О проекте

Карбоновые полигоны – пилотный проект Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. С одной стороны, полигоны – это тестовые площадки на неурбанизированных территориях, на которых разрабатывают и испытывают технологии измерения, мониторинга и контроля парниковых газов. С другой стороны, карбоновый полигон – это организация, оператор полигона, которая проводит исследования на этой площадке, закупает, устанавливает и обслуживает измерительное оборудование, проводит образовательные мероприятия, разрабатывает и внедряет магистерские и дополнительные образовательные программы. Нередко оператор полигона – это известный ВУЗ, например, МГУ им. М.В. Ломоносова или ЧГУ им. А.А. Кадырова. Иногда оператором полигона выступает коммерческое предприятие, заинтересованное в экологических исследованиях на определенных территориях.

Деятельность карбоновых полигонов многогранна. Центральная роль каждого полигона – измерение и мониторинг потоков парниковых газов: углекислый газ CO2, метан CH4, закись азота NO и некоторые другие. Формально к парниковым газам относится и водяной пар H2O, однако его вклад в т.н. «парниковый эффект» на масштабах времени лет и десятилетий не настолько же существеннен по сравнению с углеродсодержащими газами. Другие роли карбоновых полигонов – организация исследований в отношении потенциала поглощения парниковых газов различными способами, образовательная деятельность, международное сотрудничество.

Технологии измерения потоков газовых примесей разрабатываются давно в рамках фундаментальных и мониторинговых метеорологических исследований. На сегодня наиболее точными и надежными признаны измерения методом вихревых ковариаций и измерения с помощью почвенных камер. Такие измерения хороши для т.н. «точечных» оценок потоков – таких, которые характеризуют очень небольшую часть ландшафта. Однако когда нужно измерить суммарный поток парниковых газов целого леса или на масштабе какой-то существенной территории, следует пользоваться дистанционными средствами измерений – сканирующими мультиспектральными камерами, установленными на борту беспилотных летательных аппаратов (дронов) или спутников. Дистанционные измерения характерны сниженной точностью по сравнению с наземными, но при этом спутниковые, например, практически полностью покрывают территорию России, что потенциально позволяет оценить суммарную эмиссию или поглощение целой страны. Для повышения точности оценок потоков парниковых газов с применением дистанционного зондирования на карбоновых полигонах и в сотрудничающих с ними институтах разрабатываются алгоритмы, основанные на методах искусственного интеллекта, позволяющие объединить показания наземных приборов и камер дистанционных измерений. Такие алгоритмы встраиваются в комплексные прикладные системы оценки углеродного потенциала территорий.

Отдельно следует упомянуть морские карбоновые полигоны, на которых проводятся аналогичные измерения потоков климатически активных газов над морской поверхностью. Океан в зависимости от ветра, волнения, температуры и состава воды, а также процессов в осадочных отложениях может как сильно поглощать, так и испускать парниковые газы. Приборы, с помощью которых измеряются потоки на поверхности океана, похожи на «сухопутные», и функционируют по похожим принципам. Особенности измерений, связанные с морской качкой или с агрессивными условиями измерений в присутствии морской воды, обычно повышают стоимость приборов и иногда изменяют методику измерительных экспериментов, но принципиально не препятствуют измерениям и мониторингу.

Измерения и мониторинг – фактически, подходы диагноза, отвечающие на вопросы «сколько» в отношении потоков парниковых газов. В то же время, для снижения эмиссии парниковых газов на территориях или для усиления их поглощения необходимо ответить на вопросы «почему?» Для этого на карбоновых полигонах проводятся исследования технологий и подходов повышения поглощающей способности территорий. В этом отношении в списке климатически активных газов в первую очередь выделяют углеродсодержащие: углекислый газ (CO2) и метан (CH4). Наиболее перспективными методами поглощения CO2 сегодня признаются накопление углерода за счет прироста зеленой массы. Разные породы деревьев и кустарников обладают различной способностью к накоплению углерода в процессе роста, поэтому усилия исследователей сосредоточены на выявлении видов и гибридов, наиболее активных в отношении CO2. Аналогичные исследования проводятся на болотных ландшафтах и в море – в отношении различных морских культур и растительных сообществ, характерных для болот.

Науки, связанные с оценкой цикла углерода в природных экосистемах, развиваются достаточно давно. Не меньшей историей характерны науки метеорологического направления, в рамках которых развиваются методы точного измерения потоков газовых примесей. В связи с повышенным вниманием к экологической безопасности и проблеме меняющегося климата, эти направления наук привлекли особенное внимание молодых специалистов только недавно. Сниженный интерес со стороны молодых исследователей к наукам экологического и метеорологического направления по сравнению с сиюминутно более перспективными специальностями привел к тому, что в настоящее время ощущается недостаток экспертов во многих областях, связанных с деятельностью карбоновых полигонов, с экологической безопасностью, и оценкой климатических рисков в целом. В рамках деятельности операторов карбоновых полигонов разворачивается масштабная образовательная деятельность по подготовке молодых специалистов в направлениях природопользования, метеорологии, почвоведения, экологической безопасности, искусственного интеллекта и машинного обучения в науках о Земле. Для этого в ВУЗах, сотрудничающих с карбоновыми полигонами или являющихся их операторами, запускаются магистерские программы и спецкурсы. В аналогичных направлениях запускаются программы повышения квалификации. Это позволяет развить кадровую базу для развивающегося проекта карбоновых полигонов.

Фундаментальная и прикладная наука – явление социальное, основанное на взаимодействии экспертов, их обсуждениях. Развитие научных исследований существенно затрудняется без глобального сотрудничества, поэтому международные связи коллективов карбоновых полигонов – важнейшое направление деятельности в рамках проекта. Международное сотрудничество направлено на освещение результатов исследований научных групп полигонов, партнерских ВУЗов и исследовательских институтов. Кроме того, важнейшим аспектом деятельности полигонов должен стать обмен научным данными – данными измерений. Демонстрация результатов исследований – одна из основных задач научных коллективов проекта карбоновых полигонов. Посредством публикации и обсуждения таких результатов повышается достоверность выводов о углеродно-секвестрационном потенциале территорий России. Как следствие, могут быть пересмотрены методики расчета экспортного углеродного налога на продукцию российских компаний.

Организация и поддержание функционирования карбонового полигона – сложный процесс. Методическими рекомендациями Экспертного Совета устанавлен список приборов, которые считаются «золотым стандартом» при измерениях и мониторинге характеристик углеродного цикла в природных экосистемах. Закупка приборов, организация измерений, организация полетов БПЛА, организация полевых кампусов-лабораторий для исследования образцов растительности и почвы «в поле», правильная и надежная установка оборудования, настройка сбора и обработки данных – все это входит в сферу ответственности оператора карбонового полигона. Для организации такой сложной наукоемкой экспериментальной площадки требуются различные компетенции специалистов – от организационных, IT и электриков до специалистов в сфере машинного обучения в науках о Земле и, конечно, экспертов в фундаментальных направлениях: гидрометеорология, почвоведение, ландшафтоведение, география, моделирование экосистем, геохимия и проч.