Единая глобальная система наблюдений могла бы более эффективно отслеживать прогресс в сокращении выбросов и ускорять меры по борьбе с изменением климата за счёт более качественных данных и поддержки принятия решений.

В последние годы международное сообщество добилось прогресса в замедлении роста выбросов углекислого газа и признании масштабов утечек метана с нефтегазовых объектов. Однако выбросы углекислого газа продолжают расти, выбросы метана в энергетическом секторе не уменьшаются, и потребность в целенаправленном и устойчивом сокращении выбросов парниковых газов и других мерах по смягчению антропогенного изменения климата ощущается как никогда остро.

Успех таких действий частично зависит от наличия точных, своевременных и комплексных данных об углеродном цикле, получаемых с наземных, воздушных и спутниковых датчиков в локальном, региональном и международном масштабах. Эти данные позволяют эффективнее отслеживать сокращение выбросов, выявлять и минимизировать непредвиденные выбросы и утечки, а также отслеживать обратную связь с экосистемами для информирования о землепользовании.

В сентябре 2024 года исследователи, занимающиеся мониторингом углеродного цикла, встретились, чтобы обсудить оптимальные пути создания более эффективной системы мониторинга парниковых газов и ускорения мер по борьбе с изменением климата за счёт более качественных данных и поддержки принятия решений.

Здесь обсуждаются вопросы и проблемы, связанные с мониторингом выбросов и документированием, которые были освещены на сентябрьском совещании, а также идеи и предложения по их решению. Рекомендации подчёркивают необходимость усиления мониторинга для достижения целей Парижского соглашения и Глобального обязательства по метану, особенно в условиях учащающихся климатических экстремальных явлений и уязвимости естественных резервуаров углерода на Земле [Friedlingstein et al., 2025].

Подходы «снизу вверх» и «сверху вниз»

Стороны Парижского соглашения отслеживают свой прогресс в достижении целевых показателей по сокращению выбросов парниковых газов, используя методы учёта «снизу вверх», которые отслеживают выбросы углерода с помощью локальных наземных наблюдений. Эти методы объединяют информацию о пространственном распределении источников и поглотителей углерода с оценками объёмов выбросов или поглощения этими источниками и поглотителями.

Этот подход к инвентаризации предоставляет высокоточную информацию в определённые временные интервалы, что позволяет осуществлять долгосрочное отслеживание. Однако он также часто требует больших временных затрат, зависит от методологий, применяемых в каждой стране, может неточно отражать пространственно-временную изменчивость потоков парниковых газов и не подходит для оперативного мониторинга внезапных изменений или обратных трендов [Elguindi et al., 2020; Nicholls et al., 2015].

Подходы «сверху вниз», использующие дистанционное зондирование атмосферных парниковых газов и наблюдений за биомассой, предлагают независимый метод учёта [Friedlingstein et al., 2025], с потенциалом для мониторинга выбросов и абсорбции парниковых газов с малой задержкой (еженедельно-ежемесячно). Технологические достижения, предлагаемые масштабными устройствами формирования изображений шлейфов (например, GHGSat, Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT), Carbon Mapper) и глобальными картографами парниковых газов (например, Orbiting Carbon Observatory-2 и -3 (OCO-2 и -3), Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI), Greenhouse Gas Observing Satellite-2 (GOSAT-2)) показывают перспективность мониторинга потоков парниковых газов в локальном и глобальном масштабах соответственно [Joint CEOS-CGMS Working Group on Climate Greenhouse Gas Task Team, 2024].

Однако сохраняется значительный пробел в возможностях мониторинга более слабых, пространственно распределённых выбросов и абсорбции в промежуточных (от 10 до 1000 км) масштабах [Joint CEOS-CGMS Working Group on Climate Greenhouse Gas Task Team, 2024], особенно в системах, управляемых человеком, таких как производство энергии и землепользование.

Обсуждения на семинаре 2024 года, отчасти призванном предоставить информацию для разработки следующего Десятилетнего обзора по наукам о Земле и приложениям из космоса, выявили ограничения существующих возможностей мониторинга парниковых газов. Они также подчеркнули критическую необходимость в оперативной системе наблюдений, которая использует подходы «сверху вниз» и «снизу вверх» для поддержки мер по борьбе с изменением климата на местном, национальном и международном уровнях.

Из-за недостаточной чувствительности к субрегиональным процессам, наблюдения за парниковыми газами с использованием существующих возможностей сами по себе недостаточны для адекватной разработки мер по смягчению последствий изменения климата [например, Jacob et al., 2022; Watine-Guiu et al., 2023]. Также необходимо интегрировать передовые научные достижения и улучшенное понимание меняющегося углеродного цикла Земли, а также данные, полученные с помощью новых технологий систем наблюдения, в информацию, предоставляемую лицам, принимающим решения.

