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

Новости проекта

Ученые из Саудовской Аравии дали оценку применению беспилотников в области геоинформационных систем

Дроны, также известные как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), получили широкое применение благодаря своей низкой стоимости, простоте использования, вертикальному взлету и посадке, а также возможности работы в зонах повышенного риска или труднодоступных местах. Вклад данного обзора состоит в том, чтобы построить мост между технологией беспилотников и ее применением и достижениями в области геоинформационных систем (ГИС). Интеграция беспилотников и ГИС имеет большое значение, поскольку позволяет снизить затраты и повысить доступность сбора геопространственных данных. Традиционные методы аэрофотосъемки с использованием летательных аппаратов являются дорогостоящими и требуют найма самолетов, пилотов и фотографов. Дроны, оснащенные современными камерами и программным обеспечением с искусственным интеллектом, могут заменить традиционную технику и при этом быть экономичными и эффективными по времени. Ожидается, что интеграция беспилотников и ГИС принесет революционные преимущества в таких областях, как точное земледелие, городское планирование, экстренное медицинское реагирование, ликвидация последствий стихийных бедствий, развитие "умных городов", доставка продуктов питания и т.д. В данной статье представлен современный обзор развертывания беспилотных интегрированных ГИС-приложений в различных областях. Освещены многочисленные технологии и сопутствующие проблемы, связанные с их разработкой, постановкой, реализацией и регулированием. Сделан вывод о том, что решения по интеграции беспилотников в ГИС повышают эффективность и точность, улучшают процесс принятия решений и способствуют более качественному мониторингу в реальном времени. Сделан вывод о том, что решения по интеграции беспилотников в ГИС повышают эффективность и точность, улучшают процесс принятия решений и способствуют улучшению мониторинга в реальном времени. Выводы, сделанные в данном обзоре, будут полезны для исследователей, разработчиков бизнеса, поставщиков услуг экстренного реагирования, промышленников и политиков.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Международный коллектив ученых собрал результаты исследований потоков CO2 в бореальной зоне Арктики

РМеанее считалось, что выбросы углерода в течение не вегетационного сезона (НВС) могут составлять значительную часть годового углеродного бюджета в бореальной зоне Арктики (БЗА), что может сдвинуть углеродный баланс этих экосистем от долговременного годового поглотителя углерода к чистому годовому источнику углерода. Цель данного обзора - обобщить результаты исследований потоков углекислого газа (CO2) в БЗА, опубликованные за последние 5 лет. Мы изучили процессы и величины потоков CO2, состояние работ по моделированию и оцениваем будущие направления. Благодаря технологическому прогрессу за последнее десятилетие увеличилось количество прямых измерений потоков СО2 на участках по всей БЗА, что свидетельствует о том, что экосистемы БЗА являются крупным источником СО2 в переходные сезоны при низких постоянных зимних выбросах. Совершенствование моделей круговорота углерода в экосистемах сопряжено с определенными трудностями, такими как моделирование процессов, протекающих под землей и снегом, которые являются критическими для понимания потоков CO2 в НГС. Отсутствие репрезентативных данных о потоках углерода in situ и данных о состоянии окружающей среды в сетке координат являются основными ограничивающими факторами, препятствующими более точному прогнозированию потоков углерода в НГС.

Исследование опубликовано в журнале Current Climate Change Reports

Немецкие ученые исследовали мольную долю метана в г.Гейдельберг (Германия)

δ(13CH4) и мольная доля CH4 непрерывно измеряются с апреля 2014 г. с помощью анализатора с полостной кольцевой спектроскопией (CRDS) в Гейдельберге (Германия). Этот 6-летний временной ряд показывает тенденцию к увеличению (6,8±0,3) нмоль моль-1 год-1 для мольной доли CH4 в период с 2014 по 2020 год. δ(13CH4) за этот период времени уменьшается на (-0,028±0,002)‰ год-1. В данной работе сезонные изменения и тенденции эмиссии CH4 на водосборной площади Гейдельберга анализируются с использованием трех подходов путем применения метода Миллера-Танса к атмосферным измерениям на разных временных масштабах. Среднее значение δ13C изотопной сигнатуры источника для водосборной площади Гейдельберга составляет (-52,5±0,3)‰ (подход Миллера-Танса). Во всех трех подходах не наблюдается существенной тенденции в изменении среднемесячной сигнатуры источника за последние шесть лет. Однако летом наблюдаются более обедненные значения сигнатуры источника. Этот годовой цикл в источниках 13C-CH4 с амплитудой от пика до пика -6,2‰ лишь частично может быть объяснен сезонными вариациями эмиссии CH4 при нагревании. Дополнительные сезонные колебания, вероятно, происходят в биогенных выбросах CH4 из сточных вод, свалок или от молочных коров. Кроме того, вклад источников, полученный по данным атмосферных измерений, используется для оценки выбросов CH4 по данным двух кадастров выбросов: базы данных выбросов для глобальных атмосферных исследований (EDGARv6.0) и кадастра Государственного института окружающей среды Баден-Вюртемберга (LUBW - Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg). Средняя сигнатура источника δ(13CH4), определенная по кадастру LUBW, хорошо согласуется с результатами атмосферных измерений. Однако сигнатура, определенная по данным EDGARv6.0, менее обеднена примерно на 7‰. Таким образом, EDGARv6.0, по-видимому, переоценивает выбросы CH4 из более обогащенных источников.

