Дайджест за октябрь 2023 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Финские ученые предложили новый метод оценки выбросов диоксида углерода из осушенных торфяных лесных почв

На торфяниках, осушаемых для целей лесного хозяйства, баланс углерода C или диоксида углерода CO2 в почве зависит как от (i) более высокого гетеротрофного выделения CO2-C в результате более быстрого разложения органического вещества почвы SOM, так и (ii) более высокого поступления C в растительный опад из более интенсивно растущих лесов. Этот баланс и другие поглотители и источники парниковых газов (ПГ) на управляемых землях ежегодно представляются национальными кадастрами ПГ в соответствии с Конвенцией Организации объединенных наций об изменении климата. В этой статье мы представляем пересмотренный, полностью динамический метод составления отчета о балансе CO2 осушенных лесных почв торфяников в Финляндии. Наш метод позволяет отслеживать временные изменения в росте биомассы деревьев, заготовке древесины и климатических параметрах, и он основан на эмпирических регрессионных моделях разложения сома и поступления подстилки в осушенных торфяных лесах. Включены все основные компоненты надземной и подземной подстилки, поступающей от наземной растительности, а также живых деревьев и деревьев, которые погибли естественным путем, дополненные недавно приобретенными показателями оборачиваемости тонких корней древесных растений. Ежегодное поступление подстилки из остатков лесозаготовок рассчитывается с использованием национальной статистики лесозаготовок и энергопотребления деревьев. Выщелачивание, при котором также происходит вывоз растворенного углерода из осушенных торфяников, не учитывается. Результаты представлены в виде временных рядов за 1990-2021 годы в соответствии с практикой составления кадастра парниковых газов. Наш пересмотренный метод дает тенденцию к увеличению ежегодных выбросов с 0,2 до 2,1 тCO2 га−1 год−1 за период 1990-2021 гг. в Финляндии (что соответствует тенденции с 1,4 до 7,9 млн т CO2 в год на все 4,3 млн га осушенных торфяных лесов), со статистически значимой разницей между показателями 1990 и 2021 годы. За период 1990-2021 гг. ежегодные выбросы составляют в среднем 1,5 тCO2 га−1 год−1 (3,4 млн тCO2 год−1 на площади 2,2 млн га) в более теплой южной Финляндии и -0,14 тCO2 га−1 год−1 (-0,3 млн тCO2 год−1 на площади 2,1 млн га) в более прохладной северной Финляндии. Финляндия. В сочетании с данными о поглощении CO2, создаваемом растущим запасом деревьев, в 2021 году осушенные лесные экосистемы торфяников были источником 1,0 тCO2га−1 год−1 (2,3 млн тCO2 год−1) в южной Финляндии и поглотителем 1,2 тCO2 га−1 год−1 (2,5 млн тонн CO2 в год) в северной Финляндии. Мы сравниваем эти результаты с результатами, полученными полудинамическим методом, использовавшимся ранее в финской инвентаризации парниковых газов, и обсуждаем сильные и слабые стороны нового пересмотренного метода по сравнению с более статичными коэффициентами выбросов.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Китайские ученые разработали стратегии заводской декарбонизации для мировой сталелитейной промышленности

Критическая роль черной металлургии в декарбонизации глобальных энергетических систем требует уточнения стратегий смягчения последствий изменения климата. Здесь на основе новой базы данных по отдельным предприятиям черной металлургии по всему миру мы исследуем различия в соотношении возраста и мощности и интенсивности выбросов заводов первичного сталеплавильного производства. Мы разрабатываем региональные экономически эффективные стратегии декарбонизации, ориентируясь на определенную долю предприятий. Мы обнаружили, что более эффективным показателем для целевой декарбонизации в развивающихся регионах является интенсивность выбросов, а в развитых странах - соотношение возраста и мощности. Какой бы показатель мы ни использовали для определения целевых предприятий, стратегия трансформации в сторону внепечной обработки стали в большинстве случаев оказывается экономически более эффективной, чем повышение эффективности, хотя существуют очевидные региональные приоритеты. Полученные нами результаты подчеркивают приоритетность показателей и стратегий снижения выбросов в зависимости от региона при выборе предприятий, что помогает разрабатывать краткосрочные и экономически эффективные стратегии снижения выбросов CO2 в металлургии.

Исследование опубликовано в журнале Nature Climate Change

Коллектив ученых из Германии изучил путь метана при промывке водохранилищ

Водохранилища представляют собой глобально значимый источник парникового газа метана CH4, который выбрасывается в атмосферу различными путями. В некоторых водохранилищах промывка водохранилища используется в качестве стратегии управления отложениями для борьбы с растущими отложениями, угрожающими емкости водохранилища. Промывка водохранилища использует силу водных течений при понижении уровня воды для мобилизации и переноса отложений через водосброс плотины в нижнее течение реки. В ходе этого процесса CH4, накопленный в отложениях, может быть выброшен в воду и выделен в атмосферу, что приводит к выбросам CH4. Здесь мы оцениваем значимость этого пути эмиссии CH4 и сравниваем его с другими путями эмиссии CH4 из водохранилищ. Мы измерили сезонные и пространственные концентрации CH4 в донных отложениях Шварценбахского водохранилища, что позволило получить один из крупнейших наборов данных по концентрации CH4 в поровых водах пресноводных систем. На основе этого набора данных мы определили потоки CH4 из донных отложений и оценили потенциальные выбросы CH4 в результате промывки водохранилища. Выбросы CH4 в результате одной промывки могут составлять 7-14 % от типичных годовых выбросов CH4 из Шварценбахского водохранилища, при этом количество выброшенного CH4 зависит от сезонного времени проведения промывки и может отличаться в 2 раза. Более крупные промывки, мобилизующие более глубокие слои осадка, приводят к нелинейному увеличению мобилизации CH4. Это говорит о том, что при регулярной промывке небольших слоев осадка выделяется меньше CH4, чем при удалении того же объема осадка за меньшее количество промывок более толстых слоев осадка. Однако дополнительные пути косвенных выбросов CH4, вносящие вклад в общий объем выбросов CH4, могут меняться в зависимости от режима промывки. В других водохранилищах с более высокой нагрузкой на осадок, чем в водохранилище Шварценбах, промывка водохранилища может вызвать значительные выбросы CH4, особенно если промывка проводится часто. В нашем исследовании выбросы CH4 в результате промывки водохранилища признаны важным путем, определены возможные стратегии управления для снижения этих выбросов CH4 и подчеркнута необходимость дальнейших исследований.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Международный коллектив ученых оценил динамику почвенного органического углерода и эффект грунтования

Увеличение содержания органического углерода в почве способствует смягчению последствий глобального изменения климата. Однако новые поступления растений могут усиливать минерализацию органического углерода родной почвы за счет положительного эффекта прайминга, что может нивелировать секвестрацию нового углерода. В данной работе мы использовали почвы из 20-летнего временного ряда инвертированных пастбищных почв (взаимное перемещение верхнего слоя почвы и подпочвы на высоту более 1 м) для изучения динамики почвенного органического углерода в верхнем и нижнем слоях почвы. Мы оценили эффект грунтования, вызванный корнями, путем дифференциации органического углерода естественной почвы от 13C углерода, полученного корнями, в эксперименте с инкубацией в течение 6 месяцев. Было обнаружено, что добавление свежего углерода, полученного из корней, вызывает положительный эффект прайминга органического углерода нативной почвы в новых почвах (109 ± 27% дополнительного дыхания по сравнению с контролем без корней) и подпочвах (331 ± 84%) после инверсии. Этот эффект был временным для новых почв, поскольку они накапливали органический углерод и адаптировались к высокому поступлению углерода в течение нескольких лет, что в долгосрочной перспективе не приводило к повышению эффективности. Напротив, погребенные верхние слои почвы со временем становились более чувствительными к корневому поступлению углерода, демонстрируя, как наследие высокого поступления углерода влияет на величину грунтования (от 50% до 390% через 20 лет после инверсии). В целом потери углерода при грунтовании никогда не превышали новых поступлений углерода от корней. Мы пришли к выводу, что грунтование является временной реакцией на дополнительный углерод, которая ослабевает, когда почвы адаптируются к высокому поступлению углерода в течение нескольких лет - десятилетий.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience

Международный коллектив ученых выяснил, что северные молодые леса способствовали увеличению запасов углерода в биомассе

Изменения в накоплении углерода в земной коре под влиянием изменений в окружающей среде и землепользовании остаются важнейшим источником неопределенности в региональных и глобальных углеродных бюджетах. Мы построили глобальные карты годовой живой биомассы растительности с использованием оптической глубины растительности в L-диапазоне микроволнового излучения. В глобальном масштабе запасы углерода в биомассе увеличивались с 2010 по 2019 год со скоростью 0,50 ± 0,20 ПгС в год-1 с изменчивостью от года к году, что в точности повторяет наблюдения за темпами роста глобального содержания CO2 в атмосфере. Основной вклад в глобальное поглощение углерода вносят бореальные леса и леса умеренного пояса, в то время как влажные тропические леса являются небольшими источниками углерода в результате вырубки лесов и нарушений, связанных с сельским хозяйством. Мы обнаружили, что тропические обезлесенные и деградировавшие старовозрастные леса (>140 лет) практически нейтральны по углероду, в то время как молодые (< 50 лет) и средневозрастные (50-140 лет) леса умеренного и бореального поясов являются крупнейшими поглотителями. Динамические глобальные модели растительности, напротив, показывают, что все старовозрастные леса являются крупными поглотителями, и в значительной степени игнорируют влияние обезлесения и деградации на биомассу тропических лесов. Полученные нами результаты подчеркивают важность демографии лесов при прогнозировании динамики будущих поглотителей углерода в условиях меняющегося климата.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience

Ученые представили меры по снижению выбросов парниковых газов в рисоводстве

Рисовые поля обеспечивают половину населения планеты основными продуктами питания, но при этом на них приходится ~48% выбросов парниковых газов (ПГ) с пахотных земель. В данном обзоре мы описываем характеристики выбросов парниковых газов (CH4 и N2O) с рисовых почв, уделяя особое внимание последствиям изменения климата и стратегиям его смягчения. Среднегодовые глобальные выбросы ПГ в масштабе площади и урожайности составляют ~7 870 кгСО2 га-1 и 0,9 кгСО2 кг-1, соответственно, причем 94% приходится на CH4. Однако выбросы существенно различаются, что в первую очередь отражает влияние методов управления. В частности, добавление органического вещества и постоянное затопление пашни стимулируют выбросы CH4, в то время как норма внесения азотных удобрений является наиболее важным фактором выбросов N2O. Хотя современные изменения в выбросах неопределенны, прогнозируется, что в будущем повышение уровня CO2 и потепление приведут к увеличению выбросов CH4 на 4-40% и 15-23%, соответственно. Тем не менее, интегрированные стратегии агрономического менеджмента, включающие управление культурой, органическим веществом, водой, обработкой почвы и азотом, обладают потенциалом снижения выбросов парниковых газов. В частности, подбор новых сортов риса, стратегии беспрерывного затопления и удаления соломы снижают выбросы ПГ в среднем на 24%, 44% и 46% соответственно. Однако подходы должны быть оптимизированы с учетом сезонных закономерностей выбросов CH4, что потребует улучшения количественных показателей и снижения неопределенности в региональных и глобальных оценках выбросов ПГ, особенно в низких широтах.

Исследование опубликовано в журнале Nature Reviews Earth & Environment

Российские ученые разработали методику определения объемов лесоматериалов с использованием беспилотного воздушного судна

На основе методов обработки цифровых изображений разработана методика, относящаяся к области учёта объёмов лесоматериалов на складах лесозаготовительных и деревоперерабатывающих предприятий. Подход к определению объёма сыпучих и штабелей круглых лесоматериалов с использованием беспилотного воздушного судна (БВС) состоит из этапов, на которых выполняется цифровая аэрофотосъёмка с БВС территории размещения лесоматериалов, фотограмметрическая обработка данных цифровой аэрофотосъёмки с БВС, построение трёхмерной модели объектов интереса, определение складочных и плотных объёмов лесоматериалов. Результат методики - повышение скорости и точности определения объёмов сыпучих и штабелей круглых лесоматериалов. Пользователями представленной методики становятся лесопромышленные предприятия, выполняющие регулярную инвентаризацию складов лесоматериалов, органы власти и ведомства с целью государственного контроля, а также кредитные организации, которые могут достоверно оценить финансовое состояние организации, запросившей кредитные средства. Всем перечисленным пользователям разработанная методика даст возможность получать оперативную и точную информацию об объёмах лесоматериалов на территории их складирования. Это, в свою очередь, позволит снизить затраты на проведение процедуры оценки объёмов лесоматериалов, сделать процедуру контроля более независимой и прозрачной.

Исследование опубликовано в журнале Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса

Американские ученые оценили потенциальные преимущества технологий окисления метана

Снижение концентрации метана в атмосфере имеет решающее значение для уменьшения краткосрочного глобального потепления, поскольку метан обладает высоким радиационным фактором и относительно коротким временем жизни. Метан может быть исключён из источников выбросов или удален из атмосферы путем окисления до углекислого газа и водяного пара, что значительно снизит эффект потепления. В данной работе мы впервые, насколько нам известно, оцениваем количество метана, выбрасываемого в атмосферу при заданной концентрации. На ее основе мы оцениваем потенциальные преимущества (глобальная температура, качество воздуха и экономические) различных технологий, позволяющих окислять метан выше определенных пороговых значений концентрации. По нашим оценкам, средняя глобальная температура поверхности может быть снижена на 0,2 °С ± 0,1 °С за счет непрерывного окисления всего антропогенного метана, выбрасываемого в атмосферу в концентрации выше 1000 млн-1 (наименьшая концентрация, достижимая с помощью современных коммерческих технологий). Постоянное окисление всего метана, выбрасываемого в настоящее время в атмосферу в концентрации выше 10 млн-1, может привести к охлаждению на 0,4 °C ± 0,2 °C. Для того чтобы экономическая выгода от удаления атмосферного метана перевесила связанные с этим энергетические затраты, мы показываем, что реакторы, использующие тепло для окисления метана, должны работать не более чем на 3 °C ± 2 °C выше температуры окружающей среды, а реакторы, использующие свет, должны преобразовывать не менее 9% ± 8% фотонов в окисленные молекулы метана. Наша концепция может быть использована учеными, инженерами и политиками для более глубокого понимания связей между источниками метана, включая интенсивность и концентрацию выбросов, и технологиями, которые могут окислить эти выбросы.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters

Чешскими учеными была проведена оценка пространственно-временной изменчивости эмиссии метана в рыбоводном пруду

Оценки выбросов метана часто основаны на точечных измерениях с использованием либо флюкс-камер, либо метода коэффициента переноса, что может приводить к сильной недооценке суммарных потоков CH4. Для того чтобы продемонстрировать более точные измерения потоков CH4 из аквакультурного пруда, используя метод отбора проб с более высоким разрешением, мы изучили пространственно-временную изменчивость концентрации CH4 в воде, связанных с ней потоков (диффузионного и эбуллитного) и соответствующих условий окружающей среды (температура, кислород, хлорофилл a) в ходе трех суточных кампаний в гиперэвтрофном рыбоводном пруду. Полученные нами данные демонстрируют значительную дисперсию, охватывающую несколько порядков величины, в то время как диффузионные потоки составляют лишь незначительную часть общего потока CH4 (4,1 %-18,5 %). Линейные модели смешанных эффектов определили глубину воды как единственный значимый предиктор потоков CH4. Полученные нами результаты свидетельствуют о необходимости применения комплексных стратегий отбора проб с учетом временной и пространственной изменчивости для получения надежных оценок роли рыбоводных прудов в глобальном бюджете метана.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Американские ученые разработали систему для перевода снижения "зеленой премии" в эквивалентное снижение выбросов углерода

Углеродные технологии часто стоят меньше, чем альтернативы без выбросов углерода; эта разница в стоимости известна как "зеленая премия". Инновации, снижающие "зеленую премию", способствуют достижению климатических целей, однако концептуальная основа для количественной оценки этого вклада пока отсутствует. В данной работе мы разработали систему, позволяющую перевести снижение "зеленой премии" в эквивалентное снижение выбросов углерода. Мы разработали новую интегрированную модель оценки, предназначенную для обучения и коммуникации - модель Climate Optimized INvestment, которая облегчает прозрачное исследование инноваций с целью экономии средств. Мы рассматриваем последствия внедрения новой технологии с потенциалом обучения и совершенствования для сценариев с тремя уровнями жесткости углеродных ограничений: сценарий неограниченного бюджета, в котором сокращение выбросов углерода определяется только балансом предельных затрат; сценарий большого бюджета с максимальным бюджетом будущих кумулятивных выбросов, эквивалентным 50-кратному превышению выбросов в начальный год; и сценарий малого бюджета с максимальным бюджетом будущих кумулятивных выбросов, эквивалентным 15-кратному превышению выбросов в начальный год. На всех этих уровнях жесткости мы обнаружили, что наименее затратные решения связаны с инвестированием в субсидии на обучение, чтобы снизить стоимость новой технологии в процессе ее освоения. Снижение "зеленой премии" может привести к более эффективному сокращению выбросов углерода, снижению затрат на борьбу с выбросами даже после достижения нулевого уровня выбросов, уменьшению ущерба климату и увеличению чистой приведенной стоимости потребления. Мы обнаружили, что как стоимость снижения "зеленой премии", так и стоимость удаления углекислого газа выше при более жестких целях по снижению выбросов. Наше исследование свидетельствует о решающей роли государственного и частного секторов в продвижении и развитии инноваций, которые могут способствовать достижению целей нулевых выбросов.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters