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

Новости проекта

Американские исследователи представили цепочку обработки данных для точного обнаружения выбросов метана с MethaneAIR

Спектрометр визуализации MethaneAIR изначально разрабатывался в качестве бортового демонстратора для миссии спутника MethaneSAT. MethaneAIR позволяет точно определять концентрацию метана на основе измерений с высоким спектральным разрешением с помощью функции поглощения метана на длине волны 1650 нм при номинальном пространственном измерении 5 × 25 м. В этой работе мы представляем эффективную с точки зрения вычислений цепочку обработки данных, оптимизированную для обнаружения и количественной оценки выбросов метана с помощью MethaneAIR. Он включает в себя поиск данных об увеличении концентрации метана (ΔXCH4) с помощью высокоточного поиска с помощью согласованного фильтра, который впервые применяется для поиска с длиной волны 1650 нм. Метановые струи обнаруживаются при визуальном осмотре полученных карт ΔXCH4. Мы оценили эффективность этой схемы обработки с помощью моделирования выбросов, сопоставления с другими методами и контролируемых выбросов метана. Мы применили эту цепочку обработки к мозаике данных MethaneAIR, собранных над Пермским бассейном во время полетов в 2021 и 2023 годах, что привело к обнаружению сотен точечных источников с плотностью свыше 100-200 кг/ч при консервативном пределе обнаружения около 120 кг/ч. Наши результаты показывают согласованность результатов поиска с помощью соответствующего фильтра ΔXCH4 MethaneAIR, а также их потенциал для обнаружения и количественной оценки точечных источников метана на больших площадях.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Японские исследователи представили открытый набор данных JapanFlux2024 для изучения обмена энергией и CO₂ между сушей и атмосферой

Наблюдения за вихревой ковариацией играют ключевую роль в понимании обмена энергией, водой, углекислым газом (CO2) и другими газообразными примесями между сушей и атмосферой, а также глобального углеродного цикла и земной системы. Чтобы способствовать объединению отдельных измерений и обмену данными, FLUXNET объединяет региональные сети исследователей, изучающих процессы, происходящие на суше и в атмосфере. JapanFlux была основана в 2006 году как национальное отделение AsiaFlux. Несмотря на растущий объем общедоступных данных по всему миру, их доступность в Азии в настоящее время ограничена. В этом исследовании мы разработали открытый набор данных наблюдений за вихревой ковариацией для Японии и Восточной Азии под названием JapanFlux2024, который был проведен исследователями, связанными с японскими исследовательскими институтами. Данные были обработаны с использованием выбранных стандартных методов, предложенных сообществом FLUXNET, с адаптацией к набору данных JapanFlux2024. Здесь мы представляем описание данных и их обработку, а также показываем значения обработанных потоков явного тепла, скрытого тепла и CO2. Набор данных будет способствовать проведению важных исследований для Японии и Восточной Азии, таких как взаимодействие суши и атмосферы, совершенствование моделей процессов и масштабирование потоков с использованием машинного обучения и технологий дистанционного зондирования, а также налаживанию сотрудничества между Asia и FLUXNET.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.

Шведские исследователи оценили выбросы метана в северных водно-болотных угодьях с использованием адаптивной MCMC-системы

В этом исследовании мы используем систему ассимиляции данных, основанную на алгоритме адаптивной цепи Маркова Монте-Карло (MCMC), для определения параметров процесса в модели LPJ-GUESS, используя наблюдения вихревых ковариационных потоков CH4 из 14 различных природных водно-болотных угодий бореальной, умеренной и арктической зон. Цель состоит в том, чтобы получить единый набор откалиброванных значений параметров. Откалиброванные значения параметров затем используются в модели для проверки полученных данных о потоках СН4 на основе независимых наблюдений за потоками СН4 в пяти различных типах природных водно-болотных угодий, расположенных в разных местах, оценивая их пригодность для моделирования потоков СН4 в бореальных, умеренных и арктических водно-болотных угодьях. Результаты показывают, что система MCMC существенно снизила стоимость функции (измерение несоответствия между моделируемыми и наблюдаемыми потоками CH4) и упростила детальную характеристику апостериорного распределения параметров. Было достигнуто снижение RMSE примерно на 50%, что отражает улучшение соответствия наблюдениям. Результаты эксперимента по валидации показывают, что для четырех из пяти мест проведения валидации RMSE был успешно снижен, что свидетельствует об эффективности системы оценки выбросов CH4 из водно-болотных угодий, не включенных в эксперимент по ассимиляции. Для водно−болотных угодий выше 45° северной широты общая среднегодовая оценка выбросов CH4 с использованием оптимизированной модели составила 28,16 ТгС/год, а для регионов выше 60° северной широты − 7,46 ТгС/год.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Американские ученые сравнили работу прибора COMA с другими спектрометрами для наблюдений за атмосферными газами

