В Арктике много водоёмов, а быстрое таяние многолетней мерзлоты дестабилизирует круговорот углерода и меняет гидрологию. Особенно важно количественно и точно масштабировать водные выбросы углерода в арктических экосистемах. Ставшие недавно доступными наборы данных дистанционного зондирования с высоким разрешением фиксируют физические характеристики арктических ландшафтов с беспрецедентным пространственным разрешением. Авторы демонстрируют, как модели машинного обучения могут использовать эти наборы пространственных данных для значительного повышения точности при масштабировании потоков CO₂ и CH₄ в водоёмах в дельте реки Юкон-Кускоквим на юго-западе штата Аляска. Обнаружено, что размер и контур водоёма являются надёжными предикторами выбросов CO₂ в водную среду, приписывая более двух третей влияния модели масштабирования. Небольшие водоёмы (<0,001 км²) были очагами выбросов, внося вклад в потоки, в несколько раз превышающие их относительную площадь, но составляли менее 5% от общего углеродного баланса. На малые и средние озёра (0,001–0,1 км²) приходится большая часть выбросов углерода из водоёмов. Выбросы CH₄ из водоёмов прогнозировались на основе сочетания растительного покрова водно-болотных экосистем и связанных с ними факторов, а также гидрологии водоразделов и отражательной способности поверхности водоёма, связанной с хромофорным растворённым органическим веществом. По сравнению с этим подходом машинного обучения, традиционные методы масштабирования, которые не учитывали соответствующие характеристики ландшафта, завышали выбросы CO₂ и CH₄ на 26-79% и 8-53% соответственно. Это исследование демонстрирует важность комплексного наземно-водного подхода для улучшения оценок и сокращения неопределённости при масштабировании выбросов углерода в Арктике.

Ссылка: https://www.researchgate.net/publication/370703841_Scaling_waterbody_carbon_dioxide_and_methane_fluxes_in_the_arctic_using_an_integrated_terrestrial-aquatic_approach

Планета находится на пути к достижению средней температуры 1,5ºC к 2030-ым годам, хотя новый отчёт предполагает, что один год, вероятно, пересечёт эту черту намного раньше.

Согласно отчёту Всемирной метеорологической организации, опубликованному 17 мая, существует 66-процентная вероятность того, что среднегодовая глобальная температура превысит доиндустриальные температуры на 1,5ºC в какой-то момент в течение следующих пяти лет. Достижение потепления на 1,5ºC за один год станет знаковым моментом для планеты, которая в 2022 году была примерно на 1,15ºC теплее, чем в доиндустриальные времена. Но это не совсем та веха, которую имеет в виду большинство людей, когда говорят о потеплении на 1,5ºC — для этого у нас, вероятно, есть около десяти лет.
Ключевая цифра 1,5ºC, которую часто называют желаемым «максимумом» планетарного потепления, взята из Парижского соглашения Организации Объединенных Наций 2015 года об изменении климата. В этом договоре провозглашалась цель удержания превышения средней глобальной температуры значительно ниже 2ºC относительно доиндустриального уровня с предпочтительным пределом 1,5ºC. Парижское соглашение, однако, относится к устойчивому среднему планетарному потеплению на 1,5ºC, а не только к среднему за один год, который сам по себе может быть аномально более жарким или холодным, чем долгосрочное среднее значение.
В Парижском соглашении не уточняется, что именно имелось в виду под потеплением на 1,5ºC, но в последнем отчёте первой рабочей группы Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), опубликованном в 2021 году, уточняется, что имеется в виду средняя точка первого 20-летнего периода, когда средняя глобальная температура приземного воздуха окажется на 1,5ºC выше, чем в среднем за 1850–1900 годы.
В 2018 году в специальном отчёте МГЭИК о потеплении на 1,5ºC было подсчитано, что мир, вероятно, достигнет порогового значения 1,5ºC на каком-то этапе между 2030 и 2052 годами. В 2021 году с использованием другой методологии - к началу 2030-ых годов. «Временные рамки становятся всё ближе и ближе», — говорит географ Уильям Солеки (William Solecki) из Городского университета Нью-Йорка, автор специального отчёта МГЭИК.
Масштабная двухлетняя «глобальная инвентаризация» прогресса в достижении целей Парижского соглашения подходит к концу и будет представлена на следующем заседании Рамочной конвенции ООН об изменении климата (COP28), которое начнётся 30 ноября. Пока инвентаризация обнаружила, что дела идут не очень хорошо. Для 50-процентной вероятности ограничения потепления до 1,5ºC, отмечается в документе об обзорном совещании, глобальные выбросы парниковых газов должны достичь пика до 2025 года; этого ещё не произошло, и национальных обязательств по выбросам недостаточно, чтобы удержать планету в рамках цели.

