Дайджест за октябрь 2025 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Международный коллектив ученых оценил влияние перенасыщения детекторов на точность спутникового мониторинга выбросов CO₂

Прямой и косвенный выброс углекислого газа (CO2) в атмосферу в результате деятельности человека является основной причиной антропогенного изменения климата со времен промышленной революции. Парижское соглашение от 2015 года требует регулярного представления странами отчетов о выбросах парниковых газов. Обратное моделирование наблюдаемых концентраций парниковых газов является одним из важных подходов к проверке данных о выбросах. Будущая группировка спутников антропогенного мониторинга CO2 (CO2M) Copernicus предназначена для измерения выбросов парниковых газов с высоким спектральным и пространственным разрешением и широким охватом. Для выявления, оценки и мониторинга выбросов CO2 из космоса предъявляются строгие требования к характеристикам приборов и алгоритмам определения усредненной по столбцам мольной доли сухого воздуха (XCO2). В этом исследовании мы анализируем влияние предотвращения насыщения детектора на точность и пространственный охват XCO2. Мы используем алгоритм быстрого поиска остаточных газов в атмосфере (FOCAL), который был выбран в качестве одного из оперативных алгоритмов поиска парниковых газов, которые будут реализованы в наземном сегменте CO2M. Чтобы избежать перенасыщения, количество считываний за время дискретизации может быть увеличено, а сигналы могут быть объединены на плате, что в данном исследовании мы называем “временной передискретизацией”. Мы используем набор данных смоделированных излучений с подвыборкой за 1 год для определения коэффициентов временной передискретизации (OSF), достаточных для предотвращения насыщения детектора, а затем применяем определенные комбинации OSF глобально. Мы обнаружили, что OSFs, превышающие 1, приведут к значительному уменьшению количества интенсивных наблюдений, что окажет некоторое влияние на среднюю точность XCO2, и пришли к выводу, что OSFs, превышающие 1, следует учитывать при работе спутника. Эти результаты основаны на моделируемых значениях излучения. Следовательно, реальное влияние на точность должно быть проанализировано более подробно на этапе ввода спутника в эксплуатацию.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Китайские исследователи выяснили, как современные технологии автотранспорта влияют на выбросы CH₄ и N₂O

Выбросы парниковых газов (ПГ) являются ключевым фактором глобального изменения климата, при этом выбросы автотранспорта, особенно малотоннажных транспортных средств, становятся важным источником выбросов парниковых газов. Несмотря на обширные исследования газообразных загрязнителей, исследований по выбросам ПГ в рамках концепции углеродной нейтральности остается мало. В этом исследовании рассматриваются характеристики выбросов трех основных парниковых газов (диоксида углерода (CO2), метана (CH4) и закиси азота (N2O)) различными малотоннажными транспортными средствами, включая обычные бензиновые и гибридные транспортные средства, а также такси, работающие на двух видах топлива. Как и ожидалось, благодаря усовершенствованиям в области стандартов выбросов и силовых агрегатов выбросы парниковых газов от автотранспорта значительно снизились. Однако наши результаты также выявили неожиданные тенденции. В то время как модернизация технологии двигателей привела к сокращению выбросов CO2, они неожиданно увеличили выбросы CH4 и N2O. Кроме того, горячие пуски, способствующие снижению выбросов CO2 и CH4, приводят к увеличению выбросов N2O, что примечательно в условиях эксплуатации с частыми остановками двигателя. Интересно, что сжатый природный газ (СПГ), который обычно считается более чистым, увеличивает выбросы CH4. Что касается влияния трехкаталитических преобразователей (TWC) на выбросы парниковых газов, то в условиях “ухудшения TWC” выбросы N2O от транспортных средств, работающих на СПГ, были примерно в 3 раза выше, чем в условиях “работы TWC”, что можно объяснить значительным увеличением содержания оксидов азота (NOx). Учитывая потенциал глобального потепления (ПГП), сценарий “ухудшение показателей TWC” парадоксальным образом привел к снижению значений ПГП, подчеркивая сложную взаимосвязь между технологиями контроля выбросов и их воздействием на окружающую среду. Это исследование дает важную информацию о выбросах парниковых газов автомобильным транспортом, которая необходима для разработки эффективных стратегий, направленных на снижение выбросов и повышение эффективности систем контроля за выбросами.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Международный коллектив ученых оценил глобальные потоки метана с помощью данных спутника GOSAT