В этой работе мы описываем разработку прибора для измерения содержания монооксида углерода с помощью прибора Ames (COMA) для измерения содержания монооксида углерода (CO) и закиси азота (N2O) на борту высотного исследовательского самолета НАСА WB-57. В то время как ранее COMA летала в кабине платформы NASA P3, здесь прибор был модифицирован для работы в существенно отличающихся условиях – на негерметичном поддоне, летающем преимущественно на высоте более 12 км (40 000 футов). В лазер были внесены изменения, позволяющие определять содержание CO и N2O, были приняты меры по повышению прочности и регулированию температуры, а также была разработана система калибровки для количественной оценки стабильности измерений в полете. Тестирование проводилось в термовакуумной камере, чтобы имитировать ожидаемые условия окружающей среды внутри отсека для поддонов WB-57, и было установлено, что электронные компоненты остаются в пределах допустимых температурных режимов. COMA успешно эксплуатировалась во время 9 транзитных полетов в Южную Корею и обратно без сопровождения и 15 исследовательских полетов в рамках кампании НАСА "Химический и климатический проект азиатских летних муссонов" (ACCLIP) 2022, которая была направлена на изучение антициклона азиатских летних муссонов в западной части Тихого океана. Общая погрешность измерения CO колеблется от 4,1 ppb (при 50 ppb CO) до 5,6 ppb (при 200 ppb CO). Общая неопределенность по N2O составляет 2,7 ppb (при 320 ppb N2O). Кроме того, наблюдения КОМЫ были сопоставлены с двумя другими приборами in situ CO, установленными на WB-57: лазерным детектором монооксида углерода 2 (COLD2) и спектрометром оксидов углерода и сульфидов в воздухе (ACOS). Сравнение результатов 15 полетов в ходе кампании по акклиматизации показывает, что разница в крутизне составляет 1,10–1,15 для COLD2 и COMA и 0,94–1,10 для ACOS и COMA.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Американские исследователи проанализировали десятилетнюю динамику выбросов метана в восстановленных водно-болотных угодьях Калифорнии

Восстановление водно-болотных угодий все чаще рассматривается как стратегия долгосрочного удержания углерода. Однако выбросы метана (CH4) из восстановленных водно-болотных угодий могут значительно снизить их климатические преимущества. В этом исследовании мы проанализировали один из самых длинных квазинепрерывных наборов данных о ковариации вихрей метана, охватывающий более десяти лет, из водно-болотных угодий Мейберри в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин, Калифорния. Выбросы метана в Мейберри первоначально резко возросли после восстановления, но с тех пор снизились, и эта межгодовая тенденция положительно влияет на решение проблемы естественного изменения климата потенциал проекта реставрации. Используя случайный анализ лесов, мы обнаружили, что десятилетняя тенденция к сокращению выбросов совпадает с десятилетней тенденцией к росту растительности. Недавний всплеск выбросов метана связан со снижением электропроводности пористой воды, что указывает на то, что химический состав пористой воды также может играть доминирующую роль в формировании потоков метана. Изотопный сигнал метана, накопленного в отложениях, был удивительно стабильным в течение последнего десятилетия, что указывает на минимальные изменения в углеродной стабильности повторно затопленного торфа. Мы обнаружили, что на суточном масштабе скрытая теплота является доминирующим фактором, определяющим выбросы метана, что подчеркивает роль суточных режимов в испарении растений. В сезонных масштабах изменения глубины залегания грунтовых вод и проводимости поверхностных вод помогают объяснить выбросы метана. Наши результаты подчеркивают уникальную ценность вихревой ковариации и дополнительных измерений, начатых в начале восстановления, для выяснения долгосрочной динамики метана в восстановленных водно-болотных угодьях. Они также подчеркивают острую потребность в расширенных экологических данных, таких как химический состав поровых вод и изменения растительности, для всестороннего учета факторов, определяющих поток метана.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Китайские ученые изучили влияние растительности и климата на поглощение CO₂ восстановленными водно-болотными угодьями

