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

Новости проекта

Норвежские ученые оценили потенциал деградации углерода и мобилизации талых торфяников вечной мерзлоты на севере Норвегии

В связи с изменением климата и глобальным потеплением почвы вечной мерзлоты подвергаются быстрому оттаиванию. Особенно уязвимы торфяники, расположенные у южной границы области вечной мерзлоты в зонах прерывистой и спорадической вечной мерзлоты. Они хранят большое количество углерода C, который при оттаивании может разлагаться и высвобождаться в виде углекислого газа CO2, метана CH4 и растворенного органического углерода DOC. Данное исследование характеризует модели потенциальной деградации и мобилизации углерода на территории со спорадической вечной мерзлотой, оценивая деградацию углерода в трех экосистемах вечномерзлых торфяников в Финнмарке (Норвегия) в лабораторных условиях. Образцы активного слоя, переходной зоны и вечной мерзлоты из разных кернов оттаивали в контролируемых условиях и инкубировали до 350 дней в изначально окислительных или аноксических условиях, измеряя при этом выделение CO2, CH4 и DOC. Деградация углерода варьировала между тремя торфяными плато, но демонстрировала схожую тенденцию по глубине, с наибольшими показателями производства CO2 в верхнем активном слое и верхней части вечной мерзлоты. Несмотря на заметные различия в химическом составе торфа между слоями, послеоттепельная продукция CO2 в мерзлом торфе в течение первых 350 дней достигала 67 %-125 % от той, что наблюдалась в образцах из верхней части деятельного слоя. После длительной аноксической инкубации в образцах из переходной зоны и вечной мерзлоты происходило новое производство CH4, но оно не наблюдалось в образцах из деятельного слоя. Производство CH4 было самым высоким в инкубации из термокарстового торфа, отобранного рядом с разлагающимися торфяными плато. Производство DOC образцами активного слоя в течение 350 дней инкубации превышало потери газообразного углерода в 23 раза в аноксических условиях, в то время как его производство мерзлым торфом было незначительным. В целом результаты нашего исследования позволяют предположить, что мерзлотный торф в оттаивающих норвежских торфяных плато деградирует со скоростью, аналогичной скорости деградации торфа в активном слое, а наибольшее производство CH4 можно ожидать после затопления оттаявшего мерзлотного материала в термокарстовых прудах.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Китайские ученые синтезировали и структурно охарактеризовали пористый кристаллический ковалентный органический каркас

Улавливание CO2 из воздуха представляет собой перспективный подход к решению проблемы изменения климата и достижению целей углеродной нейтральности. Однако разработка прочного материала с высокой емкостью, быстрой кинетикой и низкой температурой регенерации для улавливания CO2, особенно из сложной и динамичной атмосферы, все еще не завершена. Здесь был синтезирован, структурно охарактеризован и постсинтетически модифицирован пористый кристаллический ковалентный органический каркас (КОФ) с олефиновыми связями путем ковалентного присоединения аминных инициаторов для получения полиаминов в порах. Этот COF (названный COF-999) может улавливать CO2 из открытого воздуха. COF-999 имеет емкость 0,96 ммоль г-1 в сухих условиях и 2,05 ммоль г-1 при относительной влажности 50%, в обоих случаях из 400 ppm CO2. Этот COF был испытан в течение более чем 100 циклов адсорбции-десорбции на открытом воздухе в Беркли, Калифорния, и полностью сохранил свои характеристики. COF-999 является исключительным материалом для улавливания CO2 из открытого воздуха, что подтверждается его стабильностью при циклировании, легким поглощением CO2 (достигает половинной емкости за 18,8 мин) и низкой температурой регенерации (60°C).

