Jakie czynniki meteorologiczne decydują o napływie i zatrzymaniu smogu w Krakowie? Jak wpływa na to rzeźba terenu? Czy zanieczyszczenia w sezonie grzewczym pochodzą w głównej mierze z Krakowa czy spoza miasta? To kluczowe pytania jakie postawili sobie naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Odpowiedzi przynoszą ich badania przeprowadzone w trakcie pandemii COVID-19. Wyniki zostały opublikowane w jednym z najczęściej cytowanych czasopism na świecie Scientific Reports.

W ramach badań prowadzonych w trakcie pandemii naukowcy z Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska gromadzili dane pochodzące z kilkudziesięciu czujników zlokalizowanych na terenie Krakowa i okolic. Najważniejsze wnioski płynące z badań dotyczą jednoznacznego powiązania położenia Krakowa i zanieczyszczeń powietrza, które w znacznym stopniu są transportowane z sąsiednich gmin.

- W badaniach zastosowaliśmy kompleksowe podejście geostatystyczne do czasoprzestrzennej analizy stężeń pyłu zawieszonego (PM). Dane pochodzą z gęstej sieci czujników firmy Airly i referencyjnych stacji pomiarowych Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska. Wyniki wskazują na związek między topografią, zmiennymi meteorologicznymi i stężeniami PM. Głównymi czynnikami są prędkość wiatru i ukształtowanie terenu. Badanie stosunku PM2,5/PM10 pozwoliło na szczegółową analizę przestrzennej migracji zanieczyszczeń, z uwzględnieniem zróżnicowania źródeł. Badania te wskazują, że niekorzystne położenie Krakowa sprawia, że jest on podatny na akumulację zanieczyszczeń z sąsiedztwa. Głównym źródłem zanieczyszczenia powietrza w badanym okresie było ogrzewanie paliwami stałymi poza miastem – podkreśla dr inż. Mateusz Zaręba z zespołu badające zanieczyszczenia. Okres pandemii zapewnił wyjątkowe warunki dla obserwacji wpływu ogrzewania paliwem stałym na stężenia PM ze względu na niski poziom zanieczyszczeń związanych z ograniczonym transportem samochodowym.

Mapa topograficzna Krakowa z lokalizacjami czujników Airly wraz z granicami dzielnic Krakowa i główne rzeki. Grafika: AGH

Badacze wykazują, że główne źródła zanieczyszczeń zmieniały się na przestrzeni lat. Na początku lat 70. głównym źródłem był przemysł metalurgiczny. Wraz ze wzrostem liczby ludności miasta, udział ogrzewania z paliw kopalnych jako źródła zanieczyszczeń zaczął wzrastać i jest obecnie dominującym źródłem w miesiącach zimowych. W Krakowie obowiązuje całkowity zakaz używania paliw stałych do ogrzewania, więc główne źródła zanieczyszczeń znajdują się poza miastem.

W okresie późnej jesieni, zimy i wczesnej wiosny głównym źródłem zanieczyszczeń pozostaje w Krakowie ogrzewanie paliwem stałym. Drugim głównym czynnikiem jest transport samochodowy, który również zmienia się w zależności od pory roku.

Obecny problem zanieczyszczenia powietrza w Krakowie związany jest z położeniem geograficznym tego miasta – wykazują naukowcy.  - Szczególne położenie Krakowa, ograniczonego od północy i południa wzniesieniami determinuje oś pradoliny Wisły jako główną drogę napływu zanieczyszczeń. Pomimo wielu przepisów zakazujących stosowania paliw kopalnych do ogrzewania, zanieczyszczenia nadal migrują do miasta z lokalizacji zewnętrznych, co w niektóre zimowe dni czyni je jednym z najbardziej zanieczyszczonych miast na świecie – podkreśla prof. Tomasz Danek.

Mapy temperatury, pyłów PM1, PM2.5 oraz PM10 napływających do Krakowa w dniu 18 marca 2020 r. Grafika: AGH

Celem pracy było szczegółowe zbadanie wpływu czynników meteorologicznych i morfologii terenu na zanieczyszczenie powietrza w Krakowie oraz migrację tych zanieczyszczeń metodami geostatystycznymi. Wyniki badań pokazują, że zanieczyszczenia powietrza w Krakowie w badanym okresie spowodowane było głównie migracją zanieczyszczeń z sąsiedztwa, gdzie dozwolone jest stosowanie paliw kopalnych do ogrzewania. – W badaniu przeanalizowaliśmy stężenia PM2.5 i PM10 w Krakowie i gminach ościennych. Ponadto pokazaliśmy główne kierunki migracji zanieczyszczeń powietrza w powiązaniu z kierunkiem wiatru. Zastosowaliśmy analizę statystyczną do zbadania zależności między stężeniami PM2.5 i PM10, a innymi właściwościami fizycznymi atmosfery. Pomiar obejmował ciśnienie atmosferyczne, temperaturę i wilgotność. Zbieraliśmy dane wczesną wiosną 2021 r., kiedy transport samochodowy był ograniczony z powodu częściowego lockdownu w trakcie COVID-19 w Polsce. Pozwoliło to na obserwację zanieczyszczeń powietrza z ogrzewania paliwem stałym przy znacznie obniżonym zanieczyszczeniu generowanym przez ruch drogowy - wyjaśnia prof. T. Danek

Standaryzowany model GWR pyłów PM10 i PM2.5 (wraz z ich stosunkiem) napływających do Krakowa (bazujący na analizie czynników meteorologicznych i topografii terenu). Grafika: AGH

Główne wnioski z badania są następujące:
* Dominującymi czynnikami w badanym okresie sprzyjającymi migracji zanieczyszczeń do miasta były prędkość i azymut wiatru. Największą rolę w zatrzymaniu zanieczyszczeń odgrywało ciśnienie atmosferyczne.
* Dominującym czynnikiem wpływającym na generowanie zanieczyszczeń z zewnątrz jest temperatura, a konkretnie subiektywne odczucie chłodu.
* Skomplikowana morfologia terenu i usytuowanie miasta w dolinie jest kluczowym czynnikiem wpływającym na transport i zatrzymywanie zanieczyszczeń. Występująca w Krakowie tendencja do powstawania mgieł dodatkowo spowalnia odpływ zanieczyszczeń.
* Potrzebne są skoordynowane działania pomiędzy Krakowem i ościennymi gminami w celu poprawy jakości powietrza w całej aglomeracji. Działania samego miasta Krakowa, choć istotne, to nigdy nie będą wystarczające.

- Innymi wnioskami, które płyną z naszych badań jest z pewnością fakt, że badania wieloletnich trendów stężeń pyłów PM10 w Krakowie dowodzą, że kampanie informacyjne i edukacja są ważnymi czynnikami inicjującymi zmiany prowadzące do polepszenia jakości powietrza – podkreśla mgr inż. Elżbieta Węglińska.

Badaniami, pod kierownikiem prof. Tomasza Danka z Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie, zajmował się zespół w składzie: dr inż. Mateusz Zaręba oraz doktorantka Elżbieta Węglińska z Katedry Geoinformatyki i Informatyki Stosowanej.

Pełna treść artykułu w serwisie Nature>> nature.com