Семь направлений изучения углерода и климата

Каждая часть мозаики земной поверхности — океан и суша, Арктика и тропики, лес и степь — поглощает и высвобождает углерод по-своему. Непредсказуемые события, такие как масштабные лесные пожары и засухи, усложняют глобальную картину еще больше. Чтобы лучше прогнозировать будущий климат, необходимо понять, как экосистемы Земли будут меняться по мере потепления и как экстремальные явления будут формировать будущую среду и взаимодействовать с ней.

Арктика

Дальний Север нагревается в среднем в два раза быстрее, чем остальная часть Земли. Завершив 5-летнюю воздушную наблюдательную кампанию и начав 10-летнюю, которая объединит воздушные, спутниковые и наземные измерения, NASA использует беспрецедентные ресурсы, чтобы выяснить, как радикальные изменения в арктическом углероде могут повлиять на наше климатическое будущее.

Лесные пожары стали обычным явлением на Севере. Из-за сложности тушения в удаленных районах многие из этих пожаров горят бесконтрольно месяцами, выбрасывая огромные шлейфы углерода в атмосферу. Недавний отчет показал почти десятикратное увеличение числа крупных пожаров в Арктическом регионе за последние 50 лет, а общая площадь выгорания увеличивается ежегодно.

Органический углерод из остатков растений и животных сохраняется в мерзлых арктических почвах тысячелетиями, так как для разложения там слишком холодно. Арктические почвы, известные как вечная мерзлота, содержат больше углерода, чем сегодня находится в атмосфере Земли. По мере продолжения таяния замерзших ландшафтов увеличивается вероятность того, что не только пожары, но и разложение органики создадут атмосферные выбросы в Арктике, сопоставимые с выбросами от ископаемого топлива. Химическая форма этих выбросов — диоксид углерода (CO₂) или метан (CH₄) — будет иметь большое значение для степени создаваемого ими парникового эффекта.

Предварительные результаты воздушной кампании NASA CARVE (Carbon in Arctic Reservoirs Vulnerability Experiment) развеяли опасения, что из оттаивающих арктических почв уже высвобождаются большие объемы метана, более мощного парникового газа. Главный исследователь CARVE Чарльз Миллер из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) с нетерпением ждет начала полевой кампании ABoVE (Arctic-Boreal Vulnerability Experiment), чтобы получить больше информации. «CARVE лишь слегка затронула поверхность по сравнению с тем, что сделает ABoVE», — сказал Миллер.

Метан

Метан — это «Билли Кид» среди парниковых газов, содержащих углерод: он наносит большой ущерб за короткую жизнь. Его в атмосфере Земли гораздо меньше, чем CO₂, но молекула за молекулой он вызывает гораздо большее парниковое потепление, чем CO₂, в течение своего среднего 10-летнего срока жизни в атмосфере.

Метан производят бактерии, разлагающие органический материал во влажных местах с небольшим количеством кислорода или без него, например, на пресноводных болотах и в желудках коров. В настоящее время более половины атмосферного метана имеет антропогенное происхождение: животноводство, рисоводство, свалки и утечки природного газа. К естественным источникам относятся термиты и водно-болотные угодья. Из-за увеличения антропогенных источников концентрация метана в атмосфере за последние 200 лет удвоилась и достигла уровня, не наблюдавшегося на нашей планете в течение 650 000 лет.

Обнаружение и измерение антропогенных выбросов метана — серьезная задача. Система мониторинга углерода NASA финансирует несколько проектов по тестированию новых технологий и методов для улучшения нашей способности отслеживать этот бесцветный газ и помогать лицам, принимающим решения, точно определять источники выбросов. Один проект под руководством Дэниела Джейкоба из Гарвардского университета использовал спутниковые наблюдения за метаном для оценки выбросов в Северной Америке. Исследование показало, что антропогенные выбросы метана в восточном Техасе на 50–100% выше предыдущих оценок. «Это исследование показывает потенциал спутниковых наблюдений для оценки изменения выбросов метана», — сказал Кевин Боуман, научный сотрудник JPL, соавтор исследования.

Тропические леса

Тропические леса — тяжеловесы по хранению углерода. Только Амазонка в Южной Америке поглощает четверть всего CO₂, который оказывается на суше. Леса Азии и Африки также вносят свой вклад, «вдыхая» как можно больше CO₂ и используя его для роста.