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Международный коллектив ученых установил, что посадка деревьев не является решением проблемы климата в северных высоких широтах

Посадка деревьев стала популярным решением для смягчения последствий изменения климата благодаря способности деревьев накапливать углерод в биомассе и тем самым снижать антропогенное обогащение атмосферы CO2. Поскольку условия для роста деревьев расширяются по мере глобального потепления, проекты по посадке деревьев стали осуществляться в регионах самых высоких северных широт. Однако ряд фактов свидетельствует о том, что посадка деревьев в высоких широтах не способствует смягчению последствий изменения климата. В северных бореальных и арктических регионах посадка деревьев приводит к чистому потеплению из-за повышения снижения альбедо, что нивелирует потенциальный эффект смягчения последствий от накопления углерода в районах с ограниченной биомассой и низкой устойчивостью. Кроме того, посадка деревьев нарушает резервуары почвенного углерода, в которых хранится большая часть углерода в холодных экосистемах, и оказывает негативное воздействие на местную арктическую биоту и средства к существованию. Несмотря на ближайшие экономические перспективы, которые может представлять посадка северных деревьев, этот подход не является действенной стратегией смягчения последствий потепления климата ни в Арктике, ни в большей части бореального лесного региона. Это было известно уже несколько десятилетий назад, но поскольку политика, стимулирующая посадку деревьев, все чаще доминирует в регионе высоких широт, мы предостерегаем от узкого фокуса на накоплении углерода биомассой. Вместо этого мы предлагаем системно-ориентированное рассмотрение климатических решений, которые основаны на понимании всего комплекса соответствующих процессов в системе Земли, влияющих на радиационный баланс. Это крайне важно для того, чтобы избежать реализации неэффективных или даже контрпродуктивных стратегий смягчения последствий потепления климата в арктических и бореальных регионах.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.

Международный коллектив ученых изучил процессы выбросов парниковых газов из гидроэнергетических водохранилищ

Водохранилища гидроэлектростанций, являясь жизненно важными внутренними водоемами антропогенного происхождения, имеют отличные от природных вод характеристики, что вызывает исследовательский интерес к количественной оценке и картированию выбросов парниковых газов (ПГ). В данном обзоре мы систематически рассматриваем исследования, посвященные выбросам парниковых газов из водохранилищ гидроэлектростанций. Мы выделяем два основных физических механизма, возникающих в результате создания плотин на реках, а именно водозабор и регулирование водного режима, которые могут существенно влиять на выбросы парниковых газов в водохранилищах гидроэлектростанций. Водохранилища различаются по размеру, при этом небольшие водохранилища характеризуются более высокими выбросами CH4 на единицу площади. Так, в малых водохранилищах средняя скорость потока составляет 327,54 мгC-CH4 м-2 сут.-1, в средних - 267,12 мгC-CH4 м-2 сут.-1, а в крупных - 37,34 мгC-CH4 м-2 сут.-1. Такое различие потенциально объясняется меньшим временем пребывания воды в малых водохранилищах и большей подверженностью литорали возмущениям. Помимо масштаба водохранилища, на различия в выбросах ПГ между водохранилищами также влияет тип гидроэлектростанции. Предполагается, что системы гидроэлектростанций с речным и замкнутым циклом закачки (PSH) будут демонстрировать более низкие выбросы ПГ (PSH: 4,2-46,5 мгC-CH4 м-2 сут.-1) по сравнению с обычными гидроэлектростанциями с водохранилищами благодаря их эксплуатационным характеристикам, способствующим перемешиванию и насыщению кислородом водной толщи водохранилища и уменьшению осадкообразования. Тем не менее, необходимо провести дополнительные полевые измерения. Благодаря интеграции литературных данных мы предлагаем решения, направленные на управление выбросами, учитывая как физические механизмы, так и планирование гидроэнергетики. В конечном счете, эти результаты позволят углубить наше понимание выбросов ПГ из водохранилищ гидроэлектростанций и будут способствовать устойчивой практике управления сокращением выбросов углерода.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters.