Спутниковые инверсии предоставляют ценную информацию о потоках метана (CH4), но вычисление общей усредненной по столбцам мольной доли CH4 (XCH4) в сухом воздухе является сложной задачей. В этом исследовании впервые исследуется потенциал новых данных GOSAT, полученных Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA), для определения глобальных и региональных потоков CH4 в парциальном столбце в нижней тропосфере (pXCH4_LT). Используя атмосферную обратную модель CarbonTracker Europe-CH4 (CTE-CH4), мы оценили потоки CH4 в период с 2016 по 2019 год, сопоставив данные JAXA/GOSAT pXCH4_LT и XCH4 и данные наземных наблюдений CH4 независимо друг от друга. Потоки CH4 в Северном полушарии, полученные на основе данных pXCH4_LT, были аналогичны оценкам, полученным на основе наземных наблюдений, но были занижены примерно на 35 ТгCH4 в год (≈ 6 % от общемирового значения) с использованием данных XCH4. Для Южного полушария оценки, полученные по обеим инверсиям GOSAT, были примерно на 15-30 ТгСН4 год−1 выше, чем те, которые были получены по наземным данным. Сравнение с независимыми данными, полученными в ходе авиационной кампании миссии атмосферной томографии, показало хорошее соответствие инверсий для CH4 в нижних слоях тропосферы с использованием pXCH4_LT и наземных данных. Однако, исходя из этих инверсий, смоделированные градиенты север–юг показали значительное завышение в верхних слоях тропосферы и стратосферы, возможно, из-за относительно равномерного распределения OH в масштабах полушария, которое контролирует поглощение CH4. В целом, мы пришли к выводу, что использование данных JAXA/GOSAT pXCH4_LT демонстрирует значительный потенциал в ограничении глобальных и региональных потоков CH4, улучшая наше понимание бюджета CH4.

Исследование опубликовано в Atmospheric Chemistry and Physics.

Швейцарские исследователи определили ключевые факторы сезонного поглощения углерода в субальпийских лесах

Изменение климата влияет на динамику поглощения углерода и фенологию лесов, особенно в альпийских и субальпийских регионах. Здесь были исследованы долгосрочные тенденции изменения климата, чистый обмен CO2 в экосистеме (NEE), период чистого поглощения углерода (CUPnet) и их причины с использованием 26-летних измерений потоков в субальпийском еловом лесу (CH-Dav, Швейцария; с 1997 по 2022 год). Продолжительность CUPnet, время начала (SOS) и окончания сезона (EOS) были получены из сглаженных временных рядов daily NEE. Мы использовали машинное обучение, чтобы определить важность экологических факторов для daily NEE и CUPnet. В период с 1997 по 2022 год среднегодовые и максимальные температуры воздуха (Tair) повысились, в то время как содержание влаги в почве (SWC) значительно снизилось. Ежегодные выбросы углерода увеличились с 1997 по 2012 год, выровнялись в период с 2012 по 2015 год, после чего последовало снижение. Ежегодный NEE был тесно связан с длиной сети CUPnet, SOS и EOS. Не было обнаружено никаких существенных тенденций в CUPnet, SOS или EOS, что, скорее всего, указывает на экофизиологическую акклиматизацию, то есть физиологическую адаптацию к изменяющимся условиям окружающей среды за последние 26 лет. Мы выявили 48 дней со значительными отрицательными тенденциями в среднесуточном NEE за 26 лет, то есть более сильное чистое поглощение углерода или более слабую чистую потерю углерода, особенно весной и осенью, но без существенных положительных тенденций. Продолжительность светового дня, приходящее коротковолновое излучение (Rg), SWC и минимальный Tair были основными факторами ежедневного NEE. SOS в основном зависел от продолжительности светового дня и Tair, EOS - от продолжительности светового дня и Rg. Таким образом, еловый лес выиграл от более высокой температуры в период с осени по весну, что привело к более высокому чистому поглощению углерода при благоприятных условиях и уменьшению потерь углерода, когда зимний фотосинтез компенсировал дыхание. Однако высокие летние температуры все больше ограничивают NEE, что свидетельствует о неблагоприятных последствиях для субальпийских лесов Picea abies в будущем. Наше исследование продемонстрировало, что выявление факторов, влияющих на динамику NEE в ежедневном масштабе времени, позволяет лучше понять сложность последствий изменения климата для динамики роста лесов.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Финские исследователи протестировали портативный газоанализатор для измерения потоков N₂O в субарктических торфяниках

