O tym, że rosnąca emisja ditlenku węgla i metanu wpływa na zmiany klimatu, wiemy od dawna. Czy urbanizacja przyczynia się do wzrostu stężeń tych gazów cieplarnianych i jak to wygląda we Wrocławiu? Sprawdzili to naukowcy z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr.

Gazy cieplarniane to w dużym skrócie składniki atmosfery, które potrafią zatrzymywać energię słoneczną w obrębie atmosfery ziemskiej. Tym samym mają one bezpośredni wpływ na efekt cieplarniany, ponieważ pochłaniają promieniowanie podczerwone pochodzące z naszej planety. Energia nie może zostać uwolniona do przestrzeni kosmicznej więc temperatura atmosfery i powierzchni Ziemi się podwyższa.

Do gazów cieplarnianych zaliczamy m.in. ditlenek węgla (CO₂) i metan (CH₄), a ich pojawienie się w atmosferze to wynik zarówno procesów naturalnych, jak i działalności człowieka. I tak np. obecność CO2 w powietrzu jest zjawiskiem naturalnym, ale w wyniku działalności człowieka jego stężenie systematycznie wzrasta – głównie przez spalanie dużych ilości paliw kopalnych.

Podobnie jest z metanem, który jest produkowany zarówno w wyniku procesów naturalnych, jak i w wyniku działalności człowieka. Naturalnie wytwarzają go bakterie w procesach beztlenowych na bagnach lub terenach podmokłych. Antropogeniczne źródła metanu to głównie wydobywanie i spalanie paliw kopalnych, czy składowanie odpadów.

Ciemna strona urbanizacji

Szybka urbanizacja stanowi główny antropogeniczny czynnik zaburzeń globalnego obiegu węgla, który może doprowadzić do głębokich przekształceń ekosystemów lub mieć znaczący wpływ na zasoby naturalne i środowisko naturalne.

Zrozumienie oddziaływania różnych czynników biogenicznych i antropogenicznych oraz dynamiki przepływów ditlenku węgla i metanu w środowisku miejskim ma więc kluczowe znaczenie dla oceny przyszłych zagrożeń i skutków zmian klimatu.

I właśnie tym problemem zajął się dr inż. Yaroslav Bezyk z Katedry Inżynierii Ochrony Środowiska na Wydziale Inżynierii Środowiska. Swoją pracę doktorską „Określenie udziałów antropogenicznego i biogenicznego CO₂ i CH₄ w atmosferze Wrocławia na podstawie ich stężeń oraz składu izotopowego węgla” przygotowywał pod opieką dr hab. inż. Izabeli Sówki, prof. uczelni. Badania prowadzone były w latach 2017-2018.

Do śledzenia procesów prowadzonych do emisji wykorzystuje się dwie długotrwałe molekuły śladowe, w odmianach zwanych izotopami –  w CO₂ i  w CH₄. Pozwalają one także na wskazania pochodzenia dominujących źródeł ditlenku węgla i metanu w atmosferze miejskiej np. transport, procesy ogrzewania czy przemysł.

– Trzeba pamiętać, że różne rodzaje paliw kopalnych charakteryzują się odmienną zawartością izotopu węgla, która jest związana ze sposobem ich wytwarzania. Wzajemne zależności pomiędzy elementami środowiska naturalnego prowadzą do występowania między nimi różnic w udziale izotopów trwałych węgla – wyjaśnia prof. Izabela Sówka.

W ramach projektu sezonowe pomiary strumieni ditlenku węgla i metanu wykonywano m.in. za pomocą metody komorowej. Techniki komorowe są skuteczne w określeniu m.in. niejednorodności przestrzennej lub do porównywania różnych sposobów użytkowania gruntów. Manualna komora statyczna ma dwie składowe (pierścień i pokrywa) do pomiaru strumieni gazowych pomiędzy glebą a atmosferą. Pokrywa wykonana jest z akrylowego szkła (pleksiglasu) o grubości 5 mm, o średnicy 25 cm i wysokości 25 cm. 

Z kolei bilans izotopowo-masowy został wykonany w oparciu o pomiary bezpośrednich wartości stężeń i stosunku izotopów trwałych w atmosferycznym CO₂ i CH₄. Natomiast analizy laboratoryjne próbek gazów przeprowadzono metodą spektrometrii strat we wnęce optycznej przy zastosowaniu laserowego analizatora stężenia i składu izotopowego węgla w CO₂ i CH₄.