Однако есть свидетельства того, что тропические леса, возможно, достигают своего предела роста. В то время как темпы роста в лесах умеренного и бореального поясов продолжают увеличиваться, деревья в Амазонии в последние годы растут медленнее. Они также раньше умирают. Отчасти это связано с тем, что лес был сильно ослаблен двумя сильными засухами в 2005 и 2010 годах — настолько сильными, что Амазонка в те годы в целом выделяла больше углерода, чем поглощала, из-за учащения пожаров и снижения роста. Эти беспрецедентные засухи могли быть лишь предвестником того, что ждет впереди, поскольку модели предсказывают увеличение частоты и силы засух в будущем.

За последние 40–50 лет наибольшую угрозу тропическим лесам представлял не климат, а человек, и здесь новости из Амазонии лучше. Бразилия сократила вырубку лесов Амазонки на своей территории на 60–70% с 2004 года, несмотря на тревожный рост за последние три года. По словам Дуга Мортона, ученого из Центра космических полетов имени Годдарда NASA, дальнейшее сокращение может не оказать заметного влияния на глобальный углеродный баланс. «Никто не хочет отказываться от усилий по сохранению и защите тропических лесов, — сказал он. — Но делать это с ожиданием, что это значимый способ решения проблемы глобальных выбросов парниковых газов, стало менее оправданным».

В последние годы прогресс Бразилии привел к тому, что Индонезия стала страной с самым высоким уровнем обезлесения и самой большой общей площадью вырубленных лесов в мире. Хотя леса Индонезии составляют лишь четверть или пятую часть от площади Амазонки, пожары там выбрасывают огромное количество углерода, потому что около половины индонезийских лесов растут на богатом углеродом торфе. Недавнее исследование показало, что этой осенью ежедневные выбросы парниковых газов от недавних пожаров в Индонезии регулярно превышали ежедневные выбросы всей территории Соединенных Штатов.

Лесные пожары

Лесные пожары естественны и необходимы для некоторых лесных экосистем: они поддерживают их здоровье, удобряя почву, расчищая место для молодых растений и позволяя видам прорастать и размножаться. Как и сам углеродный цикл, пожары вытесняются из своих обычных ролей изменением климата. Более короткие зимы и более высокие температуры в другие сезоны приводят к иссушению растительности и почв. В глобальном масштабе пожароопасные сезоны сегодня в среднем почти на 20% длиннее, чем 35 лет назад.

В настоящее время, по оценкам, лесные пожары выбрасывают в атмосферу в среднем от 2 до 4 миллиардов тонн углерода в год — примерно половину от объема выбросов при сжигании ископаемого топлива. Как бы велика ни была эта цифра, это лишь начало воздействия пожаров на углеродный цикл. По мере восстановления сгоревшего леса пройдут десятилетия, прежде чем он достигнет прежнего уровня поглощения углерода. Если территория расчищена под сельское хозяйство, угодья никогда не будут поглощать столько углерода, сколько поглощал лес.

По мере роста концентрации CO₂ в атмосфере и глобального потепления климатические модели показывают увеличение угрозы лесных пожаров на протяжении этого века. В более засушливых регионах Земли, таких как запад США, повышение температур будет продолжать высушивать растительность, облегчая возникновение и распространение пожаров. В арктических и бореальных экосистемах интенсивные пожары сжигают не только деревья, но и саму богатую углеродом почву, ускоряя таяние вечной мерзлоты и выбрасывая в атмосферу еще больше CO₂ и CH₄.

Леса Северной Америки

Располагая десятилетиями спутниковых снимков Landsat, исследователи могут отслеживать изменения в лесах Северной Америки с середины 1980-х годов. Потепление климата дает о себе знать.

Благодаря проекту North American Forest Dynamics и набору данных на основе снимков Landsat, выпущенному ранее в этом месяце, исследователи могут отслеживать, где древесный покров исчезает из-за вырубки, лесных пожаров, ураганов, нашествий насекомых, засухи, разработки вершин гор и расчистки земель под застройку и сельское хозяйство. Равным образом они видят, где леса восстанавливаются на местах прошлых вырубок, заброшенных сельхозугодий и других ранее нарушенных территориях.

«Один из выводов проекта — насколько активны леса США и как молоды американские леса», — сказал Джефф Масек из Годдарда, один из главных исследователей проекта вместе с учеными из Университета Мэриленда и Лесной службы США. На юго-востоке быстрорастущие лесные плантации иллюстрируют влияние человека на жизненный цикл леса. На западе, однако, большая часть нарушений лесов прямо или косвенно связана с климатом. В этом году пожары в Аляске охватили больше акров, чем в любой другой год за всю историю спутниковых наблюдений. Насекомые и засуха превратили зеленые леса Скалистых гор в коричневые. На юго-западе сосново-можжевеловые леса деградировали из-за засухи.

