Szkodliwy czarny proszek

Przez długi czas głównym źródłem sadzy były kominy wznoszące się ponad dachami budynków fabrycznych i domów mieszkalnych. Dziś zastąpiły je - przynajmniej w krajach wysoko uprzemysłowionych - rury wydechowe ciężarówek, autobusów i innych pojazdów napędzanych silnikami dieslowskimi.

Do radykalnego ograniczenia emisji sadzy na świecie nawołuje Marc Jacobson - naukowiec ze Stanford University. W pracy opublikowanej latem tego roku w "Journal of Geophysical Research" dowodzi, że tylko w ten sposób można w krótkim czasie zahamować wzrost temperatur w Arktyce i ocalić jej środowisko. "Sadza utrzymuje się w powietrzu od kilkunastu dni do kilkunastu tygodni, podczas gdy dwutlenek węgla wiele dziesięcioleci. W przypadku sadzy efekt ograniczenia emisji będzie więc natychmiastowy. To znacznie skuteczniejsza metoda zatrzymania zmian klimatycznych niż ryzykowne pomysły geoinżynieryjne" - uważa naukowiec.

Według wyliczeń Jacobsona drastyczne ograniczenie ilości sadzy w ziemskiej atmosferze sprawiłoby, że średnie roczne temperatury na Ziemi spadłyby o 1 °C w ciągu zaledwie 15 lat. Tempo wydaje się niesamowite. A w przypadku obszarów położonych za kołem podbiegunowym północnym efekt byłby jeszcze silniejszy. Zdaniem naukowca temperatury w Arktyce obniżyłyby się aż o 1,7 °C. "Wystarczy, aby na pewien czas oddalić groźbę uruchomienia kaskadowych zmian w środowisku polarnym. Na dłuższą metę pomóc może oczywiście tylko redukcja gazów cieplarnianych" - mówi Jacobson.

Sadza to czarny proszek składający się głównie z mikroskopijnych drobin węgla. Powstaje podczas mało efektywnego, odbywającego się w zbyt niskiej temperaturze, spalania rozmaitych surowców energetycznych - węgla, ropy czy drewna. Średnica tych cząstek węgla jest wielokrotnie mniejsza od średnicy ludzkiego włosa. Nic dziwnego, że wiatr łatwo unosi ten drobiazg w górę i przenosi na duże odległości, liczone nawet w tysiącach kilometrów.

O sadzy jako czynniku ocieplającym ziemski klimat do niedawna niewiele mówiono. W kolejnych raportach setki stron poświęcano dwutlenkowi węgla, lecz sadzę traktowano marginalnie. Przełomowe znaczenie miały badania, które na początku ostatniego dziesięciolecia rozpoczęli naukowcy z nowojorskiego Goddard Institute for Space Studies (GISS) - ośrodka finansowanego przez agencję kosmiczną NASA, a działającego w ramach Columbia University w Nowym Jorku. Placówką od ponad 30 lat kieruje James Hansen. On też był inicjatorem badań, które przyniosły wiele zaskakujących wyników.

Niespodzianką było odkrycie, jak wielki wpływ na klimat ma sadza osiadająca na powierzchni śniegu i lodu. Hansen i jego współpracownicy doszli do wniosku, że jej udział we wzroście temperatur na globie w ostatnim wieku sięga nawet 25proc. "Drobiny węgla zmniejszają zdolność śniegu do odbijania światła słonecznego. Część promieniowania zostaje bowiem pochłonięta przez sadzę i zamieniona na energię cieplną" - tłumaczyli badacze.

Zwracali też uwagę na pozytywne sprzężenie zwrotne: w wyniku pochłaniania ciepła słonecznego śnieg szybciej topnieje, a jego kryształki zlepiają się ze sobą. Wtedy absorbuje jeszcze większą ilość promieniowania słonecznego. Ponadto wytapiają się z niego kawałki skał i gruzu skalnego, które również pochłaniają promieniowanie. "I tak śladowe ilości sadzy mogą uruchomić proces, który kończy się zniknięciem płata śniegu lub bryły lodu" - tłumaczyli badacze. Opisane przez nich zjawisko jest oczywiście od dawna znane i obserwowane. Wcześniej jednak nikt nie miał pojęcia, że jego konsekwencje dla Ziemi mogą być aż tak poważne.