Эта интеграция требует выявления пробелов и возможностей в отношении знаний, данных и потребностей заинтересованных сторон. Также необходимо определить концепцию устойчивого оперативного мониторинга парниковых газов для поддержки сокращения выбросов, отслеживания обратной связи по углеродному циклу и предоставления надёжной, своевременной, прозрачной и практической информации.

Этого видения можно достичь с помощью единой многоуровневой глобальной системы, объединяющей модели и данные наблюдений за атмосферой, сушей и океаном, полученные с помощью наземных, воздушных и спутниковых приборов для отслеживания потоков углерода (например, выбросов и абсорбции в атмосфере) и запасов (например, биомассы, углерода в почве) с улучшенной частотой, пространственным охватом и точностью (рис. 1).

 

Рис. 1. Эффективная многоуровневая система наблюдения за парниковыми газами должна включать наблюдения за атмосферой, сушей и океаном с помощью датчиков и образцов, полученных на поверхности Земли, в воздухе и на борту спутников. Углекислый газ показан чёрно-красными молекулами, а метан – чёрно-белыми. ARGO – это группа датчиков, плавающих в верхних слоях океана. FTIR – это инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье.

Организация такой системы потребует существенной международной координации между правительственными, научными и неправительственными организациями, возможно, при посредничестве таких структур, как Глобальная служба наблюдения за парниковыми газами Всемирной метеорологической организации (World Meteorological Organization’s Global Greenhouse Gas Watch), Комитет по спутникам наблюдения за Землей (Committee on Earth Observation Satellites) и Центр по парниковым газам США (USGHGC).

Устранение пробелов из космоса

Глобально унифицированная система наблюдений за парниковыми газами должна использовать космические технологии для заполнения пространственных и временных пробелов в сетях in situ и для мониторинга реакции потоков и запасов углерода на возмущения, экстремальные погодные явления и изменения окружающей среды. Эта система должна уделять первостепенное внимание четырём ключевым элементам.

Во-первых, критически важен сбор более подробных данных по вертикали — от верхних слоёв атмосферы до уровня земли. Существующие спутники измеряют общее количество углекислого газа и метана в столбе атмосферы. Эти измерения хорошо подходят для обнаружения изменений в крупных (например, континентальных) пространственных масштабах и в масштабах объекта, но они дают мало информации о процессах меньшего масштаба. Знание концентраций парниковых газов у ​​поверхности Земли по сравнению с концентрацией в верхних слоях атмосферы может, например, улучшить отслеживание потоков и понимание ответственных за них процессов.

Постоянное вертикальное профилирование выбросов парниковых газов, достигаемое с помощью многоканальных пассивных датчиков, используемых в таких миссиях, как GOSAT-2, или новых методов лидарного сканирования облаков, является основой предлагаемой системы. Такое профилирование позволит получить долгосрочные временные ряды данных, которые помогут исследователям выявлять слабые, но устойчивые изменения потоков и повышать чувствительность к природным и антропогенным региональным источникам [например, Parazoo et al., 2016].

Во-вторых, необходимы более частые наблюдения, осуществляемые с помощью группировки спутников, работающих на низких, геостационарных и высокоэллиптических околоземных орбитах. Ежедневный или даже многократный сбор данных атмосферы позволит лучше выявлять внезапные изменения концентрации парниковых газов и связывать эти изменения с конкретными источниками.

В-третьих, картирование запасов углерода должно быть гармонизировано путём объединения информации, полученной с помощью различных датчиков и методов. Существует несколько способов картирования углерода в растительности из космоса, например, лидарная альтиметрия, используемая для определения верхушек деревьев, и радиолокатор с синтезированной апертурой, используемый для оценки объёма деревьев.

Сочетание преимуществ существующих методов и миссий будет способствовать более точному и качественному мониторингу накопления и потерь углерода, обусловленных методами управления, нарушениями и восстановлением экосистем. Будущие миссии спутников для исследования биомассы должны быть сосредоточены на измерениях в масштабе лесных участков (т.е. систем масштабом в гектар с большим количеством деревьев) для создания более полезных карт с меньшей неопределённостью, а не на использовании датчиков очень высокого разрешения, которые позволяют различить отдельные деревья.

