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

Новости проекта

Финские ученые изучили межгодовую и сезонную изменчивость обмена CO2 между воздухом и морем на острове Утё в прибрежном районе Балтийского моря

Океаны облегчают накопление атмосферного CO2, поглощая примерно четверть всех антропогенных выбросов. В глубоких слоях океана в поглощении углерода доминирует химия водной фазы, в то время как в биологически активных прибрежных морях важную роль в поглощении углерода играют морская экосистема и биогеохимия. Прибрежные моря являются очагами переноса органических и неорганических веществ между сушей и океаном, и поэтому они важны для морского круговорота углерода. В данном исследовании мы изучаем чистый обмен CO2 между воздухом и морем на станции атмосферных и морских исследований Утё, расположенной в Балтийском море, используя данные, собранные в 2017-2021 годах. Воздушно-морские потоки CO2 измерялись с помощью метода вихревой ковариации при поддержке параметризации потоков на основе измерений pCO2 и скорости ветра. В весенне-летние месяцы (апрель-август) море поглощало углекислый газ из атмосферы, причем наибольшие месячные потоки поглощения обычно наблюдались в мае и составляли в среднем -0,26 мкмоль м-2 с-1. В сентябре-марте море выбрасывало CO2 в атмосферу, и наибольшие потоки источников обычно наблюдались в сентябре, составляя в среднем 0,42 мкмоль м-2 с-1. В годовом исчислении изучаемый регион оказался нетто-источником атмосферного CO2, и в среднем годовой нетто-обмен составил 27,1 гС м-1 год-1, что сопоставимо с обменом, наблюдаемым в Ботническом заливе Балтийского моря. Годовой чистый обмен СО2 между воздухом и морем варьировал от 18,2 (2018 г.) до 39,1 гК м-1 год-1 (2017 г.). В самый холодный 2017 год весенне-летние потоки стока оставались низкими по сравнению с другими годами, что объясняется относительно высоким pCO2 морской воды летом, которое в этот год ни разу не опускалось ниже 220 мкатм. Весенне-летнее цветение фитопланктона в 2017 году было слабым, возможно, из-за облачного лета и глубоко перемешанного поверхностного слоя, что сдерживало фотосинтетическую фиксацию растворенного неорганического углерода в поверхностных водах. Цветение водорослей весной-летом 2018 года и связанное с ним понижение pCO2 были сильными, чему способствовали высокие предвесенние концентрации питательных веществ. Систематические положительные годовые балансы CO2 свидетельствуют о том, что на наш прибрежный участок исследования влияют потоки углерода, поступающие из других мест, возможно, в виде органического углерода, который реминерализуется и высвобождается в атмосферу в виде CO2. Этот прибрежный источник CO2, подпитываемый органическим веществом, происходящим, вероятно, из наземных экосистем, подчеркивает важность понимания круговорота углерода в континууме суша-море.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Американские ученые выявили сложные взаимосвязи между углеродным и азотным циклами и определили возможности для повышения их взаимного устойчивого управления

Декарбонизация имеет решающее значение для борьбы с изменением климата. Однако некоторые стратегии декарбонизации могут оказать серьезное влияние на азотный цикл. В данном обзоре мы изучаем потребности в азоте пяти основных стратегий декарбонизации, чтобы выявить сложные взаимосвязи между углеродным и азотным циклами и определить возможности для повышения их взаимного устойчивого управления. Некоторые стратегии декарбонизации требуют значительного нового производства азота, что потенциально может привести к увеличению загрязнения питательными веществами и усугублению эвтрофикации водных систем. Например, стратегия замены 44% ископаемого топлива, используемого в морском судоходстве, на топливо на основе аммиака может сократить выбросы CO2 на 0,38 ГтCO2-экв год-1, но потребует 9соответствующего увеличения нового синтеза азота на 212 ТгN год-1. Аналогичным образом, использование биотоплива для снижения выбросов CO2 на 0,7 ± 0,3 ГтCO2-экв год-1 потребует новых поступлений азота на пахотные земли в размере 21-42 ТгN год-1. Чтобы избежать увеличения потерь азота и усугубления эвтрофикации, усилия по декарбонизации должны быть направлены на обеспечение сопутствующих выгод в отношении углерода и азота. Сокращение использования углеродоемких синтетических азотных удобрений - один из примеров, который может одновременно сократить как потребление азота на 14 ТгN год-1, так и выбросы CO2 на 0,04 (0,03-0,06) ГтCO2-экв год-1. Будущие исследования должны направить усилия по декарбонизации на борьбу с эвтрофикацией и повышение эффективности использования азота в сельском хозяйстве, пищевой и энергетической системах.