Исследование опубликовано в онлайн-сборнике препринтов.

Международный коллектив ученых оценил изменение стратегий мировых нефтегазовых компаний

Нефтегазовые компании, являясь ключевыми игроками в современном глобальном энергетическом ландшафте, развивались в условиях динамичного взаимодействия государств и рынков. Однако их роль радикально меняется под влиянием двух последовательных "глобальных сдвигов": экономической глобализации, определяющей динамику роста спроса на энергоносители, и изменения климата, приводящего к трансформации и декарбонизации энергосистем, что требует от них пересмотра бизнес-стратегий. Используя междисциплинарный подход, опирающийся на географию человека, стратегию и международный бизнес, а также международную политэкономию, мы предлагаем интегрированную концептуальную схему для двух периодов - 1990-х - начала 2010-х гг. и периода после заключения Парижского соглашения - для изучения характера стратегической реакции нефтегазовых компаний на эти глобальные экономические и экологические сдвиги. Мы иллюстрируем взаимосвязь двух стратегий нефтегазовых компаний - (ре)глобализации и декарбонизации - с помощью аспектов производства, финансов и знаний как внутренних структур. Энергетическая безопасность является одним из приоритетов макровнешней среды. Нефтегазовым компаниям становится все труднее решать текущие дилеммы: климатические цели требуют значительного сокращения производства и потребления ископаемого топлива, давление со стороны правительств, неправительственных организаций и инвесторов ставит под угрозу долгосрочное выживание нефтегазовых компаний, в то время как спрос на ископаемое топливо в кратко- и среднесрочной перспективе будет оставаться высоким. В то же время постпандемическое восстановление экономики и война России на Украине приводят к переоценке преимуществ неограниченной глобализации. Таким образом, в новую эпоху (ре)глобализации и декарбонизации мировые нефтегазодобывающие компании сталкиваются с двойными вызовами и должны внести изменения, чтобы обеспечить свою жизнеспособность в будущем.

Исследование опубликовано в журнале WIREs

Американские ученые оценили потоки N2O и CH4 в почве на ферме с дренажными водами

Управление дренажными водами (УДВ) - это эффективная наилучшая практика управления (НМП), позволяющая снизить гидрологический вынос нитратов с пахотных земель в поверхностные и грунтовые воды путем регулирования времени и объема сброса воды в канавы и удержания воды в канавах и на прилегающих полях с помощью дренажно-регулирующих устройств (ДРУ). Хотя предполагаемые последствия поддержания более высокого уровня грунтовых вод заключаются в увеличении денитрификации и, соответственно, снижении вымывания нитратов, непреднамеренным следствием является возможное увеличение производства закиси азота (N2O) в результате денитрификации и метана (CH4) в результате метаногенеза, которые являются мощными парниковыми газами (ПГ). Таким образом, применение УДВ может привести к "обмену загрязнениями" - т.е. обменивается ли УДВ снижение концентрации нитратов в канавной воде на увеличение почвенных выбросов N2O и CH4 в атмосферу? Для ответа на этот вопрос мы применили метод микрометеорологического градиента потоков (ГП) для кукурузно-соевого севооборота на действующей ферме с ДРУ в восточной части штата Мэриленд на полуострове Дельмарва. Потоки N2O и CH4 в почве были определены количественно при использовании УДВ и без УДВ урожая сои без внесения азотных удобрений (2018 г.) и урожая кукурузы с внесением синтетических азотных удобрений (2019 г.). Насколько нам известно, это первое исследование, в котором использовался микрометеорологический метод для оценки влияния сельскохозяйственного УДВ на выбросы ПГ. Последовательных и статистически значимых различий в потоках N2O и CH4 между полями, использующими и не использующими УДВ, не наблюдалось, что позволяет предположить, что при УДВ снижение вымывания нитратов не привело к увеличению выбросов ПГ в почву. Измерения ГП также сравнивались с камерными измерениями, которые выявили сходные закономерности, однако камерные измерения характеризовались большой пространственной изменчивостью и в целом более высокими среднесуточными оценками потоков, в то время как мачтовые измерения выявили более частые и кратковременные импульсы N2O после внесения удобрений и выпадения осадков. Данное исследование дополняет существующее представление о преимуществах и рисках применения УДВ в качестве НМП.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Международный коллектив ученых собрал результаты измерений изменения потоков углерода в субтропических мангровых лесах