Główne źródła emisji we Wrocławiu

A jakie są główne źródła emisji węgla we Wrocławiu? Z analizy przeprowadzonej w 2015 r. wynika, że udział energetyki (produkcja energii elektrycznej i ciepła) oraz procesów produkcji przemysłowej w tym procesie systematycznie się zmniejsza. Natomiast rośnie stopniowo wielkość emisji ze źródeł komunikacyjnych.

– Najwięcej gazów cieplarnianych pochodzi z tzw. niskiej emisji, czyli ruchu drogowego oraz ze spalania paliw kopalnych w celach grzewczych. Statystyki analizy wyników zużycia energia wtórnej w poszczególnych sektorach gospodarki wskazują, że „liderami” zwiększonego zużycia paliw kopalnych oraz źródłami emisji są przede wszystkim energetyka (tzw. emisja wysoka i emisja niska) – 55,2%, transport – 36,1%, przemysł – 8,0%, gospodarka komunalna – 0,11% – tłumaczy dr inż. Yaroslav Bezyk.

W trakcie badań okazało się, że w okresie zimowym ruch samochodowy oraz spalanie węgla do ogrzewania i w zakładach przemysłowych stanowi dominujący udział w całkowitej emisji miejskiej (około 90% wartości stężenia CO2).

– Z kolei w miesiącach letnich w biosferze emisje biogeniczne i pochłanianie równoważą się oraz wegetacja częściowo pochłania węgiel ze spalania paliwa w silnikach samochodowych. Należy jednak zwrócić uwagę, że naturalne mechanizmy absorpcji emisji przez roślinność są niewystarczające do całkowitej asymilacji emisji antropogenicznych powstających na terenie miasta – dodaje naukowiec.

Pomiary na Biskupinie i Swojczycach

Pomiary prowadzone były w różnych miejscach Wrocławia – na łąkach, ulicach, w parkach, a do tego na różnych wysokościach. Było to konieczne m.in. ze względu na złożone warunki hydrogeologiczne w rejonie miasta oraz wysoki stopień urbanizacji i uprzemysłowienia, czy też duże natężenia ruchu.

– Te elementy stanowią główne zagrożenia dla środowiska naturalnego regionu wrocławskiego. Ponadto, ze względu na nakładanie się struktury oraz różnorodność skupisk ognisk emisji, określenie udziału źródeł ditlenku węgla i metanu jest skomplikowane. Wskazuje to tym samym na konieczność podejmowania dalszych badań w odniesieniu do mechanizmu monitorowania źródeł emisji we Wrocławiu – wyjaśnia dr inż. Yaroslav Bezyk.

Za najbardziej reprezentatywne nasi badacze uznali m.in. osiedla Biskupin oraz Swojczyce. Do badań strumieni i sygnatur izotopowych emisji biogenicznych CO₂ i CH₄ w środowisku naturalnym i przekształconym rolniczo wybrano obszar łąk na terenie Obserwatorium Zakładu Klimatologii i Ochrony Atmosfery, teren Parku Szczytnickiego oraz pola uprawne Uniwersytetu Przyrodniczego przy ul. Bartniczej.

– Stanowiska pomiarowe charakteryzowały się zróżnicowanym wpływem emisji antropogenicznych na ekosystemy miejskie, zarówno pod względem zanieczyszczenia środowiska, jak i wpływu zmian w użytkowaniu gruntów – wyjaśnia dr inż.  Yaroslav Bezyk.

Najwyższe stężenia mamy zimą

Okazało się, że najwyższe stężenia ditlenku węgla i metanu zaobserwowano pod koniec zimy, a najmniejsze pod koniec lata. Było to związane przede wszystkim ze zmianą aktywności biosfery oraz wahaniem udziału antropogenicznych emisji.

– Sezonową amplitudę średnich dobowych koncentracji atmosferycznego CO₂ i CH₄ można wiązać ze zróżnicowaną aktywnością biosfery – intensywność procesów respiracji i fotosyntezy, a także zmianą natężenia emisji ze spalaniem paliw kopalnych w indywidualnych gospodarstwach domowych oraz ruchem drogowym – podkreśla dr inż. Yaroslav Bezyk.