Исследование опубликовано в журнале Nature Reviews Earth & Environment.

Немецкие ученые исследовали изменчивость содержания CO2 и CH4 в прибрежном торфянике Балтийского моря

Переувлажнение торфяников является важной мерой по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ) в результате изменения землепользования. После переувлажнения территории могут быть весьма неоднородными с точки зрения обмена ПГ и зависеть от уровня воды, растительности, предыдущего использования и продолжительности переувлажнения. Здесь мы представляем исследование прибрежного торфяника, который был переувлажнен солоноватой водой из Балтийского моря и таким образом стал частью прибрежной мелководной водной системы Балтийского моря через постоянную гидрологическую связь. Переувлажнение подавляет выбросы углекислого газа CO2, препятствуя аэробному разложению органических веществ. И наоборот, аноксические условия в почве приводят к увеличению выбросов метана CH4, что сводит на нет эффект снижения выбросов CO2. В отличие от орошения пресной водой, влияние орошения солоноватой, содержащей сульфаты водой менее изучено, хотя ожидается положительный эффект, поскольку сульфатредуцирующие бактерии могут закрепиться и вытеснить метанопроизводящие археи (метаногены) за субстраты, что приведет к снижению выбросов CH4. Оба аспекта, неоднородность окружающей среды и формирование солоноватой толщи воды, требуют усовершенствованных методов количественной оценки для определения местных поглотителей и источников атмосферных ПГ. Летом 2021 года мы провели девять недель автономных измерений придонных вод с высоким разрешением, основанных на использовании датчиков, для определения морских физических и химических параметров в двух точках постоянно затопляемого торфяника, и получили данные о потоках парниковых газов. Результаты показывают значительные временные флуктуации CO2 и CH4, выраженные в виде многодневной, суточной и событийной изменчивости, а также пространственные различия для переменных, на которые в основном влияют биологические процессы. Многодневная изменчивость привела к выраженной величине измеренных парциальных давлений ПГ во время развертывания в диапазоне 295,0-8937,8 мкатм (CO2) и 22,8-2681,3 мкатм (соответствует 42,7-3568,6 нмоль л-1; CH4), соответственно. Кроме того, изменчивость ПГ, температуры и кислорода характеризовалась выраженными суточными циклами, в результате чего среднесуточная изменчивость составила 4066,9 мкатм для CO2 и 1769,6 мкатм для CH4. Суточная изменчивость привела к выраженному расхождению между измерениями днем и ночью, а также в зависимости от местоположения, в результате чего потоки CO2 и CH4 различались в 2,1-2,3 и 2,3-3,0 раза соответственно. На переувлажненный торфяник также оказывали влияние быстрые системные изменения (события), такие как шторм, осадки и значительные изменения уровня воды, которые влияли на биогеохимический круговорот и парциальное давление ПГ. Полученный средний обмен ПГ составил 0,12 ± 0,16 г м-2 ч-1 (CO2) и 0,51 ± 0,56 мг м-2 ч-1 (CH4), соответственно. Эти потоки являются высокими (CO2) и низкими (CH4) по сравнению с исследованиями торфяников умеренной зоны, орошаемых пресной водой. При сравнении этих потоков с предыдущим годом (т.е. с результатами эталонного исследования) потоки уменьшились в 1,9 и 2,6 раза соответственно. Потенциально это было связано с постепенным потреблением органического материала, подавлением производства CH4, аэробным и анаэробным окислением CH4, что указывает на положительную эволюцию переувлажненного торфяника в участок с умеренными выбросами ПГ в течение следующих лет.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Китайские ученые составили карту распределения запасов углерода в лесах в субтропическом регионе с интеграцией данных воздушного лидара и Sentinel-2