Водно-болотные угодья - поглотители углекислого газа представляют собой долгосрочную и эффективную стратегию смягчения последствий изменения климата и усиления связывания углерода. Во многих регионах приняты методы экологического восстановления, такие как “возвращение сельскохозяйственных угодий в водно-болотные угодья”, для укрепления способности экосистем поглощать углекислый газ. Однако соответствующий вклад динамики растительности и климатических факторов в поглощение углерода экосистемой в ходе этого процесса остается недостаточно изученным. В этом исследовании используются данные об интенсивности потоков CO2 за 12 лет, метеорологические данные и снимки дистанционного зондирования восстановленного прибрежного солончака, чтобы исследовать, как растительность и климат совместно влияют на чистый экосистемный обмен (NEE) в различных временных масштабах и с разной продолжительностью восстановления. Результаты показывают, что как растительность, так и климат дают важнейшее представление о динамике NEE. Интеграция данных о растительности и климате повышает точность прогнозов NEE, указывая на их совокупное влияние на поглощение CO в экосистеме. С течением времени растительность оказывает все более сильное влияние на NEE, хотя климатические факторы остаются основной движущей силой ее изменения. Более того, восстановление растительности во время реставрации усиливает ее регулирующее воздействие на NEE, постепенно уменьшая относительное влияние климата. Эти результаты углубляют наше понимание механизмов, определяющих выбросы CO2, и дают ценное руководство для прогнозирования и оптимизации функций поглощения углерода прибрежными водно-болотными угодьями.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Международный консорциум ICOS оценил вариабельность изотопного состава углерода в атмосфере юга Италии

Фракционирование изотопов углерода является эффективным инструментом, используемым для выявления и дифференциации поглотителей и источников выбросов. Диоксид углерода (CO2) и метан (CH4) являются одними из ключевых факторов изменения климата, и детальная оценка изменений соотношения 13C/12C в обоих соединениях дает важную информацию для науки об атмосфере. Итальянский консорциум ICOS (Интегрированная система наблюдения за выбросами углерода в атмосферу) в настоящее время проводит измерения δ13C-CO2 и δ13C-CH4, при этом четыре наблюдательных пункта теперь оснащены анализаторами Picarro G2201-i CRDS (Cavity Ring-Down Spectrometry). В этой работе представлены результаты первых двух месяцев измерений, проведенных на станции Потенца на юге Италии в период с 20 февраля по 20 апреля 2025 года, которые представляют собой первую оценку непрерывных атмосферных измерений δ13C-CO2 и δ13C-CH4 на итальянской станции. Эти результаты дают первое представление о том, как эти ⁶измерения могут улучшить текущее понимание изменчивости CO2 и CH4 на Аппенинском полуострове и в центральной части Средиземноморья. Хотя результаты этих измерений носят предварительный характер, они указывают на то, что наблюдаемые пики концентраций CO2 обусловлены сжиганием ископаемого топлива. Уровень CH4 в целом стабилен; однако резкие пики его изотопной дельты, наблюдавшиеся в марте, могут стать первым прямым свидетельством проникновения сахарской пыли в Италию, влияющим на фракционирование изотопов углерода в атмосфере. В этом исследовании также представлен анализ недельного поведения изотопологий.

Исследование опубликовано в журнале Atmosphere.

Датские исследователи оценили образование CO₂ в результате денитрификации подземных вод в национальном масштабе

Загрязнение окружающей среды нитратами в результате сельского хозяйства представляет серьезную глобальную угрозу для окружающей среды и здоровья населения. Содержание нитратов в подземных водах может быть снижено путем денитрификации - процесса, при котором образуется растворенный неорганический углерод (DIC) в результате минерализации органического углерода (ОС) и/или растворения карбонатов. Этот DIC выступает в качестве чистого антропогенного источника атмосферного CO2, однако его общее воздействие на климат остается слабо ограниченным. В этом исследовании мы количественно оценили образование CO2 в результате денитрификации подземных вод по всей Дании, используя обширные наборы данных наблюдений и инструменты моделирования национального масштаба. Был применен набор методов машинного обучения для кластеризации окислительно-восстановительных условий подземных вод и составления карты доминирующих доноров электронов для денитрификации в национальном масштабе. Было предсказано, что на границе окислительно-восстановительных процессов денитрификация будет происходить за счет окисления пирита примерно на 76 % территории Дании, а на остальной территории преобладает окисление кислорода. Наши результаты подчеркивают центральную роль гидрогеологии в контроле распределения основных доноров электронов. Пространственная изменчивость образования CO2 в результате денитрификации подземных вод определялась выщелачиванием азота и преобладающими путями денитрификации. Предполагая полную денитрификацию, мы подсчитали, что при денитрификации грунтовых вод образуется приблизительно 204 ктСО2-эк/год DIC, из которых около 50 %, вероятно, попадает в атмосферу. Руководящие принципы Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) учитывают выбросы CO2 в сельском хозяйстве при внесении извести, мочевины и других углеродсодержащих удобрений, которые, по оценкам, составят 246, 16 и 6 ктСО2-эк/год соответственно для Дании в 2022 году. Хотя CO2 составляет незначительную долю (≈2 %) от общего объема выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве, наши результаты свидетельствуют о том, что CO2, образующийся в результате денитрификации, следует включать в кадастры парниковых газов в сельском хозяйстве.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Международный коллектив ученых разработал национальную стратегию по управлению выбросами закиси азота на канадских фермах

