Дайджест за февраль 2024 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Российские ученые представили результаты применения сверточной нейронной сети для сегментации тундровых озер

Тундровые озера – важный индикатор изменений климата, поэтому анализ динамики их размеров представляет особый интерес. В работе представлены результаты применения сверточной нейронной сети U-Net для сегментации тундровых озер по спутниковым оптическим изображениям на примере данных Landsat. Выполнена сравнительная оценка точности сегментации с помощью оригинальной архитектуры U-Net и ее модификаций: U-Net++, Attention U-Net и R2 U-Net, в том числе с использованием весов, полученных на основе предварительно обученной сети VGG16. Точность сегментации оценивается путем сравнения с результатами ручного картирования тундровых озер в северных районах Сибири. Обучение сетей производилось на основе 500 изображений Landsat; 250 изображений использовались в качестве тестовых. Показано, что более современные модификации U-Net не дают практически значимого выигрыша в точности сегментации, но увеличивают вычислительные затраты. Наилучший результат показывает конфигурация на основе классической реализации U-Net (средний коэффициент Жаккара IoU = 0,88). Предложенный метод и полученные оценки могут использоваться при изучении тенденций современного климата Земли.

Исследование опубликовано в журнале Оптика атмосферы и океана

Ученые из Саудовской Аравии опубликовали обзор механизмов и принципов геологического хранения CO2

На температуру и климат Земли влияет деятельность человека, связанная со сжиганием ископаемого топлива и вырубкой лесов, в результате чего выделяются парниковые газы, такие как углекислый газ CO2. Эти ископаемые виды топлива, включая уголь и нефть, состоят из углерода, который впервые был взят из атмосферы в процессе фотосинтеза миллионы лет назад. Сжигание этих видов ископаемого топлива составляет >75% выбросов парниковых газов по всему миру и почти 90% выбросов CO2 в целом. Кроме того, по оценкам Глобального углеродного бюджета на 2022 год, ежегодные выбросы от сжигания ископаемого топлива росли каждое десятилетие с середины XX века - с примерно 11 миллиардов тонн в 1960-х годах до 36,6 миллиарда тонн в 2022 году. Поэтому улавливание и утилизация углерода (CCU) считается важной стратегией снижения выбросов CO2, поддерживающей и дополняющей цели улавливания и хранения углерода (CCS) по сокращению и хранению CO2. Геологическое хранение CO2 (геохранилище) является перспективным подходом, который может помочь сократить выбросы парниковых газов. Однако для эффективного хранения в геологических подземных формациях необходимо понимание основных методов хранения и механизмов улавливания. Кроме того, необходимы дополнительные исследования для усовершенствования этих методов и понимания их глубинной механики. В свете этого в данном исследовании изучаются многие подземные и океанические методы геоаккумулирования CO2, такие как соленые водоносные горизонты, истощенные нефтяные и газовые резервуары, неразрабатываемые угольные пласты, базальтовые формации и гидраты. Стабильность геоаккумуляторов CO2 и их многочисленные механизмы улавливания представляют большой интерес. Освещаются такие физические и химические процессы, как статический, капиллярный, адсорбционный, растворимость, улавливание минералов и ионный обмен. Результаты полевых исследований и экспериментов показывают, как технология геоаккумулирования CO2 становится все более полезной. Обсуждение этой обзорной статьи дает представление о будущих перспективах и экономических возможностях геоаккумулирования CO2, подчеркивая его преобразующий потенциал в борьбе с изменением климата. К 2030 году или позже большинство стран активно работают над увеличением своих мощностей по хранению CO2. Эти усилия включают в себя такие инициативы, как дополнительное финансирование, нормативно-правовая база и проекты CCUS, направленные на увеличение потенциальной мощности хранилищ. В кратком изложении этот всеобъемлющий обзор представляет собой руководство для исследователей, политиков и представителей промышленности, поскольку понимание геохранилищ CO₂ может проложить путь к разработке более эффективных, устойчивых и безопасных методов хранения, что потенциально может сыграть решающую роль в решении проблемы глобального изменения климата. Данный обзор состоит из четырех частей: (1) обзор принципов геоаккумулирования CO2, (2) рассмотрение механизмов улавливания для геохранилища CO2, (3) анализ экспериментальных и полевых исследований по геохранилищу CO2, и (4) изучение перспектив геохранилища CO2.

