Представлен инструмент моделирования, способный вычислять потоки двуокиси углерода CO₂ над неоднородным бореальным торфяником. В основу трёхмерной гидродинамической модели положены «полуторная» схема замыкания системы уравнений Навье–Стокса, осреднённых по Рейнольдсу, и уравнение неразрывности. Несмотря на упрощения, использованные при описании турбулентности, модель позволила получить стационарное пространственное распределение осреднённых скоростей ветра и коэффициентов турбулентного обмена в приземном слое атмосферы с учётом неоднородности поверхности. Пространственная картина потоков CO₂ внутри растений и над ними определяется с помощью уравнения «диффузия-реакция-адвекция». Модель применена для оценки пространственной неоднородности потоков СО₂ над неоднородным бореальным омбротрофным торфяником Старосельский Мох в Тверской области. Результаты моделирования показали существенное влияние неоднородности растительности на пространственный характер вертикальной и горизонтальной составляющих ветра и на вертикальное и горизонтальное распределение потоков СО₂. Максимальные возмущения воздушного потока отмечены в приповерхностном слое на наветренной и подветренной опушках леса. Опушки леса также характеризовались максимальными скоростями горизонтальных потоков СО₂. Смоделированные турбулентные потоки CO₂ сравнивались с полуденными измерениями ковариационных потоков в южной части торфяника. Было обнаружено очень хорошее совпадение модельных и измеренных потоков (R² = 0,86, p < 0,05). Сравнение вертикальных профилей потоков СО₂ на всей территории торфяника и в месте расположения вышки показало существенные различия между этими потоками в зависимости от преобладающего направления ветра и высоты над землей.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/4/625

Реки являются одними из самых разнообразных, динамичных и продуктивных экосистем на Земле. Режимы речного стока постоянно меняются, но описание и понимание таких изменений представляет собой сложную задачу с точки зрения долгосрочной и глобальной перспективы. Анализируя изменения водного покрова, наблюдаемые на снимках спутника Landsat за четыре десятилетия, авторы дают глобальное объяснение недавних изменений в речной морфологической динамике (например, смещение русла и разветвление), расширению, вызванному новыми плотинами, и гидрологическим сигналам расширения и сужения. Морфологическая динамика преобладала примерно на 20% площади рек мира. Стремительное строительство водохранилищ, в основном в Азии и Южной Америке, способствовало расширению рек примерно на 32%. Остальные гидрологические сигналы характеризовались контрастными «горячими точками», в том числе заметным расширением рек в альпийских и панарктических регионах и сужением в засушливых/полузасушливых внутренних континентальных районах, обусловленным различными тенденциями воздействия на климат, реакцией криосферы на потепление и управлением водными ресурсами человеком. Эти результаты показывают, что современная динамика протяжённости рек меняется в зависимости от гидроклиматических и социально-экономических условий, и, помимо отражения текущих морфодинамических процессов, изменения протяжённости рек тесно связаны с внешними воздействиями, включая изменение климата и антропогенное вмешательство.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37061-3

Журнал поместил статью Polvani et al. «Нет свидетельств увеличения весенних потерь озона в Арктике в XXI веке», в которой высказана критика опубликованной ранее статьи: von der Gathen, P., Kivi, R., Wohltmann, I., Salawitch, R. J. & Rex, M. Climate change favours large seasonal loss of Arctic ozone. Nat. Commun. 12, 3886 (2021). Обсуждается, как дальнейший рост содержания парниковых газов в атмосфере (и в частности, СО₂) скажется в будущем на формировании арктических озоновых дыр. Критики утверждают, что повышенные уровни углекислого газа вызывают более высокие, а не более низкие (как говорится в первоначальной статье) уровни концентрации озона. Аргументы Polvani et al. строятся на результатах пяти моделей CMIP6, непосредственно учитывающих фотохимические превращения в атмосфере, а также на критике введённого von der Gathen et al. индекса OLP. В свою очередь, в отклике на критические замечания von der Gathen et al. приводят доводы в пользу своей позиции

Ссылки: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37134-3;
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37135-2