Концентрация закиси азота (N2O) в атмосфере значительно возросла с 1800 года, главным образом из-за сельскохозяйственной деятельности. Однако из-за их большой площади природные почвы, бедные питательными веществами, в том числе в (суб) Арктике, также играют решающую роль в выбросах и потреблении N2O. Несмотря на их важность, эти почвы недостаточно изучены из-за методологических ограничений в определении низких потоков. Наше исследование устраняет этот пробел в знаниях, тестируя быстродействующий портативный газоанализатор (PGA; Aeris MIRA Ultra N2O/CO2) в сочетании с ручными камерами (высота и диаметр: 25 см) для измерения потоков N2O из бедных питательными веществами субарктических торфяников. Наши результаты показывают, что эта установка может обнаруживать и количественно определять низкие скорости потока N2O со средней и стандартной погрешностью -0.61±0.08 мкгN2O-N м-2 ч-1 в течение 5-минутного времени закрытия, как это наблюдалось в нашем исследовании. Более 70% измеренных потоков N2O превышали минимально регистрируемый поток (0.027±0.0002 мкмоль м-2 ч-1), который изменялся в зависимости от времени закрытия камеры. Наше исследование подчеркивает важность использования быстродействующих анализаторов для измерения низких концентраций N2O и улучшения понимания динамики различных потоков N2O. Для почв с низким содержанием питательных веществ мы рекомендуем время закрытия камеры примерно на 5 минут. Мы также обнаружили, что нелинейная модель расчета потоков дает лучшие результаты и широко применима, включая случаи, когда данные распределены линейно. В целом, наше исследование демонстрирует потенциал быстродействующих анализаторов для улучшения нашего понимания динамики потоков N2O в почвах с низким содержанием питательных веществ.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Французские исследователи выявили влияние некалиброванных измерений ацетилена на оценку потоков метана