Запас углерода в лесах - важный показатель, отражающий структуру и функции лесной экосистемы. Его пространственное распределение имеет большое значение для управления природными ресурсами, защиты экосистем и биоразнообразия, а также дальнейшего содействия устойчивому развитию, однако точное картирование распределения запасов углерода в лесах на большой территории является сложной задачей. В данном исследовании в качестве примера выбран уезд Чантинг, провинция Фуцзянь, чтобы изучить метод составления карты распределения запасов углерода в лесах с помощью интеграции данных аэрофотосъемки Lidar, Sentinel-2 и вспомогательных данных в 2022 году. Байесовский иерархический подход к моделированию был использован для оценки местного запаса углерода в лесах на основе данных воздушного лидара и полевых измерений, а затем подход случайного леса был использован для разработки региональной модели оценки запаса углерода в лесах на основе данных Sentinel-2 и вспомогательных данных. Результаты показали, что распределение запасов углерода на основе лидарных данных эффективно обеспечивает выборочные участки с хорошей пространственной репрезентативностью для моделирования региональных запасов углерода с коэффициентом детерминации (R2) 0,7 и среднеквадратичной ошибкой (RMSE) 12,94 т/га. Средние запасы углерода составили 48,55 т/га, 55,51 т/га и 57,04 т/га для сосны Массона, пихты китайской и широколиственных лесов, соответственно. Запас углерода в регионах без сохранения был на 15,2-16,1 т/га выше, чем в регионах с сохранением. Данное исследование предлагает перспективный метод с использованием данных воздушного лидара в качестве связующего звена между выборочными участками и данными Sentinel-2 для картирования регионального распределения запасов углерода в тех субтропических регионах, где серьезная эрозия почвы привела к относительно редкой плотности лесного полога. Полученные результаты ценны для принятия местными органами власти научных решений по содействию восстановлению экосистем в результате водной и почвенной эрозии.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing.

Международный коллектив ученых спроектировал и оптимизировал временную сеть вихревой ковариации в высоких широтах

Экосистемы в высоких широтах быстро меняются в ответ на изменение климата. Для понимания изменений потоков углерода в сезонных и многодекадных временных масштабах необходимы долгосрочные измерения in situ с помощью вихревых ковариационных сетей. Однако в высокоширотной сети вихревых ковариаций имеются большие пространственно-временные пробелы. В данном случае мы использовали индекс относительной ошибки экстраполяции в укрупненной валовой первичной продукции на основе машинного обучения в качестве меры репрезентативности сети и основы для оптимизации сети. Мы показали, что индекс относительной ошибки экстраполяции неуклонно снижался с 2001 по 2020 год, что свидетельствует об уменьшении ошибок при апскейлинге. В экспериментах, где мы ограничиваем активность сайта, устанавливая максимальную продолжительность или прекращая измерения в фиксированное время, эти ошибки значительно возрастают, в некоторых случаях отбрасывая состояние сети более чем на десятилетие назад. Наши эксперименты также показывают, что при равной активности объектов в различных теоретических сетях более разветвленная конструкция с короткими измерениями функционирует лучше с точки зрения крупномасштабной репрезентативности, чем сеть с меньшим количеством долгосрочных вышек. Мы разработали метод выбора оптимального добавления сайтов для расширения сети, который сочетает в себе объективный подход к моделированию и экспертные знания. Этот метод значительно превосходит неуправляемое расширение сети и может компенсировать неоптимальный выбор человека. Для канадской Арктики мы показали несколько сценариев оптимизации и обнаружили, что добавление новых участков очень полезно для канадской высокой Арктики и северо-восточной тундры. В целом, важно поддерживать участки в активном состоянии и, по возможности, вкладывать дополнительные средства в исследование новых стратегических мест.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Biogeosciences.

