, Jerald R. Ziemke, Sebastian D. Eastham i Qindan Zhu, 2 sierpnia 2024 r., Nauka i technologia o środowisku.
DOI: 10.1021/acs.est.4c01289
Badania te zostały częściowo sfinansowane przez NASA.