Внесение азотных (N) удобрений в сельскохозяйственные почвы приводит к выбросу закиси азота (N2O), на долю которой приходится около 40% выбросов парниковых газов в Канаде и 10% мировых выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве. Сокращение этих выбросов с помощью передовых методов управления удобрениями (BMP) имеет решающее значение для достижения цели по сокращению выбросов, связанных с удобрениями, на 30% ниже уровня 2020 года к 2030 году, установленной правительством Канады. Однако прогрессу препятствуют несколько ключевых проблем: (1) необходимость количественной оценки сокращения выбросов N2O, связанного с внедрением BMP, (2) неполное понимание поведенческих факторов, влияющих на внедрение BMP, (3) отсутствие подходящих показателей для отслеживания прогресса в достижении целевых показателей сокращения, и (4) недостаточное понимание того, какие факторы влияют на внедрение BMP. отсутствие рекомендаций по управлению для конкретного региона, которые обеспечивали бы баланс между потенциалом сокращения выбросов, прибыльностью ферм и принятием решений фермерами. Для решения этих задач мы представляем canN2Onet, инновационную сеть для сотрудничества, созданную в 2024 году и объединяющую широкий круг экспертов из учреждений по всей Канаде с партнерами, представляющими научные круги, промышленность, правительство и организации производителей. canN2Onet нацелен на (1) создание национальной сети контрольных площадок, связывающих круглогодичные измерения выбросов N2O и почвенных процессов с поведенческими экономическими исследованиями процессов принятия решений; (2) разработка и валидация надежных показателей для отслеживания прогресса в достижении целевых показателей по сокращению выбросов путем использования первых в Канаде региональных башенных измерений, разработки базы данных и усовершенствованных биогеохимических моделей; и (3) создание дорожной карты по сокращению выбросов путем расширения масштабов BMPS до регионального уровня, включая экономические компромиссы и поведенческие инсайты. Эта работа представляет собой первое скоординированное национальное усилие, направленное на получение всестороннего представления о потенциале снижения выбросов N2O на основе усовершенствованных методов управления в основных регионах Канады, производящих зерновые и масличные культуры. Он предлагает эффективные показатели на уровне фермерских хозяйств, отражающие реальные условия ведения сельского хозяйства, и универсальную структуру для руководства стратегиями управления питательными веществами в конкретных регионах по всему миру, способствуя достижению как климатических целей, так и устойчивости сельского хозяйства.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters.

Американские ученые оценили возможности камер с жестким потоком газа для измерений утечек метана и CO₂

В этом исследовании оцениваются характеристики камеры с жестким потоком газа, оснащенной массовым расходомером (MFM), для измерения выбросов газа из негерметичных скважин и аналогичных точечных источников газа, работающих под давлением. Мы провели серию лабораторных и полевых экспериментов, чтобы оценить чувствительность, стабильность и динамический диапазон системы камер MFM, и нашли оптимальный способ герметизации камеры до основания, чтобы изолировать источник излучения. Исходя из этих результатов, мы оцениваем влияние различных газопроницаемостей почвы на результаты измерений и определяем неопределенность экологических процессов, которые могут повлиять на результаты измерений. Результаты моделирования камеры MFM сравниваются с результатами моделирования камеры с динамическим потоком, чтобы сопоставить данные, полученные с помощью обеих методик, и проиллюстрировать потенциал измерения утечек с высокой вариабельностью с помощью камеры MFM. Используя измерительный прибор с низким сопротивлением потоку и камеру, плотно прилегающую к земле, можно измерять утечки до 1.08x10-3 м3 ч-1 (при температуре 25° и давлении 1 атм), что соответствует 0,77 г ч−1 для метана или 2,11 г ч-1 для диоксида углерода. Экологические процессы, такие как нагрев газа внутри камеры за счет солнечной энергии, ветер, дующий через вентиляционное отверстие камеры, и изменение влажности в камере, могут привести к отклонениям в измерениях MFM. За 11 дней непрерывного мониторинга при различных погодных условиях было установлено, что стандартное отклонение сигналов, полученных из окружающей среды, составило 7.40x10-3 м3 ч-1 (что эквивалентно 5,27 г ч-1 для метана или 14,45 г ч-1 для углекислого газа). Стратегии получения высококачественных данных из камер MFM включают в себя заглубление краев камеры под поверхность на достаточную глубину, чтобы изолировать края камеры от потока газа, и пропитывание грязи водой, чтобы снизить вероятность выхода газов, а также контроль расхода газа и регулировку уплотнения камеры для достижения максимальной скорости потока.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.