Ученые изучают леса Северной Америки и хранящийся в них углерод с помощью других дистанционных инструментов. С помощью радаров и лидаров, измеряющих высоту растительности со спутников или воздушных платформ, они могут рассчитать, сколько биомассы — общего количества растительного материала, такого как стволы, стебли и листья — содержат эти леса. Затем модели, рассматривающие скорость роста или сокращения лесов, могут рассчитать поглощение и высвобождение углерода в атмосферу. Прибор GEDI (Global Ecosystem Dynamics Investigation), планируемый к установке на Международной космической станции (МКС), будет измерять высоту деревьев с орбиты, а вторая миссия на МКС, ECOSTRESS (Ecosystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station), будет отслеживать потребление воды лесами — показатель поглощения углерода во время роста. Две другие предстоящие радарные спутниковые миссии (радар NISAR, совместный проект NASA и ISRO, и радар BIOMASS Европейского космического агентства) предоставят еще больше дополнительной, комплексной информации о растительности.

Поглощение углерода океаном

Когда богатый CO₂ воздух встречается с морской водой, содержащей меньше CO₂, парниковый газ диффундирует из атмосферы в океан так же неотвратимо, как катится мяч под гору. Сегодня около четверти антропогенных выбросов CO₂ поглощается океаном. Попав в воду, углерод может оставаться там сотни лет.

Теплые поверхностные воды, богатые CO₂, переносятся океанскими течениями в более холодные части земного шара, выделяя тепло по пути. В полярных регионах теперь уже холодная вода опускается на несколько миль в глубину, унося свой углеродный груз в пучину. В конечном итоге та же вода поднимается далеко от места погружения и возвращает углерод на поверхность; но считается, что весь путь занимает около тысячи лет. Другими словами, вода, поднимающаяся сегодня, датируется эпохой Средневековья — задолго до выбросов от ископаемого топлива.

Это хорошо для атмосферы, но океан платит высокую цену за поглощение такого количества углерода: закисление. CO₂ вступает в химическую реакцию с морской водой, делая воду более кислой. Это фундаментальное изменение угрожает многим морским организмам. Цепь химических реакций в конечном итоге снижает количество определенной формы углерода — карбонат-иона, — который этим организмам необходим для создания раковин и скелетов. Названная «другой проблемой CO₂», закисление океана потенциально затрагивает миллионы людей, зависящих от океана в плане пищи и ресурсов.

Фитопланктон

Микроскопические водные растения, называемые фитопланктоном, — еще один способ поглощения выбросов CO₂ океаническими экосистемами. Фитопланктон дрейфует с течениями, потребляя CO₂ по мере роста. Он находится в основе пищевой цепи океана, его поедают крошечные животные — зоопланктон, которых затем потребляют более крупные виды. Когда фитопланктон и зоопланктон умирают, они могут опускаться на дно океана, унося с собой углерод, запасенный в их телах.

Спутниковые приборы, такие как MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) на спутниках NASA Terra и Aqua, позволяют наблюдать цвет океана, который исследователи могут использовать для оценки обилия фитопланктона — больше зеленого означает больше фитопланктона. Но не весь фитопланктон одинаков. Некоторые более крупные виды, такие как диатомовые водоросли, нуждаются в большем количестве питательных веществ в поверхностных водах. Более крупные виды также, как правило, тяжелее, поэтому легче опускаются на дно океана.

Однако по мере изменения океанских течений меняются и слои поверхностных вод, имеющие правильное сочетание солнечного света, температуры и питательных веществ для процветания фитопланктона. «В Северном полушарии наблюдается тенденция к снижению количества фитопланктона», — сказала Сесиль Русо, океанограф из Отдела глобального моделирования и ассимиляции данных в Годдарде. Она использовала модели, чтобы определить, что снижение на самых высоких широтах было связано с уменьшением количества диатомовых водорослей. Будущая миссия, спутник PACE (Pre-Aerosol, Clouds, and ocean Ecosystem), будет использовать приборы, предназначенные для различения оттенков цвета в океане, что позволит ученым лучше количественно оценивать различные виды фитопланктона.

В Арктике, однако, фитопланктон может увеличиваться из-за изменения климата. Экспедиция NASA ICESCAPE (Impacts of Climate on the Eco-Systems and Chemistry of the Arctic Pacific Environment) на ледоколе Б