Мангровые леса, являющиеся высокоэффективными экосистемами, поглощающими CO2, испытывают сильное воздействие изменения климата. Отсутствие долгосрочных наблюдений в мангровых лесах не позволяет оценить сезонную и межгодовую изменчивость потоков углерода и воды и их реакцию на различные факторы окружающей среды. В данной работе мы измерили чистый экосистемный обмен CO2 и эвапотранспирацию между атмосферой и субтропическими мангровыми лесами с помощью метода вихревой ковариации в течение десяти лет (2010-2019 гг.) на юге Китая. Этот мангровый лес выступал в качестве мощного поглотителя CO2, при этом годовая чистая продукция экосистемы (NEP) составляла от 622,5 до 832,8 г C м-2 год-1. Годовая эвапотранспирация (ET) варьировала от 934,6 до 1004,9 мм в год-1. В течение исследуемого периода во влажный сезон (с мая по октябрь) ET постоянно оставался выше, чем в сухой сезон, в то время как NEP не демонстрировал устойчивых сезонных изменений. Траекторный анализ показал, что в сухой сезон на NEP в основном влияли глобальная солнечная радиация и дефицит давления пара. Однако во влажный сезон NEP регулируется комбинацией глобальной солнечной радиации, дефицита давления пара, температуры воздуха и времени приливного затопления. При этом стимулирующее влияние глобальной солнечной радиации на NEP во влажный сезон уменьшалось, а тормозящее влияние повышенной температуры и дефицита давления пара на NEP в этот период усиливалось. В отличие от NEP, доминирующие факторы, влияющие на ET (глобальная солнечная радиация, температура воздуха и дефицит давления пара), и их интенсивность оставались относительно постоянными в течение обоих сезонов. Более того, относительная значимость глобальной солнечной радиации для NEP и ET увеличивалась в течение десятилетия, в то время как влияние времени приливного затопления уменьшалось. Данное исследование не только улучшает понимание реакции субтропических мангровых лесов на изменение климата, но и предоставляет ценный эталонный набор данных для подтверждения межгодовой изменчивости потоков углерода и воды в мангровых лесах, рассчитанных на основе моделей.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Международный коллектив ученых оценил перспективы внедрения спутникового инструмента для количественной оценки выбросов метана в Европе

Метан является вторым по значимости парниковым газом после углекислого газа и составляет около 10 % от общего объема выбросов парниковых газов Европейского союза. Учитывая, что бюджет метана в атмосфере того или иного региона зависит от наземных и водных источников метана, методы обратного моделирования представляются мощным инструментом для выявления критических зон, на которые впоследствии могут быть направлены стратегии по снижению выбросов. В связи с этим на базе модели Weather Research and Forecasting (WRF) реализуется система обратного моделирования выбросов метана для Европы: алгоритм инверсии метана Орхусского университета (AUMIA) v1.0. Компонент прямого моделирования AUMIA состоит из модели WRF, соединенной с многоцелевой глобальной базой данных по антропогенным выбросам метана. Для обеспечения согласованности переноса в процессе инверсии компонент обратного моделирования будет основан на модели WRF, соединенной с лагранжевым модулем рассеивания частиц. Описание инструментов моделирования, наборов исходных данных и оценки прямого моделирования за 1 год с 1 апреля 2018 г. по 31 марта 2019 г. представлено в данной работе. Апостериорные оценки выбросов метана, включая более узкое обратное моделирование для Дании, будут представлены во второй статье. Обнаружено хорошее общее согласие между результатами моделирования и наблюдениями с помощью прибора TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) на борту спутника Sentinel-5 Precursor. Расхождения между моделями и наблюдениями для летнего пикового сезона соответствуют предыдущим исследованиям, проведенным над городскими районами Центральной Европы, причем относительные расхождения между смоделированными концентрациями и данными наблюдений в данном исследовании составляют от 1 % до 2 %. Коэффициенты корреляции и среднеквадратичные ошибки для летних месяцев составили от 0,4 до 0,5 и от 27 до 30 ppb, соответственно. С другой стороны, расхождения между моделью и наблюдениями для зимних месяцев свидетельствуют о значительном завышении антропогенных выбросов над исследуемым регионом, причем относительные расхождения составляют от 2 до 3 %. Коэффициенты корреляции и среднеквадратичные ошибки в этом случае составили от 0,1 до 0,4 и от 33 до 50 ppb соответственно, что указывает на необходимость более тонкой оценки обратного анализа для этого сезона. Согласно результатам моделирования, повышение концентрации метана над фоновыми концентрациями практически полностью обусловлено антропогенными источниками, однако их вклад в суммарную концентрацию метана в толще воды составляет не более 2%. Вклад природных источников (болот и термитов) и сжигания биомассы в исследуемый период был незначительным. Полученные в данном исследовании результаты способствуют новой модельной оценке концентраций метана над Европой и демонстрируют огромный потенциал для инверсного моделирования метана с использованием усовершенствованных продуктов TROPOMI в крупномасштабных приложениях.