Четвёртым ключевым фактором является расширение спутникового покрытия тропических, высокоширотных и океанических регионов для более эффективного мониторинга обратных связей углеродного цикла [Sellers et al., 2018]. Это покрытие должно включать использование новых методов активной и визуализирующей спектрометрии, таких как те, которые разрабатываются в рамках концептуального исследования миссии Carbon-I, для зондирования сквозь преобладающую облачность и темноту, которые затрудняют непрерывный мониторинг.

Помимо основного внимания к данным о парниковых газах и биомассе, также необходимы (и есть возможность получить) дополнительные наборы данных для более точного определения местоположения источников и поглотителей углерода и процессов, влияющих на них. Атмосферные измерения солнечной флуоресценции растительности, карбонилсульфида, кислорода, оксида углерода и изотопов углерода и кислорода могут помочь отделить ископаемые источники выбросов от биологических источников и дать представление о таких процессах, как фотосинтез и лесные пожары.

В настоящее время экосистемы суши и океана поглощают около половины антропогенного углерода, выбрасываемого в атмосферу, но это количество может измениться в будущем [Friedlingstein et al., 2025]. Постоянный мониторинг этих экосистем и индикаторов их изменений необходим для понимания и отслеживания разнообразных изменений в системе Земли.

Устранение пробелов на поверхности

Расширенные наземные и воздушные сети для сбора данных in situ из океанических, наземных и водных экосистем также являются важнейшей частью предлагаемой глобальной системы наблюдений. Эти наблюдения необходимы для калибровки космических измерений, для улучшения понимания недостаточно изученных регионов (например, нелесных территорий, рек, водно-болотных угодий, океанов) и для мониторинга процессов, которые невозможно наблюдать из космоса.

Необходимы усилия по нескольким направлениям для получения более полной наземной и воздушной информации о потоках и запасах углерода, чтобы лучше удовлетворять потребности заинтересованных сторон и исследователей. Примерами таких необходимых усилий являются получение дополнительных профилей парниковых газов в атмосфере с исследовательских и коммерческих самолетов (например, в рамках таких кампаний, как программа NOAA «Национальные наблюдения за парниковыми газами» с самолетов), расширение измерений обмена парниковых газов между поверхностью и атмосферой с помощью датчиков, установленных на вышках в недостаточно изученных наземных и водных системах [Baldocchi, 2020], и сбор данных о составе морской воды с помощью автономных транспортных средств (например, буёв Argo) в прибрежных зонах и открытом океане.

Другие необходимые усилия включают сбор дополнительных in situ измерений надземной и подземной биомассы и почвенного углерода, а также отбор проб с воздуха на управляемых и неуправляемых (естественных) экспериментальных участках. Например, следует расширить мониторинг эталонных сетей измерения биомассы, таких как GEO-TREES, для облегчения мониторинга и валидации космических данных о биомассе. Эти дополнительные измерения величин, не наблюдаемых с помощью дистанционного зондирования, таких как углерод почвы и дыхание, необходимы для отслеживания долгосрочного хранения [например, Konings et al., 2019].

Подключение пользователей к данным

Участники семинара представили концепцию поддержки принятия решений учёными и заинтересованными сторонами, которая связывает системы наблюдений с практическими знаниями посредством двустороннего потока информации. Эта концепция включает три ключевых элемента.

Во-первых, критически важна интеграция информации из моделей с ограниченными данными. Guan et al. [2023] предложили подход «системы систем» для мониторинга сельскохозяйственного углерода, который применим и к другим экосистемам. Этот подход использует многоуровневые данные о парниковых газах и биомассе в качестве ограничений в моделях суши, океана и обратных моделях (которые начинаются с наблюдаемых эффектов и работают над определением их причин) для создания многомасштабных карт наблюдаемых и ненаблюдаемых изменений запасов и потоков углерода. Результатом является непрерывный поток информации с малой задержкой (с минимальными задержками между сбором информации и её выводом) для проверки стратегий снижения выбросов парниковых газов.

Во-вторых, учёные должны работать с заинтересованными сторонами для выявления коренных причин и движущих сил изменений в выбросах и абсорбции парниковых газов. Это определение критически важно для оценки прогресса и разработки эффективных, целенаправленных мер по смягчению антропогенных изменений климата и управлению ими.

В-третьих, практические знания, полученные в результате применения этой структуры и предоставляемые такими организациями, как USGHGC, должны применяться на практике. Заинтересованные стороны, включая корпорации, регулирующие органы и политиков всех уровней власти, должны использовать более глубокое понимание изменений потоков углерода и их основных факторов для отслеживания прогресса в достижении определяемых на национальном уровне вкладов, информирования рынков углерода и оценки краткосрочных и долгосрочных стратегий снижения выбросов парниковых газов.