Международный коллектив ученых выпустил обзор потенциальных вариантов управления глобальной обратной связью метана и климата водно-болотных угодий

Ожидается, что выбросы метана в глобальных водно-болотных угодьях увеличатся в результате потепления климата. Увеличение количества метана представляет собой значительный источник выбросов (на 32-68 ТгCH4 год-1 больше в 2099 году по сравнению с 2010 годом при сценарии RCP2.6-4.5), который угрожает долгосрочной стабильности климата и представляет собой значительную положительную обратную связь, усиливающую потепление климата. Однако управление этой обратной связью, которая в конечном итоге обусловлена антропогенным потеплением и, таким образом, «косвенно» антропогенна, практически не изучено. Здесь мы рассмотрим известные варианты прямого управления растущими выбросами метана из болот, наметим контекст для их применения и проведем мысленный эксперимент в глобальном масштабе, чтобы оценить их потенциальное влияние. Среди потенциальных вариантов управления выбросами метана из водно-болотных угодий наиболее хорошо изучены поправки к субстрату, особенно сульфатные, хотя большинство из них тестировались только в лабораторных условиях и без учета потенциальных внешних экологических последствий. Используя опубликованные модели, мы обнаружили, что основная часть (64-80 %) дополнительного метана из болот будет происходить из горячих точек, составляющих лишь около 8 % от глобальной площади болот, в основном в тропиках и субтропиках. Если применить сульфат в этих горячих точках, то он может подавить 10-21 % от общего объема дополнительных выбросов метана из болот, однако такая обработка влечет за собой значительные негативные последствия для окружающей среды. Этот мысленный эксперимент использует результаты экспериментального моделирования сульфатов, образующихся в результате кислотных дождей, поскольку исследований по использованию сульфатов для намеренного подавления дополнительных выбросов метана из водно-болотных угодий практически нет. Учитывая масштабы потенциальной обратной связи метана из водно-болотных угодий, влияющей на климат, очень важно изучить варианты управления и их воздействие, чтобы убедиться, что решения о непосредственном управлении или отказе от управления этим процессом принимаются с учетом имеющихся научных данных.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Немецкие ученые провели исследование конструкции бортового лидара N2O

Закись азота N2O - третий по значимости парниковый газ, измененный в результате деятельности человека, после диоксида углерода и метана. В данном исследовании рассматривается возможность использования воздушного лидара дифференциального поглощения для измерения повышения концентрации N2O над сельскохозяйственными, промышленными и сжигающими биомассу источниками. Средняя инфракрасная область спектра, где существуют достаточно сильные линии поглощения N2O, затрудняет пассивное дистанционное зондирование с помощью спектроскопии из-за низкой солнечной радиации и теплового излучения. Лидарное дистанционное зондирование в основном возможно благодаря лазеру как независимому источнику излучения, но пока не реализовано из-за технологических проблем. Исследованы полосы поглощения N2O в среднем инфракрасном диапазоне, пригодные для дистанционного зондирования. Моделирование показывает, что положение спектральной впадины между двумя сильными линиями N2O в полосе 4,5 мкм является наиболее предпочтительным вариантом. Второй вариант существует в полосе 3,9 мкм, что связано с большими ограничениями по стабильности частоты лазера и меньшей чувствительностью измерений. Оба варианта удовлетворяют требованиям к измерениям N2O для количественной оценки выбросов в сельскохозяйственных районах или точечных источниках (точность измерений 0,5 %, пространственное разрешение 500 м) при технически реализуемых и доступных характеристиках передатчика (средняя мощность лазера 100 мВт) и приемника (телескоп 20 см) для лидара дифференциального поглощения с интегрированной траекторией, который измеряет концентрацию столба под самолетом. Разработка воздушного лидара N2O вполне осуществима, но для этого потребуется прогресс в области инфракрасных лазерных излучателей и технологии малошумного обнаружения. Он также послужит предшественником космических версий, которые пока недостижимы из-за отсутствия космической техники.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Ученые из Швейцарии проанализировали драйверы вихревых ковариаций, полученных от выбросов N2O от выпасаемых и удобренных пастбищ