Чем ниже, тем лучше

Число 1,5ºC было выбрано в попытке ограничить серьёзность воздействия потепления с учётом таких факторов, как продовольственная безопасность и экстремальные погодные явления. Однако эксперты МГЭИК подчеркнули, что 1,5ºC не следует рассматривать как «ограждение», ниже которого всё будет хорошо, и отметили, что какой бы ни была температура, чем она ниже, тем лучше. «Очевидно, что существует континуум, — говорит Солецки. «Чем выше температура, тем хуже результат».
В отчёте МГЭИК за 2018 г. о потеплении на 1,5ºC отмечается, что последствия достижения этого порога могут включать: экстремально жаркие дни в средних широтах, которые на 3ºC теплее, чем в доиндустриальные времена; повышение уровня моря до трех четвертей метра к 2100 году; потеря более половины жизнеспособной среды обитания для 8% растений и 4% позвоночных; и сокращение ежегодного глобального вылова рыбы на 1,5 миллиона тонн.
В нём также отмечается, что, поскольку глобальное потепление происходит неравномерно, более одной пятой населения мира в настоящее время проживает в регионах, где потепление уже превышало 1,5ºC как минимум в один сезон.
Более важным, чем момент, когда Земля достигнет потепления на 1,5ºC, является то, при какой степени потепления планета достигнет своего пика и когда это произойдёт. «Каждая десятая градуса выше 2ºC свидетельствует о более устойчивых и системных воздействиях», — говорит Солецки.
Эти числа не будут очевидны в течение десятилетий. Согласно прогнозам МГЭИК на 2021 год для глобальной температуры при различных сценариях выбросов, пиковая температура может составлять 1,6ºC примерно в 2050 году (если к тому времени земной шар достигнет нулевого уровня выбросов), снижаясь до 1,4ºC к 2100 году; а при продолжающих расти и не достигших своего пика выбросах вырасти до 4,4ºC к 2100 году.
Следующие несколько лет могут привести к аномально высокому всплеску годовых температур по сравнению с более долгосрочными средними значениями благодаря ожидаемому явлению Эль-Ниньо — природному климатическому режиму, который приносит более высокие температуры в восточную часть Тихого океана и, как правило, нагревает всю планету. В апреле веб-сайт Carbon Brief, освещающий вопросы климата, подсчитал, что 2023 год обещает стать одним из шести самых жарких лет за всю историю наблюдений и, скорее всего, четвёртым самым жарким годом. А в апреле глобальный океан достиг самой высокой температуры с момента начала регистрации наблюдений.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/d41586-023-01702-w

Корни растений и почвенные микроорганизмы ежегодно выделяют в девять раз больше углекислого газа (CO₂), чем в результате антропогенной деятельности. Таким образом, точные и частые измерения выбросов CO₂ из почвы необходимы для характеристики выбросов углерода и понимания связывания углерода в почве. Концентрации CO₂ можно непрерывно измерять с помощью автоматических камер, подключённых к инфракрасному газоанализатору (IRGA) или приборам для лазерной спектроскопии. Однако эти инструменты дороги, трудоёмки и громоздки при транспортировке.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-023-00435-8

Сегодня, 19 мая 2023 года, в Салехарде открыт первый пункт Государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты. Комплексная сеть наблюдения за мерзлотой будет развернута на всей территории залегания криолитозоны, которая охватывает большую часть Российской Федерации. Оператором создания уникальной системы выступит Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
Скважина глубиной около 25 метров, внутри 32 датчика, расстояние между которыми от 10 сантиметров до 2 метров. Внутри находится блок регистрации, данные в режиме онлайн поступают в Центр мониторинга состояния многолетней мерзлоты Арктического и антарктического научно-исследовательского института. Всё оборудование отечественных производителей.
Большую помощь в организации работ оказало Правительство ЯНАО. Непосредственно бурение проводилось совместно с коллегами из ГАУ Научный Центр Изучения Арктики ЯНАО.
Сеть мониторинга на территориях залегания многолетнемерзлых грунтов будет включать 140 пунктов, производящих непрерывные автоматические измерения температуры мерзлоты на разных глубинах. Технологию обустройства термометрических скважин и передачи данных уже апробировали на территории российского крайнего севера и на архипелаге Шпицберген.
Система будет развернута на базе метеорологических станций Росгидромета, что позволит дополнить наблюдения за мерзлотой сопутствующими метеорологическими данными и существенно снизить издержки. Плотность распределения пунктов наблюдений соответствует рекомендациям Всемирной метеорологической организации по учету мерзлых пород. В этом году будет обустроено 20 пунктов наблюдения и 58 пунктов в 2024-м году. Полностью развернуть систему мониторинга планируется до конца 2025 года.
Создание Государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты реализуется в рамках Важнейшего инновационного проекта государственного значения (ВИП ГЗ) «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ».
«Место открытия первого пункта выбрано не случайно – именно здесь, в Салехарде, на территории одной из старейших российских метеорологических станций, действующей с конца 19 века, мы начнём создание системы мониторинга мерзлоты. Учитывая, что криолитозона занимает 65% территории нашей страны, её изучение становится национальной задачей. Чтобы контролировать изменения теплового состава уже до конца 2025 года заработают 140 подобных станций», - заявил глава Минприроды России Александр Козлов.
«На Ямале многое делается для наблюдения за мерзлотой. Работает система геотехнического мониторинга состояния грунтов. Сегодня десятки домов оборудованы точными датчиками, что позволяет следить за состоянием мерзлоты и в случае изменений - своевременно реагировать. Мы создали первую в России научно-исследовательскую лабораторию криологии Земли и геотехнической безопасности, объявили гранты для учёных-мерзлотоведов, оснащаем лабораторию оборудованием, привлекаем специалистов со всей страны. Рад, что министр лично занимается этой темой. Планируем совместно развивать работу в этом направлении», - отметил губернатор Ямало-Ненецкого округа Дмитрий Артюхов.
«Комплексная сеть мониторинга обеспечит постоянный поток данных о состоянии многолетнемерзлых пород. Непрерывные измерения температуры позволят выявить зоны наибольшего таяния и риска для гражданских и промышленных объектов. Мы сможем оценить естественные выбросы углеводорода, чтобы конкретизировать процессы изменения климата в России. На основе полученной информации ученые смогут подготовить карты, отражающие динамику происходящих изменений мерзлоты и составить прогнозы о возможных последствиях для окружающей среды и возможностях социально-экономического развития этих территорий. Разработанная нами система мониторинга станет основой для проведения дальнейших геотехнических исследований. Полученные данные будут доступны для всех заинтересованных организаций. Это беспрецедентный проект, в котором заинтересованы сотни компаний и предприятий, работающих в России», - рассказал директор Арктического и антарктического научно-исследовательского института Александр Макаров.
Центр мониторинга состояния многолетней мерзлоты – структурное подразделение Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ), созданное в марте 2023 года. Центр обеспечивает организацию и функционирование сети пунктов наблюдений, приём, анализ и хранение данных, подготовку справочной и отчетной информации и передачу сведений в Единый государственный фонд данных о состоянии окружающей среды и ее загрязнений. На основе полученных данных о состоянии грунтов необходимо планировать следующий этап – проведение геотехнического мониторинга жилых, промышленных и инфраструктурных зданий и сооружений.

Ссылка: https://www.aari.ru/press-center/news/novosti-aari/v-rossii-nachalos-sozdanie-gosudarstvennoy-sistemy-fonovogo-monitoringa-merzloty

Растущей численности населения требуется больше еды и энергии, которые конкурируют на ограниченном пространстве… если только они этого не делают.
Представленная в 1980-х годах агроэлектроэнергетика (AЭ), представляет собой концепцию сочетания сельского хозяйства и производства солнечной энергии на одном и том же участке земли. Практики выращивают сельскохозяйственные культуры под солнечными панелями и могут контролировать массу и длину волны света, проходящего для фотосинтеза. Свет, который не нужен для фотосинтеза, может обеспечить производство чистой энергии. Между тем, когда растения производят фотосинтез, они теряют воду из-за транспирации. Эта потеря воды охлаждает воздух и повышает эффективность выработки энергии панелями. Это беспроигрышный сценарий — по крайней мере, в теории.
Однако серьёзные проблемы для AЭ препятствуют широкому внедрению. Один из насущных вопросов заключается в том, как AЭ может максимизировать урожайность сельскохозяйственных культур и выработку энергии, сводя при этом к минимуму потери воды растениями и потребность в орошении. Многого требуют от одного участка земли.
В предыдущем исследовании учёные утверждали, что успешные установки AЭ могут разделить свет на длины волн, эффективные либо для производства энергии, либо для фотосинтеза: например, красный для сельскохозяйственных культур и синий для солнечных батарей. Опираясь на эту работу, Катул (Katul) разработал математическую основу для количественной оценки того, как отдельные растения используют различные длины волн света в процессе фотосинтеза. В исследовании задавался вопрос, как фотоэлектрические системы, расположенные на сельскохозяйственных угодьях, повлияют на надземную биомассу, которую исследователи используют для оценки урожайности.
Модель рассматривает отдельное растение и вводит переменные, такие как степень теневыносливости растения, способная может повлиять на его рост под фотогальванической установкой. Структура предполагает, что ресурсы, такие как свет, собираются на основе площади листа, но затраты на дыхание пропорциональны размеру растения. В исследовании также рассматривается, как солнечные панели изменяют микроклимат и доступность света под их ячейками.
В комментарии подчёркивается, что культуры-кандидаты на AЭ теневыносливы и имеют большую площадь листьев над землей. Пониженная температура воздуха и более высокая влажность почвы ниже фотоэлектрической системы позволяют растениям выделять больше углерода в надземную биомассу, что приводит к увеличению площади листьев. Эта черта характерна для теневыносливых растений и предполагает, что большие листовые культуры, такие как руккола, капуста и помидоры, могут с большей вероятностью преуспеть в установке AЭ.
Следующим шагом, по словам автора, является рассмотрение таких факторов, как плотность размещения культур, чтобы масштабировать результаты за пределы одного растения. (Earth’s Future, https://doi.org/10.1029/2023EF003512, 2023 г.)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/a-symbiosis-between-agriculture-and-solar-power

Резюме редактора

Использование потенциала поглощения углерода лесами является ключевым компонентом планов по смягчению последствий глобального изменения климата. Посадка новых лесов является распространённой стратегией, но этот подход может иметь негативные социальные и экологические последствия и привести к значительным затратам. Робрук и др. (Roebroek et al., см. ниже) вместо этого исследовали, как прекращение управления лесами (например, заготовка древесины или тушение пожаров) изменит их глобальную способность связывать углерод. Авторы оценили различия между биомассой аналогичных лесов с деятельностью человека и без неё и использовали машинное обучение для прогнозирования дополнительного прироста биомассы в результате устранения деятельности человека в глобальных лесах. Даже если всё управление прекратится (крайне маловероятный сценарий), глобальный углерод в лесах увеличится только примерно на 15%. Эта работа предоставляет дополнительные доказательства того, что изменение управления лесами не является альтернативой сокращению выбросов углерода.

