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

Новости проекта

Американские исследователи выявили занижение выбросов метана в кадастрах штата Нью-Йорк на основе аэрофотосъёмки

Точные кадастры выбросов парниковых газов (ПГ) имеют жизненно важное значение для смягчения последствий изменения климата, поскольку они позволяют выявить области, в которых имеются потребности, и обеспечить эффективную политику и регулирование в области сокращения выбросов ПГ. Несколько исследований показали, что кадастры парниковых газов, составляемые самостоятельно, не учитывают выбросы метана во всех антропогенных секторах, что свидетельствует о растущей потребности в подтверждении кадастра прямыми измерениями. В ходе этого исследования были проведены аэрофотосъемочные наблюдения и определены уровни выбросов метана и углекислого газа во многих секторах штата Нью-Йорк (NYS). Показатели выбросов были рассчитаны для каждого из источников с использованием метода баланса массы и впоследствии сопоставлены с данными Программы отчетности Агентства по охране окружающей среды о выбросах парниковых газов за 2021 год (EPA GHGRP). На свалках были зафиксированы самые высокие наблюдаемые выбросы метана, которые варьировались от 161 до 3440 кг/ч. Кроме того, наблюдаемые выбросы на объектах в разные сезоны значительно различались, что указывает на значительное влияние метеорологии. Различия в оценочных измеренных выбросах между различными свалками могут быть вызваны различиями в эксплуатации. В наблюдаемых оценках выбросов углекислого газа преобладали установки для сжигания, за которыми следовали свалки. Сравнение с данными инвентаризации показывает, что выбросы метана, усредненные по 10 наблюдаемым свалкам, занижены в 2 раза. Однако из 10 свалок на 5 наблюдаемые оценки выбросов метана значительно превышали кадастровую стоимость, на 4 наблюдаемые значения находились в пределах диапазона неопределенности наблюдений, а на 1 наблюдаемая оценка выбросов со свалки была заметно ниже заявленной кадастровой оценки. Согласно результатам измерений, свалка Сенека-Медоуз была самым крупным источником выбросов, что в 4,3 раза превысило среднегодовую оценку, которая была представлена в отчете Агентства по охране окружающей среды о выбросах парниковых газов за 2021 год. NYS может использовать эту информацию для составления кадастра парниковых газов NYS и совершенствования методологий оценки выбросов, чтобы лучше отражать фактические выбросы. Два набора данных, описанные в этом документе, опубликованы на сайте PANGAEA. Исходный набор данных можно найти по адресу https://doi.org/10.1594/PANGAEA.979845 (Catena and Smith, 2025a). Набор данных о выбросах можно найти по адресу https://doi.org/10.1594/PANGAEA.979843 (Catena and Smith, 2025b).

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.

Европейские исследователи сравнили технологии мониторинга углеродного поглощения для MRV в наземных экосистемах ЕС

В контексте климатических целей ЕС наземные экосистемы играют решающую роль в смягчении последствий изменения климата, выступая в качестве поглотителей углерода. Достижение цели ЕС по климатической нейтральности требует не только сокращения выбросов парниковых газов, но и улучшения текущего процесса удаления углекислого газа с помощью наземных решений, таких как облесение и устойчивое управление почвами. Недавно утвержденный Регламент ЕС 2024/3012 по абсорбции углерода и сертификации углеродных ферм направлен на обеспечение прозрачности и надежности учета выбросов углерода, поддержку рынков выбросов углерода и наземной абсорбции. Однако мониторинг, отчетность и верификация (MRV) этих выбросов остаются сложной задачей из-за изменчивости экосистем и сложностей в управлении земельными ресурсами. Несмотря на то, что существует множество технологий для поддержки учета выбросов углерода, выбор наиболее подходящего метода для различных условий является непростой задачей. В этом обзоре оцениваются пять ключевых технологий мониторинга выбросов углерода: башни flux, спутниковые датчики, платформы обнаружения воздушного излучения и определения дальности, наземное лазерное сканирование и устройства интернета вещей на месте. Их пригодность для различных сценариев применения, в частности, в лесах и древесных культурах, анализируется с использованием системы оценки, которая учитывает пространственный масштаб наблюдений, временное разрешение, точность, затраты и ограничения. Хотя каждая технология обладает определенными преимуществами, ни один метод не является универсально оптимальным. Предлагая сравнительную оценку преимуществ и ограничений каждой технологии, этот обзор призван помочь землепользователям, политикам, исследователям и заинтересованным сторонам в выборе наиболее эффективных решений для обеспечения надежного MRV в проектах по выращиванию углерода.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters.