Управляемые пастбища являются мощными источниками парникового газа закиси азота N2O благодаря различным поступлениям азота N. До сих пор для количественной оценки выбросов N2O и коэффициентов выбросов конкретных источников выбросов, таких как экскременты пасущегося скота, использовались камерные измерения. В данном исследовании представлен трехлетний набор данных по выбросам N2O с пастбища, на котором паслись и удобряли, измеренных пульсационным методом (ПМ) в восточной Швейцарии. Потоки N2O были заполнены пробелами и разделены на источники выбросов (разделение потоков) с помощью случайного леса. Выпадение азота из экскрементов на пастбище оценивалось на основе азотного бюджета крупного рогатого скота с использованием наблюдаемых надоев молока, массы тела и потребления корма стадом крупного рогатого скота. Кроме того, был проведен анализ драйверов для количественной оценки связи между выбросами N2O и предикторными переменными. Наблюдаемые годовые выбросы N2O составили 5,3 ± 0,8, 3,1 ± 0,5 и 4,4 ± 0,7 кгN2O-N га-1 год-1 и были разделены на фоновые, связанные с удобрениями и экскрементами выбросы N2O с вкладом 27-46 %, 15-40 % и 30-51 %, соответственно. Объединение потоков N2O с экскрементами и поступления азота с экскрементами привело к среднему коэффициенту выбросов (КВ) для экскрементов крупного рогатого скота 1,1 ± 0,5 %, что, как правило, выше стандартного значения МГЭИК 0,6 % для влажного климата. Хотя максимальные выбросы N2O обычно наблюдались после внесения удобрений и при оптимальных условиях влажности почвы, как и ожидалось, отчетливые пики выбросов N2O также наблюдались в течение более длительного периода засухи летом и могли быть параметризованы как функция осадков и предыдущей активности пастбищ. Кроме того, пик выбросов N2O пришелся на холодный сезон при низких температурах, что следует учитывать в будущих исследованиях. В целом, мы предполагаем, что измерения ПМ в условиях пастбищ с последующим разделением потоков с помощью случайного леса подходят для количественной оценки выбросов N2O из различных источников.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Французские ученые оценили потенциал использования атмосферных высоких башен для прямых измерений потоков парниковых газов

Мониторинг парниковых газов важен для обеспечения достижения климатических целей. Данное исследование раскрывает потенциал использования атмосферных высоких башен для прямых измерений потоков, преодолевая разрыв между сетями мониторинга атмосферы и экосистем. Проект ICOS Cities (PAUL) направлен на мониторинг выбросов CO2 в городских районах, где концентрация выбросов делает их ключевой целью для смягчения последствий изменения климата. В данном исследовании рассматривается синергия между атмосферными и экосистемными сетями ICOS путем использования анализаторов с медленным откликом (∼ 3 с) на высоких атмосферных башнях для изучения экосистем с помощью метода вихревой ковариации. Стандартная установка с ультразвуковым анемометром и инфракрасным (ИК) анализатором CO2 с быстрым откликом была установлена и сравнена с измерениями, полученными с помощью существующего анализатора с кольцевой спектроскопией (CRDS), измеряющего CO2, CO и CH4. Установка была развернута на 100-метровой башне Сакле под Парижем и охватывала территорию площадью 43,9 км2 80% с дорогами с интенсивным движением, близлежащей теплоцентралью и лесом, что позволило решить технические проблемы и сложности, связанные с высотой. Поправки на ослабление потока высокочастотными потерями составили в среднем < 20 % для всех стабильных условий и около 11 % для нестабильных условий. Повышенные средние потоки CO2 (10 мкмоль м-2 с-1) и CH4 (200 мкмоль м-2 с-1) наблюдались при направлении ветра от теплоцентрали в декабре и январе. Напротив, лесное направление показало самый сильный сток среди всех направлений ветра, с -4 мкмоль м-2 с-1 в июле и августе. Накопление и вертикальная адвекция оценивались с помощью обычных трехуровневых профильных измерений, проводимых на атмосферных башнях ICOS. Величина накопителя совпадала с величиной турбулентного потока, увеличиваясь ночью и уменьшаясь в первой половине дня. Вертикальная адвекция в среднем за месяц равнялась нулю. Эти результаты демонстрируют возможность и универсальность использования атмосферных башен для мониторинга городских выбросов, предлагая ценные идеи для стратегий мониторинга выбросов во всем мире.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.