Потоки выбросов метана в масштабах предприятия могут быть получены путем сравнения результатов измерений с помощью индикатора и мольной доли метана с подветренной стороны от источника выбросов метана, где расположенный рядом газ-индикатор выделяется с известной скоростью потока. Ацетилен является широко используемым индикатором метана из-за его доступности, низкой стоимости и низкого атмосферного фона. Молярную долю ацетилена можно измерить с помощью инфракрасных газоанализаторов, таких как спектроскопия с кольцевым распределением Picarro G2203. Однако неправильная калибровка индикаторных газоанализаторов может повлиять на оценку потока метана из-за неточных измерений мольной доли исходного индикатора. Мы провели тщательное лабораторное тестирование характеристик Picarro G2203. Результаты измерений по ацетилену Picarro G2203 были откалиброваны путем разбавления ацетилена высокой концентрации окружающим воздухом. Точный уровень содержания ацетилена в каждой смеси для разбавления был определен путем разбавления источника метана высокой концентрации идентичным способом, при этом для количественной оценки истинного уровня разбавления использовались надежные измерения мольной доли метана. Линейная калибровка, примененная к мольной доле неочищенного ацетилена, измеренной прибором Picarro G2203, показала, что эти измерения могут быть скорректированы путем прямого умножения с коэффициентом усиления при калибровке, равным 0,94. Однако эта конкретная калибровка для Picarro G2203, протестированная в данном исследовании, действительна только при мольной доле ацетилена 1,16 частей на миллиард, ниже которой наблюдались нестабильные измерения. Тот же Picarro G2203 использовался во время полевых исследований для проведения 14 успешных разрезов с подветренной стороны от действующего полигона отходов, где точечный выброс ацетилена осуществлялся с фиксированной скоростью потока. Потоки метана были рассчитаны путем интегрирования мольных долей метана и ацетилена в зависимости от расстояния вдоль трассы отбора проб. Это привело к изменению потока на ±56% между различными участками, что в основном было вызвано ошибками, связанными с местоположением выброса индикатора и расположением пробоотборника с подветренной стороны. Потоки метана также были получены с использованием исходной некалиброванной мольной доли ацетилена Picarro G2203 вместо калиброванных измерений, что привело к занижению среднего потока выбросов метана примерно на 8 % для данного конкретного исследования по сравнению с потоками, полученными с использованием калиброванных измерений. В отличие от случайной неопределенности, это смещение представляет собой постоянное занижение расхода, которое невозможно уменьшить путем совершенствования методики отбора проб в полевых условиях; единственным решением является использование калиброванных измерений мольной доли ацетилена. Величина смещения в основном обусловлена коэффициентом усиления 0,94. Следовательно, аналогичный уровень смещения потока метана можно ожидать и в других исследованиях при использовании некалиброванных измерений мольной доли ацетилена с помощью прибора Picarro G2203, протестированного в данной работе. Таким образом, в данном исследовании подчеркивается равная важность калибровки как целевых, так и индикаторных газовых измерений, независимо от того, какой прибор используется для получения этих измерений. В противном случае могут возникнуть погрешности в оценках потока целевого газа. На примере метана это может повлиять на наше понимание роли определенных источников в масштабах предприятия в глобальном балансе метана.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Международный коллектив ученых измерил пространственно-зависимые выбросы CH₄ в экосистеме болот южной Финляндии

Водно-болотные угодья являются крупнейшим природным источником атмосферного метана (CH4), но в глобальном балансе CH4 сохраняются существенные неопределенности, отчасти из-за несоответствия пространственного масштаба между детальными измерениями потоков на месте и моделями поверхности суши с грубым разрешением. В этом исследовании мы оценили важность учета мелкомасштабной пространственной неоднородности в пределах узорчатого болота, чтобы лучше объяснить сезонные колебания выбросов CH4 в масштабах экосистемы. Во время сезонных полевых кампаний в 2022 году мы провели камерные измерения потока и отбор проб поровой воды на участках для удаления растительности на различных микротопографических объектах (микроформах) болота Сииканева, южная Финляндия. Были проанализированы сезонные и пространственные закономерности потоков CH4 в зависимости от ключевых факторов окружающей среды. Картографирование растительного покрова с помощью беспилотника с высоким разрешением (расстояние отбора проб 6 см) позволило экстраполировать потоки в микромасштабе (< 0,1 м2) на масштаб экосистемы (0,75 км2). Выбросы метана из более влажных микроформ (илистых днищ и впадин) точно соответствовали сезонным изменениям температуры торфа и площади зеленых листьев аэренхимных растений, в то время как выбросы из более сухих микроформ (высоких газонов и кочек) оставались сезонно стабильными. Такое постоянство было обусловлено устойчиво низким уровнем грунтовых вод, который смягчал колебания окружающей среды и снижал сезонность производства CH4, окисления CH4 и транспорта, опосредованного растениями. Четкая пространственная структура выбросов CH4 и их сезонная динамика обусловливают высокую чувствительность как величины, так и сезонного цикла выбросов в масштабах экосистемы к территориальному распределению микроформ. Наши результаты подчеркивают необходимость учета микромасштабной пространственной изменчивости в рамках моделирования CH4, поскольку будущие изменения в гидрологии торфяников из-за изменения климата могут изменить баланс между влажными и сухими микроформами, а вместе с этим и сезонный и годовой баланс CH4.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology .

Европейские учёные измерили сезонные изменения метана и диоксида углерода в твердых бытовых отходах

Европейский союз рассматривает производство биогаза на свалках как важнейший элемент в достижении целей по декарбонизации к 2050 году. Биогаз в основном состоит из метана (CH4) и диоксида углерода (CO2), которые образуются в результате анаэробного разложения различных остаточных материалов. Целью этого исследования было изучение концентраций CH4 и CO2 в твердых бытовых отходах в скважинах для сбора биогаза на свалке в Румынии в период с 2023 по 2024 год. Пик концентрации CH4 пришелся на осень 2024 года (скважина P4), в то время как самое высокое содержание CO2 было зафиксировано летом 2023 года (скважина P3). Для моделирования рассеивания загрязняющих веществ в окружающем воздухе использовалась программная платформа Aermod View (версия 11.2.0). Для оценки самых высоких концентраций загрязняющих веществ на уровне земли был применен наихудший сценарий. Самая высокая зарегистрированная концентрация CH4 составила 90,1 мг/м3, в то время как концентрация CO2 на свалке достигла 249 мг/м3. Самые высокие концентрации CH4 были обнаружены в южной части полигона, менее чем в 1 км от свалки, в то время как уровень CO2 был самым высоким в северной части. В заключение отметим, что свалки твердых бытовых отходов ведут себя как непредсказуемые биореакторы, и без надлежащего управления и надзора они могут представлять значительный риск. Интегрированная система, сочетающая профилактику, повторное использование и правильную утилизацию, имеет решающее значение для минимизации этих негативных последствий.

Исследование опубликовано в журнале Atmosphere.

Международная группа учёных уточнила методику количественной оценки выбросов метана с помощью мобильных измерений

Мобильные измерения содержания метана в окружающей среде в режиме реального времени обеспечивают быстрый и эффективный метод выявления и количественной оценки утечек метана из местных газораспределительных систем в городских районах. Цели этих методологий заключаются в том, чтобы (i) определить места утечек для устранения и (ii) составить основанные на измерениях оценки уровня выбросов, которые могут улучшить отчетность о выбросах и способствовать мониторингу изменений выбросов с течением времени. В настоящее время наиболее распространенным методом количественной оценки выбросов является определение максимального содержания метана, обнаруживаемого при пересечении метанового шлейфа. Однако зарегистрированный максимум зависит от характеристик прибора, таких как размер измерительной ячейки, скорость накачки и частота измерений. Следовательно, нынешний подход может использоваться только для приборов с аналогичными характеристиками. Мы полагаем, что интегральная площадь пространственного пика является более подходящей величиной, которая может устранить смещение между различными приборами. На основе экспериментов с контролируемыми выбросами, проведенных с использованием различных устройств в четырех городах (Лондон, Торонто, Роттердам и Утрехт), была проведена оценка методик оценки выбросов. Действительно, когда различные анализаторы проводили измерения в одном и том же транспортном средстве и с одного и того же воздухозаборника, было обнаружено, что интегральная площадь пространственного пика является более надежным показателем для различных газоанализаторов метана, чем максимальное содержание метана. Для более согласованных оценок выбросов при использовании различных инструментов предлагается статистическая функция, основанная на интегральной площади пространственных пиков. В дополнение к этой систематической зависимости между фактической интенсивностью выбросов и зарегистрированной площадью пространственного пика, в соответствии с предыдущими экспериментами наблюдались значительные различия в площади пространственного пика метана на нескольких участках, проходящих через одну и ту же точку выброса. Эта изменчивость является основной причиной неопределенности в попытках использовать мобильные измерения для определения приоритетности устранения утечек. Мы показываем, что повторные разрезы могут уменьшить эту неопределенность и улучшить классификацию по различным категориям утечек. Мы рекомендуем использовать как минимум три, а оптимальный диапазон – пять-семь разрезов шлейфа для эффективной количественной оценки выбросов и определения приоритетности ремонтных работ.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.