Исследование опубликовано в журнале Earth-Science Reviews

Американские ученые выделили принципы естественных климатических решений

Природные климатические решения могут смягчить изменение климата в ближайшем будущем, в критический для климата период. Однако постоянное непонимание того, что представляет собой естественное климатическое решение, порождает ненужную путаницу и споры, тем самым задерживая принятие важнейших мер по смягчению последствий изменения климата. На основе обзора научной литературы и передового опыта мы выделили пять основополагающих принципов естественных климатических решений (основанных на природе, устойчивых, климатически дополнительных, измеримых и справедливых) и пятнадцать оперативных принципов для практической реализации. Придерживаясь этих принципов, специалисты-практики смогут задействовать эффективные и долговечные природные климатические решения, обеспечивая их быстрое и широкомасштабное внедрение, необходимое для значимого вклада в смягчение последствий изменения климата.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications

Итальянские ученые использовали дистанционное зондирование для имитации влияния климатических и антропогенных факторов на потоки углерода в лесах

В данном сообщении представлено применение стратегии объединения моделей для анализа среднесрочных потоков углерода в двух экосистемах сосновых лесов Средиземноморья. Эта стратегия основана на использовании параметрической модели NDVI, Modified C-Fix, и биогеохимической модели BIOME-BGC, результаты которых объединены с учетом фактической фазы развития каждой экосистемы. Две рассмотренные сосновые экосистемы соответствуют старовозрастному лесу и вторичной сукцессии после вырубки, которые по-разному реагируют на одни и те же климатические условия в течение десятилетнего периода (2013-2022 гг.). Увеличение засушливости, по сути, играет фундаментальную роль в контроле валовой первичной и чистой экосистемной продукции в зрелом древостое, в то время как эффект лесовосстановления преобладает в повышении тех же переменных в другом древостое. В частности, смоделированный чистый обмен углерода колеблется около 200 гС м-2 год-1 в первом древостое и возрастает до более 600 гС м-2 год-1 во втором древостое; соответственно, накопление новой биомассы почти незаметно в первом случае и становится заметным во втором. Таким образом, данное исследование подтверждает потенциал применяемой стратегии для прогнозирования баланса углерода в лесах под влиянием разнообразных природных и антропогенных факторов.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Канадские ученые изучили соотношение солености и выбросов метана во внутренних водоемах

Водоёмы суши являются одним из крупнейших природных источников метана CH4, мощного парникового газа, однако модели и оценки выбросов были разработаны для экосистем, бедных растворителями, и могут быть неприменимы к внутренним водам, богатым солью. Здесь мы объединили полевые исследования и вихревые ковариационные измерения, чтобы показать, что соленость сдерживает микробный круговорот CH4 через сложные механизмы, ограничивая водные выбросы в одном из крупнейших глобальных регионов с жесткой водой (Канадские прерии). Существующие модели завышают выбросы CH4 из прудов и водно-болотных угодий на несколько порядков, причем расхождения связаны с соленостью. Хотя для рек и крупных озер соленость не имеет существенного значения, она взаимодействует с наличием органического вещества, определяя структуру выбросов CH4 в небольших ленточных биотопах. По нашим оценкам, исключение солености приводит к завышению выбросов из малых водоемов канадской прерии по меньшей мере на 81% (~ 1 Тг год-1 в CO2-эквиваленте), что сопоставимо с другими крупными национальными источниками выбросов. Наши результаты согласуются с закономерностями в других жестководных ландшафтах, что, вероятно, приводит к переоценке глобальных ленточных выбросов CH4. Широко распространенное засоление внутренних вод может повлиять на круговорот CH4 и должно быть учтено в будущих прогнозах водных выбросов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications

Китайские ученые изучили потенциал отрицательных выбросов биосырья для достижения цели углеродной нейтральности

