Дышащая планета, потерявшая равновесие

Океаны и растительные экосистемы Земли оказывают нам услугу, поглощая около половины углекислого газа (CO₂), выбрасываемого в атмосферу в результате деятельности человека. Остальная половига остается в воздухе, нагревая и изменяя климат планеты. Ученые NASA и других организаций задаются ключевым вопросом: как долго может продолжаться этот баланс? Если способность лесов и океанов поглощать углерод снизится, это ускорит темпы изменения климата в наступающем веке.

Понимание углеродного цикла является главным приоритетом для исследовательской программы NASA в области наук о Земле. Агентство наращивает полевые исследования, спутниковый мониторинг и компьютерное моделирование, чтобы найти ответы. Углерод — фундаментальный элемент жизни, но растущее количество CO₂ и метана (CH₄) в атмосфере — основная причина глобального потепления. Ученые изучают движение углерода с помощью различных инструментов, включая новый спутниковый набор данных.

«Сегодня и в последние 50–100 лет океаны и наземная биосфера стабильно поглощали около половины антропогенных выбросов, — сказал Дейв Шимел из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL). — Если это изменится, изменится и влияние выбросов от ископаемого топлива на климат. Мы не до конца понимаем это число и не знаем, как оно изменится в будущем».

Исследователи NASA подходят к проблеме с разных сторон: наблюдают за сушей, атмосферой и океанами с помощью спутниковых и авиационных датчиков, анализируют первые данные новой обсерватории OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2), измеряющей CO₂ в атмосфере, и интегрируют всю информацию в суперкомпьютерные модели.

Углерод в движении

Естественный углеродный цикл был выведен из равновесия из-за сжигания ископаемого топлива, вырубки лесов и изменения землепользования. Хотя ежегодный объем поглощения CO₂ экосистемами сильно варьируется, в долгосрочной перспективе он в среднем составляет около половины выбросов. Больше CO₂ и CH₄ в воздухе означает более высокие глобальные температуры, которые, в свою очередь, могут нарушить работу экосистем и снизить их способность поглощать углерод.

Ключевым новым инструментом NASA является спутник OCO-2, запущенный в июле 2014 года. Он делает более 100 000 измерений CO₂ в атмосфере ежедневно, что позволяет ученым детальнее исследовать источники выбросов и поглотители углерода. Уже видны сезонные колебания: снижение концентрации CO₂ в Северном полушарии летом в период фотосинтеза растений и рост над промышленными центрами и регионами вырубки лесов.

Растения и океан помогают, но до каких пор?

Наземные растения поглощают CO₂ в процессе фотосинтеза. В настоящее время суша компенсирует примерно четверть выбросов углекислого газа. Однако ученые задаются вопросом, не достигнет ли этот процесс насыщения. Спутники, такие как Landsat и MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) на аппаратах Terra и Aqua, а также OCO-2, измеряющий флуоресценцию растений, позволяют глобально отслеживать фотосинтез и здоровье растительности.

Леса — одни из главных поглотителей углерода, накапливающих его в стволах и корнях на десятилетия. Однако в некоторых регионах они уже становятся источником CO₂ из-за пожаров, засух, нашествий насекомых и вырубки. Засуха, например, замедляет рост растений и поглощение углерода в таких регионах, как Амазония. Повышение концентрации CO₂ может временно стимулировать рост растений, но этот эффект ограничен доступностью воды и питательных веществ.

Океан также поглощает CO₂ из атмосферы, но это меняет химию морской воды (окисление), а потепление поверхностных вод замедлит этот процесс в будущем. Фитопланктон, поглощающий CO₂ через фотосинтез, играет ключевую роль в биологическом насосе, переносящем углерод на дно океана. Изменения в циркуляции и химии океана, а также смена видового состава фитопланктона из-за потепления могут нарушить этот механизм.

Получение глобальной картины

Чтобы получить полное представление об углеродном цикле, ученые NASA комбинируют различные подходы к изучению суши, океана и атмосферы, объединяя огромные массивы спутниковых данных с климатическими моделями.

«В конечном счете, цель всей этой работы — предсказать, что произойдет с углеродным циклом, — говорит Лесли Отт, атмосферный ученый из NASA. — Сколько углерода будет поглощено сушей и океаном? Нам нужно знать, как это изменится в будущем».

Используя множество точек зрения, измерений и инструментов, ученые совершенствуют модели, чтобы дать нам более четкую картину того, как будет выглядеть климат, определяемый углеродом, в ближайшие годы и далее.