Количественная оценка совместной эволюции парниковых газов и загрязнителей воздуха может дать представление об основных антропогенных процессах, что позволит прогнозировать их выбросы. Авторы классифицируют динамику исторических выбросов с точки зрения модифицированной кривой Кузнеца для окружающей среды, постулирующей совместную эволюцию выбросов CO₂ от ископаемого топлива и выбросов NOx как функцию макроэкономического развития. Mодифицированная кривая Кузнеца охватывает исторические динамические режимы этих выбросов для стран, включая США, Китай и Индию, а также сценарии МГЭИК. Учитывая эту динамику, авторы нашли, что возможно прогнозировать выбросы CO₂ от ископаемого топлива с учётом выбросов NOx, ограниченных спутниковыми данными, с погрешностью менее 2% при лаге в один год для многих стран и менее 10% при лаге в четыре года. Предлагаемая структура в сочетании с растущим спутниковым парком обеспечивает ценное руководство для разработки краткосрочных сценариев выбросов и оценки в масштабах времени, соответствующих международным оценкам, таким как Глобальная инвентаризация. 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37264-8  

Растущее количество данных связывает внутригородские градиенты атмосферных мелких частиц (PM_2,5), сложной и изменчивой смеси токсичных химических веществ, с неблагоприятными последствиями для здоровья. Авторы предлагают улучшенную структуру иерархической модели глубокого обучения для оценки почасового изменения массовой концентрации PM_2,5 на уровне улицы. Используя данные годового мониторинга (включая метеорологические параметры, почасовые концентрации PM_2,5 и их газообразные прекурсоры) с нескольких станций в Шанхае, крупнейшем городе Китая, в качестве обучающего набора данных, они сначала применяют свёрточную нейронную сеть для получения междоменных и временных рядов, чтобы можно было эффективно извлекать неотъемлемые характеристики качества воздуха и метеорологические данные, связанные с PM_2,5. Затем используется слой расчёта веса по Гауссу для определения потенциальных эффектов взаимодействия между различными регионами и соседними станциями. Наконец, слой модели долговременной и краткосрочной памяти используется для эффективного извлечения характеристик временной эволюции концентраций PM_2,5 из предыдущего выходного слоя. Дальнейший сравнительный анализ показывает, что предлагаемая модельная структура значительно превосходит предыдущие эталонные методы с точки зрения стабильности и точности прогнозирования PM_2,5, что имеет важные последствия для оценки воздействия загрязнения, связанного с PM_2,5, на здоровье в городах.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/3/599

Волны тепла наносят большой вред обществам, особенно в регионах средних широт, не приспособленным к высоким температурам. Таким образом, для адаптации к продолжающемуся глобальному потеплению необходим точный прогноз экстремально высоких температур. Авторы предлагают теорию верхней границы приземных температур в средних широтах и масштабирование того, как годовые максимальные температуры над сушей в средних широтах будут меняться при глобальном потеплении.
Волны тепла наносят ущерб обществу во всём мире и усиливаются с глобальным потеплением. Некоторые механические факторы волн тепла, такие как атмосферное блокирование и обратная связь между влажностью почвы и атмосферой, хорошо известны своей способностью повышать температуру приземного воздуха. Однако остаётся неясным, что ограничивает максимальную температуру приземного воздуха во время волн тепла; это стало очевидным при недавнем возникновении волн тепла в северном полушарии, когда температура выходила далеко за пределы верхней границы наблюдаемого статистического распределения. Авторы представляют доказательства гипотезы о том, что конвективная неустойчивость ограничивает годовые максимальные температуры приземного воздуха над сушей средних широт. Они предлагают теорию соответствующей верхней границы среднеширотных температур, точно описывающую наблюдаемую связь между температурами на поверхности и в средней тропосфере. Показано, что известные драйверы волн тепла сдвигают положение состояния атмосферы в фазовом пространстве, описываемом теорией, изменяя его близость к верхней границе. Эта теория предполагает, что верхняя граница для максимальных температур приземного воздуха в средних широтах должна увеличиваться в 1,9 раза быстрее, чем температура на уровне 500 гПа во время и в месте возникновения максимальных температур приземного воздуха. Используя эмпирическое потепление на уровне 500 гПа, авторы прогнозируют, что верхняя граница максимальных температур приземного воздуха над сушей в средних широтах северного полушария (от 40° до 65° с.ш.) будет повышаться примерно в два раза быстрее, чем глобальная средняя приземная температура воздуха, а максимальные температуры приземного воздуха будут увеличиваться быстрее, чем эта граница. над засушливыми регионами в самые жаркие дни.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215278120