Ограничение глобального потепления в пределах 1,5°C может потребовать широкомасштабного внедрения преждевременных технологий с отрицательными выбросами, что потенциально негативно скажется на достижении ключевых целей устойчивого развития. Биочар был предложен в качестве признанной технологии для связывания углерода с сопутствующими преимуществами в виде качества почвы и урожайности. Однако значительная неопределенность, существующая в отношении потенциала, стоимости и стратегий развертывания систем биоуглерода на национальном уровне, препятствует их внедрению в Китае. Здесь мы проводим пространственный анализ, чтобы изучить потенциал отрицательных выбросов, экономику и приоритетные места внедрения биоугля, полученного из нескольких видов сырья в Китае. Результаты показывают, что биочар обладает потенциалом отрицательных выбросов до 0,92 миллиарда тонн CO2 в год при средней чистой стоимости 90 долларов США за тонну CO2 при устойчивом развитии, что может удовлетворить потребности в отрицательных выбросах в большинстве сценариев смягчения последствий, совместимых с целью Китая по достижению углеродной нейтральности к 2060 году.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications

Международный коллектив ученых смоделировал экосистемный обмен под сезонным снежным покровом в арктической тундре

Оценки зимних (покрытых снегом в не вегетационный период) потоков CO2 в Арктическом регионе различаются в 3,5 раза, при этом наблюдается значительный разброс между измеренными и смоделированными потоками. Измерения свойств снега, температуры почвы и чистого экосистемного обмена NEE в Трейл Вэлли Крик, СЗТ, Канада, позволили оценить моделирование зимнего NEE в тундровой среде с помощью модели земли сообщества CLM5.0. Параметры CLM5.0 по умолчанию не обеспечили адекватного моделирования зимней NEE в тундровой среде, при этом в период с ноября по середину мая моделировался практически нулевой NEE (< 0,01 гС м-2 сут-1). В отличие от этого, измеренная NEE была в целом положительной (что указывает на общее выделение CO2) с момента появления снежного покрова до конца апреля. Изменения в параметризации теплопроводности снега, необходимые для коррекции смещения температуры холодной почвы, сократили продолжительность моделирования отсутствия NEE. Анализ чувствительности параметров выявил критическую роль минимального порога влажности почвы для разложения Ψmin в регулировании зимнего почвенного дыхания. Значение параметра Ψmin по умолчанию было слишком высоким, что не позволяло моделировать дыхание почвы в течение большей части снежного сезона. Кроме того, скорость изменения дыхания почвы в зависимости от температуры (Q10) по умолчанию была слишком низкой, что еще больше способствовало плохой работе модели в зимний период. Поскольку влияние изменений Ψmin и Q10 противоположно друг другу, для более адекватного моделирования зимнего NEE необходимы большие отрицательные значения Ψmin и большие положительные значения Q10.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Китайские ученые провели метаанализ выбросов N2O в пересчете на урожайность и усилий по их снижению для кукурузы, пшеницы и риса

Сохранение или даже повышение урожайности сельскохозяйственных культур при сокращении выбросов закиси азота N2O необходимо для обеспечения продовольственной безопасности и борьбы с изменением климата, однако метрика выбросов N2O в пересчете на урожай (выбросы N2O на единицу урожая) в настоящее время мало изучена. Здесь мы провели глобальный мета-анализ с более чем 6000 наблюдений, чтобы изучить закономерности изменения и контролирующие факторы выбросов N2O в пересчете на урожай для кукурузы, пшеницы и риса и связанные с этим потенциальные варианты смягчения последствий. Наши результаты показали, что средние выбросы N2O в пересчете на урожай по всем имеющимся данным следуют в порядке пшеница (322 гN Мг-1, 95% доверительный интервал [ДИ]: 301-346 гN Мг-1), далее кукуруза (211 гN Мг-1, ДИ: 198-225 гN Мг-1) и рис (153гN Мг-1, ДИ: 144-163 гN Мг-1). Выбросы N2O в пересчете на урожайность для отдельных культур были в целом выше в тропических или субтропических зонах, чем в зонах умеренного климата, а также демонстрировали тенденцию к снижению интенсивности от низких к высоким широтам. Эта глобальная вариация объяснялась, в основном, климатическими и эдафическими факторами, а не управлением азотными удобрениями, в то время как их совместное влияние предсказывало более 70% дисперсии. Кроме того, наш анализ показал значительное снижение выбросов N2O в пересчете на урожай с ростом эффективности использования азота или выбросов N2O для производственных систем с урожайностью зерновых >10 Мг га-1 (кукуруза), 6,6 Мг га-1 (пшеница) или 6,8 Мг га-1 (рис), соответственно. Это подчеркивает, что показатели эффективности использования азота могут использоваться в качестве ценных косвенных индикаторов для согласования торговли и выбросов. Для всех трех основных зерновых культур сокращение внесения азотных удобрений на 30%, оптимизация сроков и объемов внесения удобрений или использование азотных удобрений с повышенной эффективностью значительно снижает выбросы N2O в пересчете на урожайность при одинаковой или даже более высокой урожайности зерновых. Наша оценка, основанная на данных, дает некоторые ключевые рекомендации для разработки эффективных и целенаправленных стратегий по смягчению последствий изменения климата и адаптации к ним для устойчивой интенсификации производства зерновых культур.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology

Американские ученые провели функциональный дисперсионный анализ (ANOVA) для оценки потоков углерода по данным дистанционного зондирования

Созвездие спутников, наблюдающих за Землей, уже подготовило оценки концентрации парниковых газов в атмосфере за несколько лет. Их глобальный охват позволяет получить дополнительную информацию о глобальном углеродном цикле. Эти продукты могут быть объединены со сложными системами инверсии, чтобы сделать вывод о величине источников и поглотителей углерода по всему земному шару. Множество факторов, включая модель атмосферного переноса и метод агрегирования спутниковых продуктов, могут влиять на такие оценки потоков. Дисперсионный анализ (ANOVA) - это хорошо зарекомендовавшая себя статистическая схема для оценки общих сигналов при разделении изменчивости между факторами в анализе экспериментов. Функциональный ANOVA расширяет этот подход с помощью статистической модели, которая включает пространственно-временную корреляцию для каждого компонента ANOVA. Подход проиллюстрирован на экспериментах по инверсии с различными методами агрегирования спутниковых данных и выявляет последовательные значимые закономерности в приращениях потока, которые охватывают большие пространственные масштабы. Функциональный ANOVA выявляет эти закономерности, одновременно учитывая неопределенность на малых пространственных масштабах, связанную с различиями в методе агрегирования. Функциональный ANOVA был также применен к недавнему проекту сравнения моделей потоков (MIP), и относительные величины эффектов системы инверсии и источника данных (спутник в сравнении с in situ) были схожи, но демонстрировали немного разную значимость для потоков над разными континентами. Во всех примерах необъяснимая остаточная изменчивость локально велика по величине, но имеет ограниченную пространственную и временную корреляцию. Такое общее поведение для экспериментов по инверсии потоков демонстрирует диагностическую способность функционального ANOVA одновременно различать пространственно-временную согласованность процессов углеродного цикла и алгоритмических факторов.

Исследование опубликовано в журнале Geoscientific Model Development

Польские ученые представили обзор применения дистанционного зондирования на северных торфяниках

В данной статье представлен обзор применения дистанционного зондирования на северных торфяниках с 2017 по 2022 год с использованием различных платформ, включая технологии in situ, БПЛА, воздушные и спутниковые технологии. В нем рассматриваются проблемы и ограничения, обусловленные сложной природой северных торфяных экосистем. В этом обзоре отмечается повышенное внимание к картографированию, мониторингу и гидрологии, но при этом выявляются заметные пробелы в исследованиях деградации торфяных болот. Несмотря на преимущества дистанционного зондирования, такие как широкий пространственный охват и последовательный мониторинг, сохраняются проблемы, включая высокую стоимость, малоизученные районы и ограничения в применении гиперспектральных данных. Объединение данных дистанционного зондирования с исследованиями на месте дает новые возможности для региональных исследований торфяных болот. Однако проблемы возникают из-за стоимости данных высокого разрешения, ограничений по охвату и неадекватных данных для проверки на местности в отдаленных районах. В данном обзоре предлагается усовершенствовать методологию, проверить данные с высоким разрешением и устранить эти ограничения для будущих исследований.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing