Сокращение выбросов метана является одним из наиболее эффективных действий, которые можно предпринять для замедления глобального потепления. Однако мониторинг выбросов остаётся сложной задачей, поскольку методы обнаружения имеют ограниченную полноту количественной оценки из-за компромиссов, которые приходится делать между охватом, разрешением и точностью обнаружения. Авторы показывают, что глубокое обучение может помочь преодолеть с точки зрения спектрального разрешения компромисс, возникающий при использовании многоспектральных спутниковых данных, в результате чего появляется инструмент обнаружения метана с глобальным охватом и высоким временным и пространственным разрешением. Авторы сравнивают свои данные с результатами кампаний по измерению метана в воздухе. Это сравнение позволяет полагать, что предложенный метод может обнаруживать точечные источники метана в данных Sentinel-2 вплоть до шлейфов площадью 0,01 км², что соответствует источникам от 200 до 300 кг CH₄ ч^-1. Эта модель демонстрирует улучшение на порядок по сравнению с современными моделями, обеспечивая значительный шаг на пути к автоматизированному обнаружению выбросов метана с высоким разрешением в глобальном масштабе каждые несколько дней.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-47754-y

Взвешенные частицы являются одним из основных загрязнителей воздуха. Воздействие на человека мелкодисперсных взвешенных частиц (частиц со средним диаметром меньшим или равным 2,5 мкм, PM_2,5) имеет множество негативных и разнообразных последствий для здоровья человека, таких как смертность от респираторных заболеваний, рак легких и т.д. Точный прогноз качества воздуха в региональном масштабе позволяет местным агентствам разрабатывать и применять соответствующую политику (например, соблюдать конкретные ограничения на выбросы) для решения проблемы загрязнения воздуха. В рамках этой концепции недорогие датчики недавно стали ценным инструментом, облегчающим пространственно-временной мониторинг загрязнения воздуха в местном масштабе. В этом исследовании представлен подход глубокого обучения (long short-term memory, LSTM) для прогнозирования превышения уровня загрязнения воздуха в течение дня в городских и пригородных районах. Данные по содержанию PM_2,5, использованные в этом исследовании, были собраны с 12 хорошо откалиброванных недорогих датчиков (Purple Air), расположенных на большей территории муниципалитета Терми в Салониках, Греция. Методика на основе LSTM реализует данные PM_2,5, а также вспомогательные данные, метеорологические переменные из Службы мониторинга атмосферы «Коперник» (CAMS), управляемой ECMWF, и временные переменные, связанные с местными выбросами, для повышения эффективности прогнозирования загрязнения воздуха. Точность прогнозов модели показала адекватные результаты: коэффициент корреляции между измеренными концентрациями PM_2,5 и данными прогноза LSTM находится в диапазоне от 0,67 до 0,94 для всех временных горизонтов, с тенденцией к снижению по мере увеличения временного горизонта. Что касается превышений загрязнения воздуха, система прогнозирования LSTM может правильно фиксировать более 70% случаев превышения загрязнения воздуха в исследуемом регионе. Последние результаты показывают способность модели правильно определять возможные превышения пороговых значений Всемирной Организации Здравоохранения и предоставлять ценную информацию о местном качестве воздуха.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/5/594

Крупномасштабная конвекция во время азиатского летнего муссона играет важную роль в быстром переносе аэрозолей пограничного слоя в течение азиатского летнего муссонного антициклона. Используя современную модель аэрозольной химии и климата ECHAM6-HAMMOZ, авторы показывают, что эти аэрозоли далее переносятся в Арктику вдоль изэнтропических поверхностей с помощью циркуляции Брюера-Добсона во время сезона дождей. Анализ модельных результатов показывает, что антропогенные выбросы из Восточной и Южной Азии вносят значительный вклад в аэрозольный перенос в Арктику, что вызывает более высокое отрицательное суммарное радиационное воздействие аэрозоля на поверхности (затемнение) -0,09 ± 0,02 Вт м^-2 и -0,07 ± 0,02 Вт м⁻² соответственно. Над Арктикой восточноазиатские антропогенные аэрозоли, содержащие большое количество сульфатов, вызывают среднесезонное суммарное радиационное воздействие в верхних слоях атмосферы -0,003 ± 0,001 Вт м^-2 и охлаждение поверхности -0,56 К, в то время как чёрный углерод, доминирующий над Южной Азией, демонстрирует положительное воздействие в верхних слоях атмосферы +0,004 ± 0,001 Вт м^-2 с лишь незначительным охлаждением поверхности -0,043 К. В целом перенос южноазиатских аэрозолей на большие расстояния приводит к заметному потеплению во всём атмосферном столбе, но к минимальному температурному отклику на поверхности Арктики. И наоборот, аэрозоли Восточной Азии охлаждают тропосферу и нагревают нижнюю стратосферу в Арктике. Таким образом, азиатский аэрозоль играет двойственную роль: восточноазиатские источники, в частности, обладают потенциалом противодействовать быстрому повышению температуры в Арктике и связанному с этим таянию снега и льда.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-024-00633-1

Альбедо морского льда может усилить глобальные изменения климата и повлиять на поверхностную энергию в Арктике. В этой статье данные видимого и инфракрасного радиометра (VIRR) на борту спутника Fengyun-3C применяются для определения альбедо арктического морского льда. Две модели переноса излучения, а именно 6S и FluxNet, используются для оценки коэффициента отражения и альбедо в коротковолновом диапазоне. Альбедо морского льда при ясном небе в арктическом регионе (60–90° с.ш.) с 2016 по 2019 гг. рассчитывается с помощью физического процесса, включая предварительную обработку данных, преобразование из узкополосной связи в широкополосную, коррекцию анизотропии и атмосферную коррекцию. Результаты сравниваются с самолётными измерениями и продуктами альбедо AVHRR Polar Pathfinder-Extended (APP-x) и OLCI MPF. Смещение и стандартное отклонение разницы между альбедо VIRR и самолётными измерениями составляют -0,040 и 0,071 соответственно. По сравнению с продуктами APP-x и OLCI MPF показана хорошая стабильность альбедо. При анализе вместе с фракцией талого пруда можно увидеть очевидную отрицательную взаимосвязь. После обработки четырёхлетних данных можно наблюдать явную годовую тенденцию. Из-за влияния снега на поверхность льда среднее альбедо поверхности Арктики в марте и апреле может достигать более 0,8. Начиная с мая, с таянием льда и снега и образованием тающих прудов, альбедо быстро падает до 0,5–0,6. В августе талые пруды начинают замерзать, и альбедо поверхности увеличивается.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2072-4292/16/10/1719

Осадки имеют ярко выраженный сезонный цикл, от фазы и амплитуды которого зависит управление водными ресурсами. Хотя предыдущие исследования предполагали возникновение фазы задержки в последние десятилетия, вопрос о появлении увеличенной амплитуды остаётся спорным. Используя многочисленные наборы данных наблюдений и климатическое моделирование, авторы показывают, что усиление годового цикла осадков произошло на большинстве территорий суши с 1980-х годов, особенно в тропиках. Эти усиления в основном обусловлены антропогенными выбросами, и в будущем (2081–2100 гг.) они будут расти на 17,6% по сценарию высоких выбросов SSP585 и ограничиваться 7,2% по сценарию SSP126 по сравнению с историческим периодом (1982–2014 гг.). Сезонность осадков будет усиливаться на 4,2% на каждый 1°C глобального потепления, что наблюдается во всех сценариях выбросов. Снижение выбросов полезно для смягчения усиления сезонности осадков в условиях глобального потепления.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GL109132

В этом исследовании оценивается моделирование антарктического стратосферного полярного вихря в рамках проекта CMIP с фазы 3 (CMIP3) по фазу 6 (CMIP6). В среднем в стратосфере Антарктики появляется широкий охват тёплых отклонений, который является наибольшим в раннем CMIP и постепенно уменьшается в двух более поздних CMIP с увеличением числа моделей, воспроизводящих квазидвухлетнюю осцилляцию QBO (0, 5 и 19). Четыре показателя антарктического стратосферного полярного вихря оцениваются для трёх поколений CMIP. Такие отклонения, как слишком слабая мощность, слишком большое соотношение размеров и дрейфующий на запад центр вихря, обычно являются общими для всех CMIP. Хотя с улучшением разрешения модели, её верхней границы, интерактивной химии и физических процессов межмодельный разброс сужается от поколения к поколению, особенно для моделей с высокой верхней границей, чем для моделей с низкой верхней границей, при моделировании области вихря. Кроме того, межмодельное распространение антарктического стратосферного вихря, очевидно, связано со смещением температуры поверхности моря (ТПМ) в зимнее время года в Австралии. В частности, по мере того, как смещение холодной ТПМ в южной тропической части Тихого океана и смещение тёплой ТПМ в регионе Ниньо 1 + 2 (Нино) южного полушария улучшаются, смещение в смоделированных показателях вихря также уменьшается, что можно частично объяснить изменением восходящего тренда распространения планетарных волн над тропическими и внетропическими океанами. Укрепление связей в рассматриваемых регионах ещё раз подтверждает важность моделирования ТПМ для расчётов стратосферных вихрей. В целом, несмотря на смещение полярного вихря, существующее в CMIP, для большинства моделей был достигнут заметный прогресс.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-024-07250-x

Сосредоточив внимание на изменении климата и индустриализации на сибирском полуострове Ямал, исследователи разработали научные вопросы, которые выходят далеко за рамки какой-либо отдельной дисциплины.

Арктика претерпевает быстрые изменения, влияющие на её природную среду, население и её роль в природных процессах глобального масштаба. Взаимодействие изменения климата, индустриализации и других факторов стресса делает Арктику интригующим предметом для конвергентной науки – подхода, характеризующегося общением и интеграцией представителей различных дисциплин для решения конкретных определённых проблем.

Цель конвергентной науки — создать новые парадигмы и способы рассмотрения проблем, выходящие за рамки какой-либо отдельной дисциплины. Несмотря на растущую популярность этой концепции за последнее десятилетие, лишь немногие публикации затрагивали практические особенности её реализации на практике, и ни одна из них не фокусировалась на Арктике.

Новая статья Иванова и др. стремится сделать именно это. В 2020 году группа учёных, экологов, антропологов и инженеров, представляющих различные страны и культурные самобытности, организовала серию семинаров, чтобы изучить, как применить науку конвергенции к меняющейся Арктике. В частности, они сосредоточили внимание на том, как изменение климата и индустриализация способствуют переменам на полуострове Ямал.

Расположенный на северо-западе Сибири, полуостров Ямал простирается более чем на 700 километров на север до Северного Ледовитого океана. Здесь коренные жители-ненцы проживают в небольших деревнях или ведут кочевой образ жизни в качестве рыбаков и оленеводов. Он также обладает огромными запасами природного газа, что привело к развитию промышленной инфраструктуры и новых городов за последние 50 лет.

Участники семинаров начинали в своих дисциплинарных зонах комфорта, а затем постепенно интегрировали дисциплины, выявляя связи между различными природными, социальными и промышленными элементами полуострова Ямал.

Такой подход позволил участникам выработать общий язык общения, что в конечном итоге привело к формулировке нескольких научных вопросов высшего уровня, таких как «Как более тёплые зимы и сезонные изменения меняют жизнь людей и оленей в тундре?». Дополнительные вопросы возникли из каждого вопроса высшего уровня, например: «Как человеческая деятельность изменяет нисходящий контроль трофических взаимодействий в пищевых цепочках тундры?».

Помимо постановки новых исследовательских вопросов, эта статья может послужить примером того, как применять науку конвергенции к изучению изменений в Арктике. (Earth’s Future, https://doi.org/10.1029/2023EF004157, 2024)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/convergence-science-in-the-arctic

Открытые поверхностные воды по всему миру необходимы для многих форм жизни и являются важным источником для населённых пунктов, сельского хозяйства и промышленности. На их присутствие и изменение во времени и пространстве влияют различные природные условия (например, климат, топография, геология) и использование человеком (например, орошение, защита от наводнений). Информация о пространственном и временном распределении открытых поверхностных вод имеет фундаментальное значение для многих дисциплин, а также необходима в качестве важного параметра для гидрологического и климатического моделирования. Здесь представлен набор данных, полученный в результате спутникового наблюдения Земли, основанный на более чем 6,3 миллионах отдельных продуктов MODIS объёмом около 300 ТБ. Этот набор данных отражает ситуацию с открытыми поверхностными водами в глобальном масштабе за каждый день за период с 2003 по 2022 гг. с пространственным разрешением 250 м. Набор данных позволяет анализировать развитие площади поверхности озёр и водохранилищ, циклы замерзания и площади затопления.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03328-7