Минеральная пыль в воздухе оказывает охлаждающее действие, не учитываемое в современных климатических моделях.
Выбросы парниковых газов за последние 150 лет вызывают глобальное потепление, которое, как предупреждают учёные, вскоре может превысить 1,5°C по сравнению с доиндустриальной температурой. Но повышение уровня минеральной пыли в атмосфере в некоторой степени противодействует этому потеплению, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Reviews Earth and Environment.
«Модели действительно борются с изменениями в пыли», — сказал Джаспер Кок (Jasper Kok), атмосферный физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Отчасти это связано с тем, что физика частиц настолько сложна. Это также происходит из-за очень малых масштабов, недоступных модельному разрешению, и у нас нет данных для моделей».
Чтобы реконструировать историю минеральной пыли в атмосфере, Кок и его коллеги собрали 25 отчётов об отложениях пыли со всего мира, включая образцы ледяных кернов из Антарктиды и донных отложений озёр из Северной Америки. Их реконструкция также учитывала места, дающие наибольшее количество пыли, включая Африку, Ближний Восток, Центральную и Восточную Азию, Австралию, Северную и Южную Америку.
Изучая данные об атмосферной пыли за 150 лет, Кок и его соавторы обнаружили, что уровень переносимой по воздуху пыли увеличился примерно на 55% в период с середины 19-ого века по 1980-е годы и с тех пор в основном остаётся стабильным.
Чтобы оценить суммарное влияние минеральной пыли на климат, исследователи использовали модели взаимодействия климата и пыли, построенные на существующих данных как со спутников, так и с наземных фотометров, измеряющих, насколько Солнце заблокировано переносимыми по воздуху аэрозолями, включая пыль. Это моделирование сложное и неопределённое, сказал Кок, из-за сложных способов взаимодействия пыли с другими системами Земли, такими как облака.
Плавающие пылинки действуют как семена для кристаллов льда, вокруг которых могут образовываться облака. Но разные облака по-разному влияют на выхолаживание. Облака со смешанной фазой, состоящие как из капель переохлаждённой воды, так и из кристаллов льда, с большей вероятностью производят выхолаживающий эффект, тогда как высокие тонкие перистые облака вызывают потепление.
Кроме того, в атмосфере есть и другие аэрозоли, особенно сульфаты и нитраты, образующиеся в результате антропогенного загрязнения. Предыдущие исследования показали, что эти загрязняющие вещества обладают даже более сильным выхолаживающим эффектом, чем минеральная пыль, но пыль помогает выводить многие из этих загрязняющих веществ из атмосферы, объяснил Кок, создавая эффект потепления, не учитываемый в большинстве климатических моделей.
Кок и его коллеги оценили общий выхолаживающий эффект минеральной пыли на уровне 0,25–0,07 Вт на квадратный метр. Поскольку предыдущие исследования показали, что атмосфера нагрелась на 3–4 ватта на квадратный метр по сравнению с доиндустриальным периодом, пыль «замаскировала» до 8% глобального потепления. «Это означает, что климат немного более чувствителен к потеплению, вызванному парниковыми газами, чем мы думали», — сказал Кок.
«Если содержание пыли уменьшится, это ещё больше ускорит потепление», — сказал он.

Ограниченные данные о пыли продолжают «подпитывать» неопределённость

По словам Гизелы Винклер (Gisela Winckler), палеоклиматолога из Колумбийского университета, неопределённость в отношении воздействия пыли из-за стольких факторов усугубляется в целом плохими данными, на которые приходилось опираться исследованию Кока. Исследование основывалось на 25 наборах данных исторических уровней пыли, и «это очень плохое покрытие, когда вы пытаетесь получить глобальное представление о минеральной пыли», — сказала она. «Я не сомневаюсь, что этот анализ сделан надёжно, но, тем не менее, основные источники данных плохие».
Главный вопрос заключается в том, останется ли уровень минеральной пыли постоянным или снизится, но для ответа на него необходимо понять, что вызывает изменения уровня пыли. Известно, что изменения в землепользовании создают проблемы с атмосферной пылью в масштабах человеческой жизни, например, Пыльный котёл, обрушившийся на Соединённые Штаты в 1930-х годах, по словам Пола Жину (Paul Ginoux), специалиста по моделированию климата из Лаборатории геофизической гидродинамики NOAA. Но доступные данные часто слишком разнесены по времени, сказал он. В новом исследовании исследователи «показывают увеличение [пыли], но они полностью упустили Пыльный котёл».
Изменение климата само по себе может повлиять на уровень пыли разными способами, например, из-за изменения характера ветра. «Сила ветра во многом определяет поднятие этой пыли в атмосферу», — сказала Винклер. Учёные-климатологи ожидают, что потепление климата приведёт к более спокойным ветрам, что может снизить уровень пыли, выносимой в атмосферу.