Aby oszacować - po raz pierwszy w historii - wpływ sadzy na klimat, grupa Hansena sięgnęła po dane o stężeniu aerozolu w powietrzu w różnych miejscach kuli ziemskiej. Takie pomiary są wykonywane systematycznie dopiero od niedawna. Na dodatek w miarę gęsta siatka aparatury pomiarowej znajduje się tylko w niektórych częściach globu - przede wszystkim w Europie, Ameryce Północnej i Arktyce, a także wokół Antarktydy. Od czasu, gdy nad południową i wschodnią Azją wykryto olbrzymią koncentrację sadzy, którą wiatry roznoszą po całej planecie, również ten region stał się przedmiotem regularnych obserwacji.

Badacze z GISS zdawali sobie sprawę, że ich wiedza o wędrówkach sadzy po świecie jest niepełna, lecz uznali, że z wnioskami nie należy czekać, aż dowiedzą się wszystkiego, ponieważ taki moment nigdy nie nastąpi. Z pierwszych ustaleń wynikało, że półkula północna jest dużo silniej zanieczyszczona niż południowa. Na Antarktydzie śnieg jest tak samo biały jak dawniej, natomiast w Arktyce zawiera już znaczną domieszkę czarnych drobin. Najwięcej jednak jest ich w śniegu alpejskim, a szybko zwiększa się ich poziom w Himalajach i Tybecie, dokąd dociera sadza znad Chin i Indii.

Późniejsze obserwacje i eksperymenty wykazały, że śnieg jest zadziwiająco czuły na obecność sadzy. Już przy stężeniu w atmosferze wynoszącym zaledwie kilka części na miliard opadnięcie czarnego proszku na powierzchnię śniegu zmniejsza jego zdolność do odbijania światła (albedo) o 1proc. Niby nie brzmi to groźnie, lecz już taki impuls wystarczy do zmodyfikowania bilansu energetycznego globu i podniesienia temperatur. A w Arktyce, w Alpach, czy ostatnio w górach Azji sadza gromadzi się w znacznie większych ilościach. Jej stężenie - jak wynika z pomiarów - sięga nawet 100 części na miliard.

Badacze z GISS oszacowali, że śnieg na półkuli północnej odbija dziś o 3proc. mniej promieniowania słonecznego niż sto lat temu. Dla Antarktydy, gdzie pokrywa śniegowa jest wciąż nieskażona zanieczyszczeniami, albedo wynosi zero. Ale to wyjątek. Wykonane przez grupę Hansena obliczenia obejmujące okres od 1880 do 2000 roku pokazały, że za wzrost temperatur na globie odpowiada aż w jednej czwartej sadza. "Sadza jest pierwszoplanowym uczestnikiem gry, w której stawką jest równowaga klimatyczna planety" - konkludowali badacze.

W przekonaniu tym Hansen utwierdził się rok temu po powrocie z Tybetu, gdzie wspólnie z badaczami z uniwersytetu w Pekinie przez wiele miesięcy nawiercał lodowce, aby zobaczyć, jak bardzo zostały one zanieczyszczone sadzą w ciągu ostatnich 20 lat. Wrócił zdumiony olbrzymią ilością brudu kumulującego się w miejscach odległych o tysiące kilometrów od ośrodków przemysłowych i gęsto zaludnionych regionów wschodnich Chin. "Wciąż nie traktujemy sadzy poważnie. Tymczasem pozbycie się jej nadmiaru byłoby znacznie łatwiejsze niż pozbycie się nadwyżki dwutlenku węgla. I gwarantowałoby natychmiastową poprawę. Dysponujemy odpowiednimi technologiami, dzięki którym możemy poradzić sobie z problemem w ciągu kilkunastu lat" - mówił.

Azja idzie drogą, którą sto lat temu przebyła Europa i Ameryka Północna. Zwykle uważa się, że Arktykę zaczęliśmy zanieczyszczać na dużą skalę dopiero w ostatnich dekadach. Ale to nieprawda. Dziś jest pod tym względem lepiej niż na początku XX wieku. W 2007 roku Joe McConnell i Ross Edwards z Desert Research Institute in Reno (USA) wybrali się na Grenlandię, by zmierzyć ilość sadzy zakumulowanej w jej lodzie w ciągu ostatnich 200 lat. W kilku miejscach pobrali rdzenie do analiz. Ze zdumieniem stwierdzili, że najwięcej sadzy pochodzenia przemysłowego docierało na odległą arktyczną wyspę pod koniec XIX wieku i na początku XX. Rekord padł w 1910 roku, kiedy to w lodzie uzbierało się 8-10 razy więcej sadzy niż przed rewolucją industrialną.