Ожидается, что изменение климата приведёт к более частым и сильным засухам, за которыми, в свою очередь, последует растрескивание почвы, выброс большего количества углекислого газа и дальнейшее потепление планеты.

Пожалуй, нет более универсального образа засухи, чем перекрещивание трещин в пересохшей почве. Почвы сжимаются по мере высыхания, образуя трещины в земле, что может привести к утечке углекислого газа и других парниковых газов. 

Теперь исследователи предположили, что более глубокие и частые засухи, прогнозируемые в связи с изменением климата, приведут к увеличению выбросов парниковых газов через трещины в почве. 

Исследователи уже знали, что засуха может усилить растрескивание почвы, что трещины в почве могут увеличить выбросы парниковых газов и что, по прогнозам, изменение климата сделает засуху более интенсивной и частой во многих засушливых частях мира. 

«В этой статье всё это собрано воедино», — сказал почвовед Келли Кейлор (Kelly Caylor) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, не участвовавший в новом исследовании. Это показывает, как вызванные засухой изменения в физической структуре почв (в данном случае растрескивание) также могут способствовать изменению климата, добавил он. 

Почвы являются крупнейшим хранилищем земного углерода на планете. Когда растения растут, они захватывают углекислый газ из воздуха и превращают его в биомассу. Когда животные или другие организмы потребляют эту биомассу, они расщепляют её на углекислый газ для получения энергии и выпускают обратно в атмосферу — точно так же, как мы делаем каждый раз, когда выдыхаем. Но биомасса, захороненная в почве, имеет тенденцию оставаться там, не позволяя органическим веществам возвращаться в воздух в виде углекислого газа. Органический материал, захороненный в почве, всё ещё разлагается, просто это происходит медленнее, чем на поверхности. Микробы и грибки в почвах поедают захороненную биомассу, чтобы расщепить её, высвобождая часть захваченного углерода в виде углекислого газа и связывая часть остатков в виде тёмного, богатого углеродом вещества, называемого гумусом, который остаётся в почве. 

Баланс между захоронением углерода и пережёвыванием микробов в конечном итоге определяет, сколько углерода могут хранить почвы. Таким образом, всё, что даёт импульс микробам, может ускорить разложение углерода в почве. Как правило, микробы поедают органический углерод быстрее, когда температура выше. 

Исторически сложилось так, что почвоведы, интересующиеся тем, как изменение климата влияет на углерод в почве, в основном сосредотачивались на влиянии температуры, сказал Кейлор. Но растёт понимание того, что засуха тоже имеет значение, как и физическая структура почв. Сюда входят трещины в почве, которые, по словам Кейлора, исследователи часто рассматривают скорее как неприятность, которую следует избегать при полевых измерениях, чем заслуживающие отдельного изучения. 

Бесконечный цикл? 

Когда почва высыхает и сжимается, в зависимости от типа почвы образуются трещины глубиной до нескольких метров. (Они легче всего образуются в мелкозернистых, богатых глиной почвах). Трещины подвергают более глубокие слои почвы воздействию свежего, богатого кислородом воздуха и воды — двух веществ, которые подобны керосину для микробного метаболизма. Поскольку вокруг много органического материала, который почвенные микробы могут разлагать, недостаток воды или кислорода зачастую является единственным, что удерживает их от пережёвывания и выделения почвенного углерода. 

Инженер-геотехник Фаршид Вахедифард (Farshid Vahedifard) из Университета Тафтса и его коллеги установили связь между изменением климата, засухой, трещинами в почве и выбросами парниковых газов, изучая, как засуха меняет структуру почвы таким образом, что может поставить под угрозу земляную архитектуру, такую ​​​​как плотины и дамбы. 