Аннотация

Хранение углерода в лесах является краеугольным камнем политики, направленной на предотвращение глобального потепления, превышающего 1,5°C. Однако глобальное воздействие управления (например, лесозаготовки) на углеродный баланс лесов по-прежнему плохо поддаётся количественной оценке. Авторы интегрировали глобальные карты лесной биомассы и управления с помощью машинного обучения, чтобы показать, что без вмешательства человека при текущих климатических условиях и концентрации углекислого газа (CO₂) существующие глобальные леса могут увеличить свою надземную биомассу до 44,1 (диапазон ошибок: от 21,0 до 63,0) петаграмм углерода. Это увеличение на 15-16% по сравнению с текущими уровнями, что соответствует примерно четырём годам текущих антропогенных выбросов CO₂. Таким образом, без значительного сокращения выбросов эта стратегия имеет низкий потенциал смягчения последствий, и лесной поглотитель должен быть сохранён для компенсации остаточных выбросов углерода, а не для компенсации их нынешних уровней.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5878

InMAP оценивает загрязнение воздуха в городах, но её прогнозы ошибочны для конкретных химических веществ. Сейчас учёные устраняют этот недостаток.
Загрязнение воздуха не влияет на всех одинаково. В новой работе исследователи разработали метод для улучшения оценок того, как в городах различные сообщества подвергаются воздействию мелкодисперсных твёрдых частиц (PM_2,5).
По оценкам, во всём мире PM_2,5 ежегодно вызывает 4,7 миллиона преждевременных смертей, а в Соединённых Штатах цветные сообщества сталкиваются с наиболее интенсивным воздействием этих химикатов. Для определения уровней подверженности загрязнению воздуха интервенционная модель загрязнения воздуха (InMAP) оценивает качество воздуха с высоким пространственным разрешением, особенно в густонаселённых районах. Поскольку модель способна оценивать различия в подверженности загрязнению в пределах городов, она может быть полезна при разработке политики, предусматривающей экологическую справедливость.
Однако InMAP завышает и занижает конкретные химические вещества PM_2,5: она занижает оценку содержания твёрдых частиц сульфата и завышает оценку содержания твёрдых частиц аммония. В новом исследовании Gallagher et al. разработали метод исправления этих недостатков.
Исследователи разработали поправочные коэффициенты смещения или коэффициенты масштабирования для InMAP, используя измерения различных химических веществ PM_2,5. Они использовали данные мониторинга загрязнения, собранные на земле Агентством по охране окружающей среды США, и спутниковые данные, обработанные Вашингтонским университетом в Сент-Луисе. Сравнение прогнозов InMAP с этими источниками данных позволило им оценить и исправить ошибки.
Авторы проверили, как работает InMAP с коэффициентами масштабирования и без них, используя установленную цель 10%-ной ошибки в своих прогнозах. Без коэффициентов масштабирования InMAP занижает или завышает концентрации PM_2,5 более чем на 10%. Однако введение коэффициентов масштабирования для конкретных городов улучшило соответствие модели и уменьшило ошибку ниже порога 10%. Кроме того, авторы обнаружили, что их метод особенно эффективен в наиболее густонаселённых районах городов.
Авторы опубликовали все коэффициенты масштабирования для общественного пользования и рекомендуют их использовать при исследовании того, как загрязнение воздуха различается в зависимости от расы, этнической принадлежности, дохода и других демографических характеристик. (GeoHealth, https://doi.org/10.1029/2023GH000788, 2023 г.)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/fine-tuning-air-pollution-models