Немецкие ученые оценили выбросы CH4 со свалок в Мадриде с использованием спектрометрии аэрофотосъемки и лидара парниковых газов

Метан CH4, наряду с углекислым газом, является ключевым фактором антропогенного изменения климата. Сокращение выбросов CH4 имеет решающее значение для краткосрочного смягчения климата. Деятельность, связанная с отходами, например, свалки, является одним из основных источников CH4 даже в развитых странах. Измерения концентрации в атмосфере с помощью дистанционного зондирования дают мощный способ количественной оценки этих выбросов. Мы изучаем мусорные объекты в окрестностях Мадрида, Испания, где спутниковые данные указывают на высокий уровень выбросов CH4. Впервые для количественной оценки выбросов CH4 мы объединили пассивную съемку (MAMAP2DL) и активное лидарное зондирование (CHARM-F) на борту немецкого исследовательского самолета HALO при поддержке приборов in situ. Используя данные о столбе CH4 и информацию о ветре модели ECMWF-ERA5, подтвержденную данными воздушных измерений, мы оцениваем выбросы со свалок с помощью метода баланса масс в поперечном сечении. Сильные шлейфы выбросов прослеживаются на расстоянии до 20 км по ветру 4 августа 2022 г., а самые высокие аномалии столба CH4 наблюдаются над зонами активных свалок в окрестностях Мадрида, Испания. Общее количество выбросов оценивается в ~13 тыс. Одиночные пересечения шлейфов, полученные с помощью обоих приборов, согласуются с точностью до 1,2 т-1 (или 13 %). Погрешности потока составляют от ~25 до 40 %, в основном из-за изменчивости пограничного слоя и скорости ветра. Этот пример не только демонстрирует возможности применения простого, но быстрого подхода к балансу массы в поперечном сечении, а также его ограничения, связанные со сложными условиями пограничного слоя атмосферы, но и демонстрирует, насколько нам известно, первое успешное использование активного и пассивного дистанционного зондирования с воздуха для количественной оценки выбросов метана из горячих точек и независимой проверки их выбросов.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Канадские ученые сравнили радиометрические методы оценки недавних темпов секвестрации органического углерода в почвах внутренних водно-болотных угодий

Для того чтобы водно-болотные угодья служили естественным решением проблемы климата, необходимы точные оценки коэффициентов поглощения органического углерода (ОС) в водно-болотных отложениях. Датирование с помощью радиоизотопов цезия-137 (137Cs) и свинца-210 (210Pb) обычно используется для измерения коэффициентов поглощения OC в водно-болотных отложениях. Радиоизотопное датирование по 137Cs относительно простое, расчеты основаны на одной точке, представляющей начало (1954 г.) или пик (1963 г.) выпадения 137Cs. Радиоизотопное датирование по 210Pb более сложное, поскольку расчеты основаны на нескольких точках. Здесь мы показываем, что надежное датирование кернов донных отложений, собранных на заболоченных территориях, может быть достигнуто с помощью 137Cs или 210Pb датирования или их комбинации. Однако профили 137Cs и 210Pb по глубине осадочных кернов должны быть тщательно отобраны, проанализированы и интерпретированы, чтобы оценить скорость секвестрации OC с высокой точностью. С этой целью мы предлагаем схему принятия решений по отбору профилей 137Cs и 210Pb на высококачественные и низкокачественные профили осадочных пород, а также сравниваем датировки по временным маркерам 1954 и 1963 годов, то есть скорости осадконакопления и, следовательно, секвестрации OC за последние ∼ 60 лет. Наши результаты свидетельствуют о том, что скорости секвестрации OC на основе 137Cs и 210Pb сопоставимы, особенно при использовании временного маркера 1963 года (по сравнению с 1954 годом).

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Американские ученые провели мониторинг выбросов метана от искусственного выпаса крупного рогатого скота