«Трещины от высыхания из-за засухи не являются чем-то новым», — сказал он. Ни окисление углерода в почве, ни изменение климата не являются проблемой, добавил он. «Но одна вещь, которая привлекла мое внимание, — это динамика между ними. Мы начали изучать это, и я понял, что, похоже, существует петля обратной связи». 

По мере повышения средней температуры на планете исследователи ожидают, что засуха усилится и станет более частым явлением во многих засушливых регионах. Увеличение числа засух приведёт к увеличению трещин в почве, за которым последует выделение большего количества углекислого газа из почвы. Этот дополнительный углекислый газ, в свою очередь, способствует изменению климата — цепочка, которая проходит полный круг в самоускоряющейся петле обратной связи. 

Вахедифард и его коллеги опубликовали свое исследование в журнале Environmental Research Letters. 

По словам Кейлора, антропогенные выбросы парниковых газов существенно превышают увеличение выбросов углекислого газа из почвы. Но, добавил он, небольшие изменения в процессах, которые происходят на больших участках поверхности Земли, включая многие засушливые регионы, на самом деле могут привести к большим сдвигам. 

В петле обратной связи может быть нечто большее, чем просто углекислый газ, отметил Вахедифард. «Есть несколько оставшихся без ответа вопросов о динамике высыхания почвы, растрескивания, засух и выбросов парниковых газов». Вполне возможно, что эта обратная связь может включать и другие парниковые газы, такие как метан и закись азота. А вода, просачивающаяся по трещинам в глубокие почвы, также может растворять запасы неорганического минерального углерода — до сих пор неясно, какой эффект это будет иметь. 

Даже учитывая эти открытые вопросы, следующий шаг очевиден, сказал Вахедифард: количественная оценка силы обратной связи. Если исследователи смогут выяснить, насколько каждый шаг влияет на следующий, у них будет больше возможностей смягчить его последствия. «Я считаю, что это имеет несколько последствий с разных точек зрения — от моделирования изменения климата до сельского хозяйства, управления земельными ресурсами, а также инфраструктуры», — сказал Вахедифард. «Эта петля обратной связи была упущена из виду».

Ссылка: https://eos.org/articles/cracking-soils-could-accelerate-climate-change

О явлении сезонного гистерезиса между городскими островами тепла (urban heat islands, UHI) и фоновой температурой поверхности сообщалось во многих исследованиях, но объединяющее объяснение причин его величины, формы и направления петли оставалось менее ясным, а влияние городских ландшафтов и фонового климата на такой гистерезис также остаётся предметом исследования. Авторы провели систематическое исследование, основанное на долгосрочном автономном моделировании баланса поверхностной энергии, приземного воздуха и температуры кожи в городской биосферной системе Восточного Китая. Оно было выполнено с использованием современной модели земной поверхности — CLM5-LCZ (модель общественных земель версии 5 (CLM5) в сочетании с недавно разработанной моделью городского купола, представляющей разнообразные городские ландшафты со схемой классификации местных климатических зон). Чтобы изолировать причины гистерезиса UHI, была построена упрощённая структура путём объединения математического представления результатов модели сетки/подсетки, метода механизма двух сопротивлений и анализа взаимной корреляции с задержкой по времени. Результаты показали отчётливые структуры гистерезиса UHI, такие как скрученная, вогнутая вниз, вогнутая вверх и выпуклая вверх кривая в различных фоновых климатических условиях и городских ландшафтах. Основные формы гистерезиса отражают постепенный переход от вогнутости/выпуклости вверх к вогнутости/выпуклости вниз, характеризующийся более крупными зимними UHI от более влажного и тёплого климата к более сухому и холодному. На величину и сезонность приземных UHI отдельно влияет контраст между городским и сельским испарением и накоплением тепла в дневное и ночное время, тогда как межклиматические вариации дневного и ночного гистерезиса приземных UHI регулируются фазовым сдвигом эффективности конвекции и антропогенного тепла. Городские ландшафты влияют на гистерезис главным образом путём изменения амплитуды, а не формы петлевых кривых. Эта работа могла бы дать более полную картину того, как смягчить последствия потепления в городах с учётом межсезонных компромиссов в более широком регионе.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2023JD040446