Исследование опубликовано в журнале Geoscientific Model Development.

Французские ученые изучили способность сети наблюдений обнаруживать "метановую бомбу" в Арктике

Арктика прогревается в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру, что приводит к значительным изменениям в окружающей среде. Учитывая чувствительность природных источников метана CH4 к условиям окружающей среды, ожидается, что повышение температуры в Арктике приведет к увеличению выбросов CH4, особенно в результате оттаивания вечной мерзлоты и обнажения органического вещества. В связи с этим некоторые оценки предполагают "метановую бомбу" в Арктике, при которой происходит быстрое высвобождение огромного количества CH4. В данном исследовании изучается способность сети натурных наблюдений обнаруживать такие события в Арктике, как правило, плохо контролируемом регионе. Используя модель атмосферного переноса FLEXPART и различные сценарии эмиссии CH4, мы обнаружили, что районы с плотной сетью наблюдений могут обнаружить "метановую бомбу" за 2-10 лет. В противоположность этому регионам с редким покрытием потребуется от 10 до 30 лет, причем в других районах возможны ложные срабатывания.

Исследование опубликовано в онлайн-сборнике препринтов.

Международный коллектив ученых проанализировал снижение выбросов метана с использованием новых материалов метанотрофных покрытий

Вентиляционный метан (VAM) - мощный источник парниковых газов, образующийся из геологических скважин, действующих и исчезнувших шахтных стволов и других наземных каналов, выбрасывающих метан в атмосферу, что способствует глобальной эмиссии метана и непропорционально высокому потенциалу потепления. В данной статье мы представляем концепцию метанотрофного материала как инженерного решения. Такие материалы должны быть способны преобразовывать метан при температуре и давлении окружающей среды в связующий продукт, улавливать и долговременно секвестрировать метан, одновременно ограничивая его дальнейшую эмиссию. Хотя в настоящее время такие материалы находятся в стадии разработки, эта цель поддерживается и достигается с помощью математической схемы, представленной и используемой в настоящем документе для оценки способности конвертировать метан, используя опубликованные в настоящее время данные о его активности. Мы приводим пример конверсии характерного потока VAM (0,6% метана в воздухе, 1,7 × 108 л/час-1, что эквивалентно 100 000 стандартных кубических футов в минуту). Мы показываем, что при правильном проектировании таких систем для снижения эмиссии метана из этого потока более чем на 99% требуется покрытие поверхности длиной менее 1000 м шахтного туннеля (что эквивалентно площади 20 000 м2). Наконец, мы выделяем формальдегид как реактивный промежуточный продукт окисления метана, который сам может входить в состав этих покрытий. Являясь компонентом связующих веществ и полимеров, которые уже повсеместно используются в коммерческих продуктах, этот промежуточный продукт в конечном итоге позволяет этим системам поглощать углерод из метана в стабильной и твердой форме. Представленные здесь результаты легко распространить на обработку других потоков метана - как более концентрированных, так и более разбавленных, а полученные результаты послужат основой для проектирования и разработки нового класса углерод-отрицательных материалов.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters.

Российские ученые предложили инструментарий для принятия решения о целесообразности применения технологий точного земледелия

Возможность достижения экономической эффективности от внедрения технологий точного земледелия требует разработки прогнозных методов оценки перспективности использования таких технологий с учётом конкретных условий. Авторами предлагается инструментарий, обеспечивающий поддержку метода оценки степени целесообразности применения технологий точного земледелия на заданной сельскохозяйственной территории на основе вариограммного анализа данных дистанционного зондирования. Для принятия решения необходимо исследовать статистические связи пространственного распределения на сельскохозяйственном поле значений исследуемого параметра и оценить степень внутриполевой неоднородности, от которой зависит применение дифференцированных агротехнологических операций. В работе рассматривается один из подходов построения геостатистического модуля для проведения прогнозных вычислительных экспериментов, который позволяет автоматизировать все этапы решения задачи оценки перспективности использования технологий точного земледелия для конкретных почвенно-климатических условий сельхозпроизводителя. Инструментарий разработан с применением специализированного статистического языка программирования R, помимо стандартных использовались библиотеки gstat, e1071, lattice, sp и др. Визуализация прототипа осуществлялась на основе пакета shiny. В дальнейшем планируется доработка прототипа модуля для внедрения в единый сервис для осуществления анализа разнородных геопространственных данных различными новыми и современными методами с целью принятия управленческих решений.

Исследование опубликовано в журнале Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.