Международная группа исследователей разработала модель MetFluxNet для оценки интенсивности выбросов метана по спутниковым данным

Сокращение выбросов метана в результате деятельности человека имеет важное значение для борьбы с изменением климата. Для мониторинга этих выбросов мы полагаемся на спутниковые наблюдения, которые позволяют регулярно отслеживать выбросы в глобальном масштабе. Выбросы метана обычно оцениваются количественно по их источнику – массе газа, выбрасываемого в единицу времени. Наша цель - оценить интенсивность выбросов метановых шлейфов, обнаруженных с помощью гиперспектральных сканеров, таких как PRISMA или EnMAP. Для решения этой задачи мы сгенерировали большой синтетический набор данных, используя вихреразрешающее моделирование (LES) для обучения модели глубокого обучения. Этот набор данных был специально разработан для того, чтобы избежать переобучения сети с помощью тщательной временной выборки и масштабирования шлейфа. Наша сеть глубокого обучения MetFluxNet не требует никакой информации о ветре или маски шлейфа. Более того, он точно предсказывает частоту появления источника даже при наличии ложных срабатываний. MetFluxNet хорошо зарекомендовал себя в нашем наборе данных со средней абсолютной процентной погрешностью (MAPE) в 8,3 % при широком диапазоне расхода источника от 500 до 25 000 кг/ч в час. Примечательно, что он остается эффективным при более низких частотах излучения источников, где фоновый шум, как правило, высок. Чтобы подтвердить применимость MetFluxNet в реальных условиях, мы протестировали сеть MetFluxNet на реальных шлейфах с известными наземными потоками. Прогнозируемое количество источников систематически находилось в пределах 95% доверительных интервалов, что демонстрирует ее надежность при оценке шлейфа в реальных условиях. Наконец, по сравнению с последними передовыми методами, MetFluxNet превзошел S2MetNet, основанный на глубоком обучении, и метод интегрированного повышения массы (IME), основанный на физике.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Немецкие исследователи валидировали метод мобильного мониторинга выбросов метана на биогазовой установке

Растущее число биогазовых установок в Германии и Европе диктует необходимость разработки соответствующей стратегии количественной оценки потенциальных потерь метана (СН4) для обеспечения устойчивости производства энергии из возобновляемых источников. В дополнение к высокой неопределенности коэффициентов выбросов, имеется мало информации о временных изменениях выбросов CH4 от биогазовых установок. В этом исследовании долгосрочные измерения уровня выбросов CH4 на биогазовой установке в Гейдельберге, Германия, проводились в течение 8 лет с использованием мобильных измерений в сочетании с гауссовой моделью турбулентных плюмов. Чтобы повысить точность расчетов уровня выбросов и согласовать набор данных, методология была оценена с помощью шести экспериментов по контролируемому выбросу метана. Результаты этих экспериментов показали, что погрешность нашего метода составляет менее 30% при условии соблюдения следующих рекомендаций: измерение ветровой и солнечной радиации должно проводиться на месте, не менее 10 разрезов должны быть пройдены на низких скоростях, а расстояние от источника излучения должно составлять не менее 20 м.. Внедряя эти усовершенствования в практику долгосрочного мониторинга на биогазовой установке в Гейдельберге, мы представляем полный и согласованный набор данных мобильных измерений, полученных в ходе 26 кампаний. Полученные данные показали лишь незначительные временные колебания уровня выбросов CH4, что, вероятно, связано с непрерывной работой биогазовой установки со стабильными режимами. Примечательно, что средний уровень выбросов CH4 составил 5,9 ± 0,5 кг/ч. Успешная интеграция данных, собранных за 8 лет с помощью нескольких измерительных установок, повышает надежность набора данных, предоставляя ценную информацию о выбросах метана на биогазовых установках.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Американские исследователи экспериментально оценили влияние потепления на почвенное дыхание тропических лесов Пуэрто-Рико