Удовлетворение потребностей будущего

Бенчмаркинг и валидация играют важную роль в повышении доверия к моделям и улучшении прогнозов обратных связей между углеродом и климатом. Используя комплексные наблюдения за потоками и запасами углерода для оценки эффективности моделей земной системы [например, Giorgetta et al., 2013], учёные могут генерировать более надёжные прогнозы для обоснования политики по борьбе с изменением климата, которая, например, позволит скорректировать целевые показатели углеродной нейтральности или дополнительно расширить системы наблюдения за парниковыми газами для более глубокого изучения региональных обратных связей [Ciais et al., 2014].

Предполагаемая глобальная унифицированная система наблюдений, которая объединит передовые космические технологии с расширенными наземными и воздушными сетями и надёжной системой поддержки принятия решений, может значительно расширить возможности по отслеживанию и снижению выбросов парниковых газов, а также управлению запасами углерода.

Успешное внедрение этой системы также будет зависеть от доступности данных и развития сообщества. Разработка универсальной платформы данных с простым интерфейсом, в которой приоритет отдаётся грамотности в отношении данных, имеет решающее значение для обеспечения доступности для глобального сообщества пользователей. Кроме того, укрепление межведомственного партнерства, а также возможностей взаимодействия и сотрудничества между заинтересованными сторонами будет иметь решающее значение для укрепления доверия, активизации дальнейшего участия в науке и разработки инновационных решений для более устойчивого будущего.

Литература

Baldocchi, D. D. (2020), How eddy covariance flux measurements have contributed to our understanding of global change biology, Global Change Biol., 26(1), 242–260, https://doi.org/10.1111/gcb.14807.
Ciais, P., et al. (2014), Current systematic carbon-cycle observations and the need for implementing a policy-relevant carbon observing system, Biogeosciences, 11(13), 3,547–3,602, https://doi.org/10.5194/bg-11-3547-2014.
Elguindi, N., et al. (2020), Intercomparison of magnitudes and trends in anthropogenic surface emissions from bottom-up inventories, top-down estimates, and emission scenarios, Earth’s Future, 8(8), e2020EF001520, https://doi.org/10.1029/2020EF001520.
Friedlingstein, P., et al. (2025), Global Carbon Budget 2024, Earth Syst. Sci. Data, 17(3), 965–1,039, https://doi.org/10.5194/essd-17-965-2025.
Giorgetta, M. A., et al. (2013), Climate and carbon cycle changes from 1850 to 2100 in MPI‐ESM simulations for the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, J. Adv. Model. Earth Syst., 5(3), 572–597, https://doi.org/10.1002/jame.20038.
Guan, K., et al. (2023), A scalable framework for quantifying field-level agricultural carbon outcomes, Earth Sci. Rev., 243, 104462, https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104462.
Jacob, D. J., et al. (2022), Quantifying methane emissions from the global scale down to point sources using satellite observations of atmospheric methane, Atmos. Chem. Phys., 22(14), 9,617–9,646, https://doi.org/10.5194/acp-22-9617-2022.
Joint CEOS-CGMS Working Group on Climate Greenhouse Gas Task Team (2024), Roadmap for a coordinated implementation of carbon dioxide and methane monitoring from space, 52 pp., ceos.org/document_management/Publications/Publications-and-Key-Documents/Atmosphere/CEOS_CGMS_GHG_Roadmap_Issue_2_V1.0_FINAL.pdf.
Konings, A. G., et al. (2019), Global satellite-driven estimates of heterotrophic respiration, Biogeosciences, 16(11), 2,269–2,284, https://doi.org/10.5194/bg-16-2269-2019.
Nicholls, D., et al. (2015), Top-down and bottom-up approaches to greenhouse gas inventory methods—A comparison between national- and forest-scale reporting methods, Gen. Tech. Rep. PNW-GTR-906, 30 pp., Pac. Northwest Res. Stn., For. Serv., U.S. Dep. of Agric., Portland, Ore., https://doi.org/10.2737/PNW-GTR-906.
Parazoo, N. C., et al. (2016), Detecting regional patterns of changing CO₂ flux in Alaska, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 113(28), 7,733–7,738, https://doi.org/10.1073/pnas.1601085113.
Sellers, P. J., et al. (2018), Observing carbon cycle–climate feedbacks from space, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 115(31), 7,860–7,868, https://doi.org/10.1073/pnas.1716613115.
Watine-Guiu, M., et al. (2023), Geostationary satellite observations of extreme and transient methane emissions from oil and gas infrastructure, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 120(52), e2310797120, https://doi.org/10.1073/pnas.2310797120.

Ссылка: https://eos.org/opinions/a-better-way-to-monitor-greenhouse-gases