Выпадение осадков, в том числе резкие («хлыстовые») переходы между влажными и засушливыми экстремальными условиями, может привести к серьёзным неблагоприятным воздействиям на человека и природные системы. Авторы количественно оценивают наблюдаемые и прогнозируемые изменения характеристик субсезонной волны осадков и исследуют роль отдельных антропогенных воздействий на эти изменения. Результаты показывают, что к концу XXI века частота глобальных «хлыстовых» осадков, по прогнозам, будет в 2,56 ± 0,16 раза выше, чем в 1979–2019 гг., со всё более быстрыми и интенсивными переходами между двумя крайностями. Наиболее резкое увеличение их частоты наблюдается в полярных и муссонных регионах. Изменения в «хлыстовых» осадках показывают гораздо более высокое процентное изменение, чем в общем количестве осадков. В исторических моделированиях выбросы антропогенных парниковых газов и аэрозолей увеличивали и уменьшали количество «хлыстовых» осадков, соответственно. Прогнозируется, что к 2079 году антропогенные парниковые газы увеличат на 55 ± 4% риск появления «хлыстовых» осадков, что обусловлено сдвигами в схемах циркуляции, способствующими экстремальным осадкам.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-38510-9

Изменчивость температуры поверхности моря (ТПМ), обусловленная Эль-Ниньо/Южным колебанием (ЭНЮК), увеличилась после 1960 года под влиянием более частых сильных явлений Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Однако в значительной степени неизвестно, связаны ли такие изменения с антропогенным потеплением. В этом аспекте авторы рассматривают антропогенное воздействие на изменчивость ЭНЮК в нескольких широко используемых схемах моделирования, в совокупности указывающих на влияние парникового потепления на изменчивость ТПМ ЭНЮК после 1960 года. В частности, сравнение смоделированной изменчивости ТПМ ЭНЮК между 1901–1960 и 1961–2020 гг. показывает, что результаты более трёх четвертей климатических моделей демонстрируют увеличение амплитуды изменчивости ТПМ ЭНЮК после 1960 г., приводящее к более частым сильным явлениям Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Многочисленные большие ансамблевые эксперименты дополнительно подтверждают, что смоделированное увеличение амплитуды ЭНЮК после 1960 г. (приблизительно на 10%) не является исключительно следствием внутренней изменчивости. Кроме того, модельные расчёты на период в несколько веков при постоянном доиндустриальном уровне CO₂ предполагают, что наблюдаемая изменчивость ЭНЮК после 1960 г. высока, достигая самых высоких 2,5 и 10 процентилей для ЭНЮК в восточной и центральной части Тихого океана, соответственно. Улучшение физики модельного описания ЭНЮК, выявление последовательного будущего и исторического изменений дополнительных характеристик ЭНЮК и эксперименты с большим ансамблем также необходимы для определения воздействия изменения климата на ЭНЮК.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-023-00427-8

Зимние метеорологические условия обычно неблагоприятны для образования озона (O₃) из-за слабого солнечного излучения и низкой температуры. Авторы наблюдали заметное зимнее загрязнение озоном в Шицзячжуане во время китайского Нового года в 2021 году. Метеорологические результаты показали, что внезапное изменение поля атмосферного давления, приводящее к смене ветра с северо-западного до китайского Нового года CNY на юго-западное во время его наступления способствует накоплению загрязнителей воздуха из юго-западных соседних районов Шицзячжуаня и значительно препятствует диффузии и разбавлению местных загрязнителей. Фотохимический режим формирования поля концентрации О₃ ограничен наличием летучих органических соединений, что позволяет предположить, что они играют важную роль в формировании О₃. Благодаря разработанному подходу отслеживания пути формирования O₃ для распределения источника O₃ было обнаружено, что высоко реакционноспособные частицы, такие как этилен, пропилен, толуол и ксилол, вносят основной вклад в образование O₃, что приводит к средней скорости производства O₃ во время китайского Нового года в 3,7 раза выше, чем до и после него. Промышленное сжигание было определено как крупнейший источник образования O₃ (2,6 ± 2,2 млрд^-1/ч) с наибольшим приростом (4,8 раза) во время китайского Нового года по сравнению с периодами до и после него. Строгие меры контроля в отрасли должны быть реализованы в Шицзячжуане для контроля загрязнения O₃. Эти результаты также демонстрируют, что подход отслеживания пути формирования O₃, учитывающий динамические вариации состава атмосферы и метеорологических характеристик, эффективен для распределения источников O₃, а также может хорошо отражать производительность озона различными источниками по сравнению с методом максимальной приращенной реактивности.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-023-00366-7