Тропические леса являются доминирующим регулятором глобального углеродного цикла, обмениваясь с атмосферой большим количеством углекислого газа, чем любой другой земной биом. Климатические модели предсказывают беспрецедентное потепление климата в тропических регионах в ближайшие десятилетия; однако в тропических лесах остро не хватает полевых исследований потепления на местах. Здесь мы представляем результаты эксперимента по локальному потеплению в Пуэрто-Рико, в ходе которого реакция дыхания почвы на потепление на +4°C оценивалась каждые полчаса в течение года. Интенсивность почвенного дыхания на прогретых участках была на 42-204% выше, чем на окружающих, что представляет собой один из самых высоких показателей почвенного дыхания, зарегистрированных для любой наземной экосистемы. В то время как частота дыхания была значительно выше на прогретых участках, температурная чувствительность (Q10) была на 71,7% ниже, что указывает на механический сдвиг. Даже при снижении Q10, если наблюдаемые показатели почвенного дыхания сохранятся в более теплом мире, влияние на будущий климат может быть значительно больше, чем прогнозировалось или наблюдалось ранее

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Австралийские исследователи представили портативную систему мониторинга CO₂, CH₄ и N₂O для наземных и водных экосистем

Понимание сложной динамики потоков парниковых газов (ПГ), таких как диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O) между водными и наземными экосистемами и атмосферой, требует проведения масштабных кампаний мониторинга для адекватного учета пространственных и временных изменений. Однако обычные коммерческие анализаторы парниковых газов ограничивают сбор данных из-за их высокой стоимости, ограниченной мобильности, большого веса и ограниченной автономности в полевых условиях. Чтобы преодолеть эти трудности, мы разработали Pondi – легкий (0,8 кг) регистратор, состоящий из экономичных компонентов, предназначенных для долгосрочного (от недель до месяцев) непрерывного мониторинга концентраций CO2, CH4 и N2O в наземной и водной средах. Компоненты для Pondi стоят примерно 750 долларов США (или 1166 австралийских долларов) и требуют 6 часов специализированного труда. Pondi оснащен солнечными батареями с неограниченным сроком службы, глобальной системой позиционирования (GPS) для отслеживания, инерциальным измерительным блоком (IMU) для обнаружения движения и дополнительным модулем на базе микроконтроллера для поддержки системы самовентилирования и дополнительных датчиков. Pondi может быть подключен как к плавучим камерам для измерения выбросов парниковых газов в воде, так и к наземным камерам для количественной оценки дыхания (с темными камерами) или чистой первичной производительности (с прозрачными камерами). Pondi подключен к облачной системе для доступа к данным в режиме реального времени и удаленной настройки. Компоненты для Pondi легко доступны в большинстве стран, а для сборки устройства достаточно базовых инженерных знаний и навыков в области информационных технологий. Предлагая практичное, экономичное и надежное решение для мониторинга парниковых газов, Pondi вносит свой вклад в усилия по оценке и снижению антропогенных выбросов парниковых газов.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Немецкие учёные оценили влияние органических и комплексных систем ведения хозяйства на устойчивое использование азота

Стратегии экологической интенсификации в сельском хозяйстве, включая внесение органических удобрений и диверсификацию севооборотов, направлены на сокращение потерь азота (N) в окружающую среду. Однако исследований по распределению и потере азота на соседних участках с одинаковыми почвенно-климатическими условиями, но разной историей хозяйствования, т.е. органическое земледелие (ОЗ) с частым выращиванием бобовых и периодическим внесением органических удобрений, по сравнению с комплексным земледелием (КЗ) с синтетическими и органическими удобрениями, по-прежнему недостаточно. Понимание того, как эти системы различаются по своей азотной динамике, имеет важное значение для совершенствования стратегий управления питательными веществами, смягчения воздействия на окружающую среду и руководства устойчивыми методами ведения сельского хозяйства. Здесь мы подсчитали потери азота на полях (аммиак, закись азота, динитроген и выщелачивание нитратов), общий баланс азота и выделение навозной жижи крупного рогатого скота с маркировкой 15N в почву и растения на двух соседних участках за 2 года посева. Хотя это привело к значительному повышению рН и содержания органического углерода и азота в почве, выбросы аммиака, закиси азота и диазота после внесения навозной жижи для скота, а также выщелачивания нитратов существенно не отличались в зависимости от двух методов ведения сельского хозяйства. Потери аммиака были низкими в течение всего периода культивации, что указывает на то, что применение поливочных шлангов и внесение навоза успешно снижают выбросы аммиака. Высокая степень извлечения 15N из удобрений растениями и почвой, а также низкая доля невосстановленного 15N хорошо согласуются с низкими потерями азота, измеряемыми непосредственно. В среднем, извлечение 15N было ниже для ОЗ (85 % против 93 % в КЗ), вероятно, из-за неучтенных выбросов N2, которые можно было измерить только в течение 2 недель после внесения удобрений, но высокая пространственная изменчивость извлечения 15N, возможно, сделала эту разницу незначительной. Значительно более высокий уровень содержания азота в биомассе при выращивании КЗ продемонстрировал, что история ведения хозяйства повлияла на продуктивность за счет повышения минерализации органического вещества почвы. Благодаря более высокой продуктивности, суммарный баланс азота за все периоды культивирования был нейтральным в пределах погрешности измерений для КЗ (-8 ± 15 кгN/га), что свидетельствует об оптимизированном использовании азота. Например, баланс азота за один период культивирования варьировался от -19 до 41 кг/га; таким образом, наблюдения за один период культивирования были неубедительными. Суммарный положительный баланс азота (48 ± 14 кг/га) во все периоды культивирования позволяет предположить, что более частое внесение органических удобрений может увеличить запасы азота (и углерода) в почве и, в конечном итоге, повысить урожайность. Однако положительный баланс азота в сочетании с более низким извлечением 15N из почвы также указывает на более высокую вероятность неучтенных потерь азота, что, в свою очередь, замедлит накопление азота и углерода в почве с течением времени.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Китайские исследователи разработали метод экологической коррекции для долгосрочного мониторинга CO₂ в городах

Недорогие сети датчиков средней точности (LCS) стали многообещающим подходом к мониторингу выбросов CO2 в сложных городских условиях. Однако эксплуатационные характеристики этих LCS в полевых условиях сталкиваются со значительными проблемами, связанными с факторами окружающей среды (например, температурой, влажностью) и длительными отклонениями, вызванными ухудшением качества датчиков (например, старением источника света). В этом исследовании мы провели 30-месячные совместные наблюдения с использованием устройств LCS (называемых SENSE-IAP) совместно с эталонным анализатором Picarro для оценки долгосрочных полевых характеристик, которые необходимы для коррекции и валидации средне-недорогих сетей наблюдений за CO2. Разработанная нами система экологической коррекции эффективно корректировала влияние ежедневных изменений окружающей среды, что позволило снизить среднеквадратичные ошибки (RMSE) с 5,9 ± 1,2 до 1,6 ± 0,5 ppm для SENSE-IAP. Поправки оставались устойчивыми к сезонным изменениям окружающей среды, поддерживая суточную RMSE, как правило, в пределах 1-3 ppm течение 30 месяцев наблюдений. Долгосрочные осадки, которые часто наблюдались в LCS, приводили к отклонениям до 27,9 ppm в течение 2 лет. Кроме того, сезонный дрейфовый цикл способствовал увеличению RMSE до 25 ppm после 6 месяцев эксплуатации. Хотя система экологической коррекции не смогла устранить эти ошибки, линейная интерполяция эффективно откалибровала долгосрочный дрейф, снизив значение RMSE за 30 месяцев до 2,4 ± 0,2 ppm. Чтобы повысить точность работы сетей с высокой плотностью выбросов CO2, использующих такие LCS, мы рекомендуем поддерживать частоту калибровки предпочтительно в течение 3 месяцев, но не более 6 месяцев, при этом оптимальная калибровка выполняется как зимой, так и летом, чтобы обеспечить точность в пределах 5 ppm. Эти результаты свидетельствуют о том, что приборы SENSE-IAP могут работать в течение длительного времени, не требуя возврата в лабораторию для повторной калибровки или частой калибровки стандартного газа в полевых условиях, что существенно сокращает временные, трудозатратные и финансовые затраты.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Американские исследователи предложили интеграцию учета альбедо в протоколы углеродного кредитования

Климатические выгоды от некоторых добровольных проектов на углеродном рынке могут быть переоценены из-за отсутствия учета изменения альбедо. Здесь мы анализируем 172 проекта по облесению, лесовосстановлению и рекультивации растительности, реализуемых на рынке, и обнаруживаем, что более 10% из них приходится на места, где альбедо может полностью свести на нет эффект от смягчения последствий изменения климата, а четверть - на места, где альбедо может вдвое снизить эффект от смягчения последствий. Тем не менее, большинство проектов сосредоточено там, где изменения альбедо, как ожидается, будут минимальными, и 9% проектов осуществляются там, где альбедо увеличило бы эффект от смягчения последствий. Последние данные делают возможным учет альбедо, и мы предлагаем итеративный подход к включению учета альбедо в протоколы углеродного кредитования для определения приоритетности проектов, приносящих большую пользу климату, и более точной количественной оценки кредитов, которые могут быть использованы для решения проблемы неослабевающих выбросов. Мы также призываем научное сообщество создать инструменты, позволяющие учитывать другие важные биофизические изменения, такие как суммарное испарение, которое пока не поддается количественной оценке в рамках Добровольного углеродного рынка.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Японские исследователи провели масштабные измерения выбросов метана в мегаполисе Осака с использованием мобильных платформ

Городские районы - это регионы, где ожидаются большие выбросы парниковых газов, но во многих городских районах источники и поглотители остаются неопределенными. В этом исследовании мы провели измерения мобильной и вихревой ковариации для оценки выбросов CH4 в мегаполисе Осака, Япония. На основе мобильных измерений было обнаружено несколько повышенных концентраций CH4. Большинство мест не были связаны с источниками CH4, выявленными в кадастрах выбросов, о которых сообщили местные органы власти. Две платформы для мобильных измерений, автомобильная и велосипедная, показали хорошую согласованность в оценке общих выбросов CH4, но измерения транспортных средств, как правило, давали меньшие оценки выбросов природного газа, чем измерения велосипедов. Выбросы CH4, полученные в результате измерений на велосипедах, были скорректированы с использованием дневных потоков CH4 с помощью метода вихревой ковариации для зон воздействия потока и использованы для увеличения масштабов до городов Сакаи и Осака. Используя эти масштабированные данные о выбросах, полученные в результате измерений транспортных средств, в качестве косвенного показателя для общих потоков по площади, оценочные выбросы CH4 составили 10 021 ± 1000 тCH4/год для Осаки и 2379 ± 480 тCH4/год для Сакаи, что в 18 и 2,5 раза больше, соответственно, по сравнению с кадастровыми оценками. Совпадающие наблюдения за C2H6 показали, что выбросы природного газа составляют 64 % от общего объема выбросов CH4 в городе Осака и 47 % в городе Сакаи. Судя по этим снимкам, выбросы CH4 в крупных городах Японии могут быть значительно выше, чем указано в кадастрах выбросов, и большинство источников CH4 недостаточно хорошо охарактеризованы в этих кадастрах. Необходимо лучше охарактеризовать эти неучтенные источники, чтобы улучшить инвентаризацию CH4 в Японии и оценить, можно ли уменьшить эти выбросы.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.