Будущее пыли и климатические исследования

Кок, Жину и Винклер заявили, что необходимо больше данных, чтобы улучшить то, как климатические модели учитывают пыль, и для этого есть новые возможности. Жину входит в состав научной группы по исследованию источников минеральной пыли на поверхности Земли (EMIT) с помощью прибора, недавно установленного на Международной космической станции для мониторинга уровня пыли в атмосфере.
По словам Кока, одним из выводов исследования является необходимость изучения минеральной пыли более локально, в регионах, где она образуется или может образоваться, поскольку изменение климата само по себе меняет местные условия. «В Калифорнии это может быть довольно важным, потому что ожидается, что юго-запад США в целом станет более сухим» и, следовательно, более пыльным. Кок и его коллеги недавно начали раннюю работу по изучению пыли в Калифорнии, чтобы сообщить о том, «как это может измениться и каковы могут быть последствия». И, возможно, что политики могли бы с этим поделать».

Ссылка: https://eos.org/articles/climate-models-arent-dusty-enough

Положительная реакция выбросов метана CH₄ с водно-болотных угодий на изменение климата является важной, но ненадёжной обратной связью с системой Земля, которая увеличивает концентрацию CH₄ в атмосфере. Авторы, используя модель водно-болотных угодий, сообщают об интенсивных выбросах CH₄ с водно-болотных угодий в период с 2000 по 2021 гг., подобным выбросам 2020 и 2021 годов, когда наблюдался исключительный рост. Полученные результаты подчёркивают необходимость постоянного мониторинга и наблюдения за глобальными потоками CH₄ с водно-болотных угодий для документирования новых тенденций, изменчивости и основных факторов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-023-01629-0

Нетронутые водно-болотные угодья обладают высоким потенциалом смягчения последствий изменения климата из-за их больших запасов углерода. Однако неизвестно, будут ли и где водно-болотные угодья выступать в качестве стока или источника парниковых газов при потеплении. Авторы сообщают о наблюдениях на 167 участках за реакцией выбросов углекислого газа, метана и закиси азота на экспериментальное потепление в северных водно-болотных угодьях между 30° и 80° с.ш. в период 1990–2022 гг. Показано, что 100-летний потенциал глобального потепления водно-болотных угодий увеличился на 57% в ответ на повышение средней температуры на 1,5–2,0°C. Разница в доминирующих функциональных типах растительности объясняет неопределённость выбросов. Хотя потепление увеличило поглощение CO₂ на участках с сосудистыми растениями, оно также увеличило источник CO₂ на участках с преобладанием криптогамов*. Водно-болотные угодья многолетней мерзлоты с преобладанием сосудистых растений как чистый источник CH₄ и N₂O положительно отреагировали на потепление. Эти результаты показывают, что потепление подрывает смягчающий потенциал нетронутых водно-болотных угодий даже при ограниченном повышении температуры на 1,5–2,0°C, что является основной целью Парижского соглашения.

*Криптогамы или тайнобрачные растения, или бесцветковые растения — группа растений, не имеющих цветков (папоротники, хвощи, плауны, селагинеллы, полушниковые, псилотовые и близкие к ним растения, мхи, водоросли, грибы и лишайники).

 Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-023-01637-0

С начала 1980-х годов окружающая среда Антарктики служила естественной полевой лабораторией для исследователей, изучающих последствия истощения стратосферного озона, что привело к повышению уровня поверхностного ультрафиолетового излучения. Однако в его эффективных угрозах всё ещё есть пробелы. Авторы сообщают о новых доказательствах воздействия повышенного ультрафиолетового излучения на аэрозоли морской соли Западной Антарктиды. Солевые аэрозоли, особенно в Южном океане, играют важную роль в радиационном балансе Земли. Чтобы раскрыть молекулярные детали аэрозолей морской соли, авторы использовали многоэлементное микроскопическое определение индивидуальных микрочастиц на основе синхротрона (сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия с ближней краевой рентгеновской абсорбционной спектроскопией тонкой структуры в сочетании с компьютерно-управляемой сканирующей электронной микроскопией). Выявлено значительное количество обогащённых хлором аэрозолей в морской соли, образованных продуктами фотолиза, в то время как данные ледяных кернов показали повышенное истощение хлора с самого начала истощения озонового слоя. Наши результаты показывают, что современная модификация морской соли не имеет голоценового прецедента.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-023-00739-z