W drugiej połowie XIX wieku sadzy i innych zanieczyszczeń było nad Arktyką tak dużo, że w niektórych miejscach brudy tworzyły mgiełkę podobną do smogu. Dwa lata temu Tim Garrett i Lisa Verzella z University of Utah przejrzeli literaturę naukową i podróżniczą z tego okresu. Znaleźli doniesienia o arktycznym smogu w publikacjach sprzed 140 lat. Pierwszy naukowy opis zjawiska przedstawił w 1883 roku w "Science" szwedzki geolog Adolf Erik Nordenskiold, który w tym czasie prowadził badania na Grenlandii. Obserwował on "drobny pył mający barwę szarą w stanie suchym, a czarną lub ciemnobrązową w stanie wilgotnym, który osiadał na powierzchni lodu, tworząc warstewkę grubości od 0,1 do 1 mm".

Wyniki kwerendy badacze zamieścili w "Bulletin of the American Meteorological Society". Tam też przedstawili konkluzje. Garrett i Varzella, podobnie jak rok wcześniej McConnell i Edwards, doszli do wniosku, że sto lat temu na Arktykę spadały znacznie większe ilości sadzy niż teraz. Ci drudzy badacze opublikowali wkrótce kolejną pracę, w której zajęli się innymi toksycznymi produktami ubocznymi spalania węgla kamiennego łatwo przemieszczającymi się w atmosferze - kadmem, talem i ołowiem. I znów potwierdziło się, że gorzej już było.

Co nie znaczy, że teraz jest świetnie. W zeszłym roku znów badacze z GISS i Columbia University - tym razem byli to Drew Shindell i Greg Faluvegi - sięgnęli po dostępne dane na temat emisji gazów cieplarnianych i aerozoli, w tym sadzy, wytworzonych przez człowieka od 1976 roku do 2007 roku. Chcieli ocenić, jaki był udział jednych i drugich w zmianach klimatycznych zachodzących w tym najgorętszym - od co najmniej tysiąca lat - okresie w dziejach globu. Skorzystali z matematycznych modeli krążenia ciepła i energii pomiędzy ziemską atmosferą i oceanami. Z tych symulacji wynikało, że aerozole odpowiadają w co najmniej 45proc. za wzrost temperatur w Arktyce w ciągu ostatnich 30 lat.

Spośród tych drobin główne znacznie mają związki siarki i sadza. Pierwsze odbijają promieniowanie słoneczne, ochładzając glob. Są ubocznym produktem spalania węgla i ropy. Dzięki nowoczesnym filtrom ich emisja spadła o połowę w Europie i USA, w porównaniu z latami 70. XX wieku. Ale, jak zauważyli badacze, z ziemskiej atmosfery nie ubyło sadzy - centrum jej emisji przeniosło się tylko z naszej części Ziemi do Azji Wschodniej. Shindell i Faluvegi doszli do wniosku, że:

- w latach 1976-2007 temperatury w Arktyce wzrosły o 1,5 °C, czyli ponad dwa razy bardziej niż na całym globie,

- od 1890 roku do dziś Arktyka ogrzała się o 1,9 °C (dla porównania średnie roczne temperatury na naszej planecie podniosły się o 0,78 °C),

- aerozole podgrzały Arktykę o 1 °C od 1890 roku, przy czym dwie trzecie tego wzrostu przypada na ostatnie dziesięciolecia.

Po raz kolejny badacze nawoływali, aby nie lekceważyć sadzy. "Dwutlenek węgla tak zdominował naszą wyobraźnię, że sadzę wciąż traktuje się jak mało znaczącego gracza. To błąd, bo jest ona równie ważna jak gazy cieplarniane. Fakt ten ma kluczowe znaczenie dla wyboru metod hamowania globalnego ocieplenia" - podkreśla Shindell.

I tak wróciliśmy do Jacobsona i skrupulatnie opracowywanych przez niego scenariuszy przyszłości, w których sadza - inaczej niż np. w dotychczasowych raportach Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Klimatu - zajmuje miejsce odpowiednie do jej znaczenia. Naukowiec próbuje za pomocą równań matematycznych opisać zachowanie mikodrobin węgla w atmosferze, w tym ich interakcje z kropelkami wody w chmurach. "Od tego bowiem w dużym stopniu zależy, jaka część promieniowania słonecznego zostanie odbita i powróci w kosmos, a jaka pochłonięta i przetworzona na ciepło, które ogrzeje atmosferę" - mówi.

Jacobson zwraca uwagę, że wpływ sadzy na klimat zależy także od tego, w jaki sposób powstało zanieczyszczenie. Jej drobinki różnią się budową i potencjałem cieplarnianym. Silniejszy mają te, które powstały podczas spalania paliw kopalnych. Mniej szkodliwa dla środowiska jest sadza pochodząca ze spalania biomasy. Ale ta druga - jak podkreśla Jacobson - stanowi z kolei większe zagrożenie dla zdrowia. Poza tym jej emisja w krajach azjatyckich szybko rośnie.

Niedawno szwedzki badacz Örjan Gustafsson zbadał chmury sadzy i innych zanieczyszczeń, która każdej zimy zawisa nad południową Azją oraz tropikalnymi wodami Oceanu Indyjskiego. Chciał ustalić, co przede wszystkim jest źródłem tego gigantycznego smogu - samochody i elektrownie opalane węglem brunatnym i kamiennym czy też drewno i odchody zwierząt wykorzystywane do gotowania posiłków i ogrzewania domów. Okazało się, że w dwóch trzecich składa się on z produktów ubocznych spalania biomasy.

"Aby oczyścić niebo nad Azją Południową, nie wystarczy ograniczyć emisji zanieczyszczeń przez transport i przemysł. Dopóki drewno, a także krowie odchody, będą głównym źródłem ciepła w milionach domów, smog będzie powracał" - podsumował Gustafsson.

Dla południowej i wschodniej Azji sadza jest dziś bardzo niebezpieczna. Może się przyczynić do szybszego zniknięcia lodowców w Himalajach i Tybecie, a także zaburzyć rytm wędrówek monsunów. Jedno i drugie grozi w dłuższej perspektywie niedoborem wody, a to oznacza nieurodzaj i klęski głodu. Tak wynika z badań, które od lat prowadzi w tym regionie świata Veerabhadran Ramanathan ze Scripps Institution of Oceanography w San Diego. Wyjechał on z Indii przed 40 laty, ale teraz bywa w nich często, realizując z indyjskimi naukowcami projekt o nazwie Surya, w ramach którego biednym rodzinom instaluje się piece ogrzewane energią słoneczną.

Wielu mieszkańców indyjskich wiosek nigdy nie słyszało o globalnym ociepleniu, ale wiedzą doskonale, że gęsty dym zatruwa im płuca. "Kilka lat temu oszacowano, że około pół miliona kobiet i dzieci w Azji umiera co roku z powodu wdychania sadzy unoszącej się z palenisk" - mówi Ramanathan. Mimo to zmiana nawyków nie przychodzi wcale łatwo, także z tego powodu, że wiele tradycyjnych dań hinduskich przygotowywanych jest właśnie w piecach opalanych drewnem. Bez nich potrawa już tak nie smakuje.

Hansen i jego współpracownicy ustalili, że część sadzy azjatyckiej wędruje w wyższych warstwach atmosfery ku biegunowi północnemu. Jednak nie znaczy to, że klucz do rozwiązania problemu leży tylko w Chinach i Indiach. "Owszem emitują one coraz więcej sadzy, ale Europa i Ameryka Północna nadal mają w tym procederze olbrzymi udział" - podkreśla szef GISS. Także Jacobson przypomina, że w USA i niektórych krajach europejskich emisje sadzy w przeliczeniu na jednego mieszkańca są na poziomie porównywalnym z Chinami. "Trzeba montować filtry w pojazdach z silnikami Diesla, rozwijać transport kolejowy, a w krajach azjatyckich - dodatkowo rozbudować sieć gazową w miastach oraz elektryfikować wsie. W ten sposób można ograniczyć rozproszone spalanie węgla i drewna - dwóch głównych i zarazem najmniej ekologicznych surowców energetycznych. Najważniejsze, byśmy zaczęli traktować sadzę równie poważnie jak dwutlenek węgla. Także dlatego, że co roku jest przyczyną przedwczesnej śmierci półtora miliona ludzi" - mówi Jacobson.

Andrzej Hołdys, dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik "WiŻ"