Jak można się było spodziewać, najwyższe wartości stężenia metanu odnotowano w okresie grzewczym. Znaczne ilości metanu były „dostarczane” do atmosfery Wrocławia w sezonie wegetacyjnym w wyniku jego emisji z terenów podmokłych, systemu kanałów i budowli hydrotechnicznych (zdominowane jako biogenne źródła metanu).

– Wyniki uzyskane w ramach prowadzonych badań pozwoliły nam na sformułowanie wniosków o zmienności sezonowej asymilacji metanu w glebie w zależności od zmienności warunków meteorologicznych i roli pokrywy roślinnej – wyjaśnia prof. Izabela Sówka. – Charakteryzowała ją również silna zmienność przestrzenna zależna przede wszystkim od zróżnicowania pokrycia terenu, w tym procesy fizjologiczne w glebie, sposoby użytkowania gruntów oraz pokrycia terenu, a więc łąki, obszary leśne czy użytki rolne – dodaje.

Wrocław na tle innych miast

A jak Wrocław wypada pod tym względem na tle innych dużych miast? Niestety trudno tutaj o jednoznaczną odpowiedź, ponieważ obecnie niewiele wiadomo o transformacjach w systemie obiegu węgla w miastach, chociaż nieliczne badania zostały wykonane właśnie w Polsce. 

Systematyczne badania dotyczące sezonowych zmian strumieni CO₂ i CH₄ z ekosystemu miejskiego oraz jego składu izotopowego dokonano wyłącznie w Krakowie. Prace dotyczące zagadnień emisji metanu i dwutlenku węgla były natomiast prowadzone w Łodzi, a analizy nieorganicznego węgla w atmosferze i opadach atmosferycznych realizowano wcześniej również we Wrocławiu. 

– Dla obszaru Wrocławia określona ilość CO₂ pochodzącego z terenu całego miasta w ciągu jednego roku do atmosfery stanowiła około 4,15 megaton, co oznacza emisję około 3,87 kg węgla na metr kwadratowy powierzchni ziemi. Wyniki pomiarów wykonane we Wrocławiu są porównywalne z wcześniejszymi wynikami oraz danymi publikowanymi przez innych autorów dotyczącymi również terenów zurbanizowanych – tłumaczy dr inż. Yaroslav Bezyk.

Dla porównania w Łodzi emisja węgla wynosiła ok. 3,2 kg na m kw, w Krakowie 6,8 kg na m kw, w Essen 4,3 kg na m kw, a w Londynie 8,7 kg na m kw.

– Warto zaznaczyć, że zapis zmian stężeń atmosferycznych CO2 i CH4 we Wrocławiu jest wciąż stosunkowo krótki i nie na tyle systematyczny, by móc wyciągać ostateczne wnioski dotyczące długotrwałej zmiany lokalnego bilansu węglowego. W związku z tym poruszony problem jest początkiem do dalszych długotrwałych badań – zaznacza prof. Izabela Sówka.

W przyszłości badania będą skoncentrowane m.in. na tzw. pomiarach mobilnych atmosferycznych gazów cieplarnianych (GHGs) z wykorzystaniem metod znacznikowych. W planach są też badania nad określeniem możliwości analizy zmienności stężeń gazów cieplarnianych w czasie rzeczywistym za pomocą sieci czujników jakości powietrza oraz mobilnych kampanii pomiarowych.

– Realizacja serii eksperymentów pomiarowych w przyszłości uzupełni wiedzę o przestrzenno-czasowej zmienności atmosferycznego ditlenku węgla i metanu, zwiększy dokładność obrazowania „smug” emisji gazów cieplarnianych z dużych źródeł punktowych oraz modelowanie jakości powietrza w zróżnicowanym środowisku miejskim – zapowiada prof. Izabela Sówka.

Zakończone badania prowadzone były we współpracy z Głównym Inspektoratem Ochrony Środowiska, Departamentem Monitoringu Środowiska, Regionalnym Wydziałem Monitoringu Środowiska we Wrocławiu oraz prezydentem i Urzędem Miasta Wrocławia.

W analizy laboratoryjne zaangażowani byli również naukowcy z Uniwersytetu Wrocławskiego, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Uniwersytetu im. Georga Augusta w Getyndze, Politechniki Lwowskiej, a także badacze z Katedry Inżynierii Ochrony Środowiska Wydziału Inżynierii Środowiska i Katedry Górnictwa i Geodezji Wydziału Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej.

mic