Точные измерения выбросов метана скотом на уровне всей фермы или стада необходимы для инвентаризации антропогенных парниковых газов и оценки стратегий по снижению воздействия. Эксперимент по контролируемому выбросу метана CH4 был проведен для того, чтобы определить, может ли спектроскопия с двойной комбинацией (DCS) обнаружить повышение концентрации CH4, производимое типичным стадом мясного скота в системе экстенсивного выпаса. DCS с открытым контуром использовалась для измерения концентраций CH4 с наветренной и подветренной стороны от 10 точечных источников метана, имитирующих выбросы крупного рогатого скота. Мольные доли CH4 и данные о скорости ветра были использованы для расчета потока CH4 с помощью модели обратного переноса, а затем смоделированные потоки были сравнены с фактической скоростью выброса CH4. Для источника, расположенного в 60 м от наветренного пути, система DCS обнаружила горизонтальный градиент концентрации CH4 на 10 нмоль моль-1 выше фоновой концентрации в атмосфере с точностью до 6 нмоль моль-1 за 15-минутный интервал. Выброс CH4 составил 3970 г сут-1, что привело к увеличению средней концентрации CH4 на 24 нмоль моль-1. Расчетный поток CH4 составил 4002 г сут-1, показав хорошее согласие с фактической скоростью высвобождения CH4. Периодическое изменение наветренного пути, которое может потребоваться для отслеживания движущегося скота, не оказало негативного влияния на способность приборов определять поток CH4. Эти результаты дают нам уверенность в том, что поток CH4 может быть определен пасущимся скотом с низким уровнем возмущения и прямыми измерениями в полевых условиях.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Китайские ученые оценили накопление и поглощение углерода лесной биомассой в Китае за период с 1990 по 2021 год

Леса Китая являются крупным поглотителем углерода и играют важную роль в достижении цели углеродной нейтральности к 2060-м годам. Для достижения этой цели необходимо точно определить величину и пространственные закономерности поглощения углерода лесами. В данном исследовании мы поставили перед собой цель дать самую подробную оценку накопления и поглощения углерода лесной биомассой в Китае с пространственным разрешением 1 км за период с 1990 по 2021 год путем объединения долгосрочных наблюдений с помощью оптических и микроволновых наборов данных дистанционного зондирования с эталонной картой, проверенной на местности. Мы изучили пространственные характеристики углерода надземной биомассы (AGB) и подземной биомассы (BGB) в лесах Китая, а также вариации поглотителей углерода AGB. Среднее накопление углерода в надземной и подземной биомассе с 1990 по 2021 год в лесах Китая составило 8,42 ± 0,96 ПгС и 1,9 ± 0,21 ПгС, соответственно. Среднегодовое поглощение углерода из AGB в этот период составило примерно 0,083 ± 0,023 ПгС год-1. Леса юго-западного региона обеспечили 31,15 % поглощения углерода AGB лесов в Китае и 41,01 % накопления углерода AGB лесов. Наше исследование представляет собой эффективный инструмент для оценки изменений углерода лесной биомассы с использованием комплексных данных дистанционного зондирования из нескольких источников и подчеркивает важность получения крупномасштабных, высококачественных, последовательных и доступных данных обследования участков для подтверждения земных наблюдений за биомассой.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing.

Российские ученые провели анализ естественных потоков CO2 и CH4 в атмосферу с территории России в XXI в.

Проведен анализ естественных потоков CO2 и CH4 в атмосферу с территории России в XXI в. с использованием результатов расчетов с ансамблем глобальных климатических моделей международного проекта CMIP6. Оценки природных потоков CO2 для российских регионов сильно различаются для разных моделей. Их значения для начала XXI в. находятся в пределах от –1 до 1 ГтС/год. В XXI в. различия модельных оценок потоков растут и в конце XXI в. при сценарии с наибольшими антропогенными воздействиями SSP5-8.5 находятся в диапазоне от –2.5 до 2.5 ГтС/год. Оценки естественных эмиссий метана в атмосферу с территории России также сильно различаются для разных моделей – современные эмиссии метана оцениваются в диапазоне от 10 до 35 МтCH4/год, при этом рост в XXI в. может достигать 300%. В ансамблевых модельных расчетах проявляются общие тенденции для изменений естественных потоков парниковых газов. Для большинства моделей ансамбля CMIP6 характерно достижение максимума поглощения CO2 наземными экосистемами и его дальнейшее сокращение к концу XXI в., а естественные эмиссии метана в атмосферу для всех моделей и сценариев антропогенных воздействий растут на протяжении XXI в. Кумулятивный температурный потенциал естественных потоков CO2 на территории России в XXI в. оценен, в зависимости от сценария антропогенных воздействий, от –0.3 до 0.1 K, а ускоряющее потепление воздействие естественных эмиссий CH4 – в диапазоне 0.03–0.09 K

Исследование опубликовано в журнале Известия РАН. Физика атмосферы и океана.