Карбоновый полигон Что это такое и как работает
Карбоновый полигон — словосочетание новое, еще пару лет назад о нем мало кто слышал. В феврале 2021 года Минобрнауки запустило пилотный проект по созданию в разных регионах России карбоновых полигонов, чтобы восполнить (хотя бы отчасти) острый недостаток информации о потоках парниковых газов на территории нашей страны. В специально подобранных экосистемах проводятся мониторинговые измерения потоков парниковых (климатически активных) газов, а также развиваются технологии по снижению их выбросов и увеличению их поглощения из атмосферы. Полигоны называются карбоновыми, потому что речь идет в первую очередь об исследованиях выделения диоксида углерода (по латыни carboneum — уголь), а вместе с ним и других парниковых газов, таких как метан или закись азота. Их содержание в атмосфере планеты сейчас самое высокое за последние 800 тыс. лет. Эти выбросы окутывают Землю, удерживая солнечное тепло, что приводит к росту глобальной температуры и другим изменениям климата. Снижение антропогенных выбросов, восстановление потенциала природных экосистем, регулирующих обмен земной поверхности и атмосферы, — важнейшая задача человечества.
Любая природная система обладает уникальными свойствами, и, чтобы оценить влияние отдельных экосистем на климат, придется учесть множество факторов — особенности почв, виды растений, микроклимат, рельеф и другие характеристики каждой конкретной местности. Отсюда и слово «полигон» в названии — ученые выбирают участки с характерными для региона экосистемами и проводят на этой территории научные исследования и испытания новых технологий. Есть, кстати, природные экосистемы, которые выделяют углекислого газа даже больше, чем поглощают, — это перестойные леса или осушенные болота.
Самое типичное место Подмосковья
Полигон в Чашникове выглядит как обычнейшее Подмосковье — луг с кое-где еще цветущими травами, пруды, овраги, вдали виднеются распаханное поле и корпуса агробиостанции, где студенты-почвоведы из МГУ проходят летнюю практику. Рядом лес, с виду тоже вполне обыкновенный, — полигон ведь и должен содержать типичные для региона ландшафты, быть своего рода усредненным портретом природы Подмосковья. Тропинка между елей и берез с первыми желтыми листьями ведет к белой измерительной вышке, возвышающейся над лесом. На вышке метеорологические приборы и газоанализаторы, под ней — красная табличка с надписью «Внимание! Идет эксперимент».
Эксперимент действительно идет, причем в масштабах страны: в России сейчас насчитывается 17 действующих полигонов общей площадью почти 40 тыс. гектаров. Морской карбоновый полигон развернут в Краснодарском крае в Голубой бухте Черного моря. Аграрные карбоновые полигоны, задачей которых является исследование переноса парниковых газов между аграрными ландшафтами и атмосферой, работают в Башкортостане и Татарстане.
Часть системы измерения потока СО2 — зонд для определения влажности и температуры почвы
Данные, получаемые с помощью наземных и дистанционных измерений, загружаются в облачное хранилище на базе Yandex Cloud в режиме реального времени. На их основе создают модели машинного обучения, которые будут прогнозировать динамику выделения и поглощения климатически активных газов в Подмосковье и стране в целом. Планируется сформировать единую базу сбора информации и обмена данными между всеми российскими карбоновыми полигонами от Калининградской области до Сахалина, включая даже прибрежные участки океана. Полученные таким образом знания можно будет применять не только в научных целях, но и для решения разнообразных прикладных задач — например, для разработки технологий по связыванию атмосферного СО2 в виде почвенного органического углерода.
, и. о. декана факультета почвоведения МГУ, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН:Чашниково мы выбрали не в последнюю очередь из-за научного потенциала базы, на которой проходят практику студенты МГУ. У биостанции есть свое научное подразделение, которое ведет работы, связанные с агрономией, — тут находятся опытные поля и питомник. Это земля МГУ, здесь можно испытывать любые научно-инвестиционные проекты без бесконечных разрешений и согласований. Еще одно большое достоинство Чашникова — мозаичность ландшафта: здесь и населенный пункт, и лесной массив, и сельхозугодья. Благодаря этой мозаике мы работаем с реальным ландшафтом Центральной России. Изначально Чашниково — агробиостанция, переданная МГУ в 1949 году после печально знаменитой сессии ВАСХНИЛ. С одной стороны, тогда разгромили генетику, а с другой — погрозили пальцем биологической науке за то, что она слишком далека от сельского хозяйства. Агробиостанцию передали университету, чтобы она стала центром аграрных исследований МГУ, так что Чашниково — такое наше гнездо, где мы давно работаем
Как измерить неизмеримое
Сейчас над проектом полигона в Чашникове работают ученые четырех факультетов МГУ: почвоведения, биологического, географического и химического. Научные группы проводят замеры потоков газов с поверхности почвы, исследуют дыхание растений. Также ученые работают над проблемой «черного углерода» — частиц, образующихся в результате неполного сгорания ископаемого топлива, прилетающих сюда в основном из городов. Большое количество таких частиц способно усугубить эффект глобального потепления.
Исследователи уже собрали десятки терабайт данных с наземных и дистанционных измерительных устройств и метеостанции в единый массив. Теперь перед ними стоит цель получить из него информацию о балансе парниковых газов и оценить роль различных природных экосистем в его формировании. Но для этого необходимо сделать измерения на оборудованных полигонах систематическими и круглогодичными: для того чтобы строить модели углеродного баланса, необходимо получать такие данные минимум в течение 5–10 лет.
На смартфоне отображаются данные расчета потока СО2 по наблюдаемым параметрам
На полигоне в Чашникове установлена современная метеостанция, которая передает данные в режиме реального времени, запущена автоматическая система мониторинга содержания аэрозолей в атмосфере. На метеорологической вышке в скором времени заработает станция мониторинга, которая будет фиксировать потоки углекислого газа и водяного пара каждые тридцать минут.
В ближайшее время должно поступить оборудование и для исследования фотосинтеза и дыхания растений — они не только запасают углерод при фотосинтезе, но и выделяют при дыхании (а еще СО2 выделяется при разложении органического вещества лесной подстилки, при дыхании животных и грибов, корней растений).
Практически все зарубежные производители оборудования продолжают поставки в Россию, однако его стоимость выросла на 20–30 %, а сроки поставки по отдельным позициям увеличились чуть ли не до года. Качественных отечественных аналогов мало, хотя отдельные достойные разработки есть. Например, в Московском физико-техническом институте работают над газоанализатором, использующим метод турбулентных пульсаций — это самый точный метод измерения потоков парниковых газов между атмосферой и подстилающей поверхностью. Появляется и отечественная линейка компактных сенсоров — лидаров и гиперспектральных камер для дистанционных исследований с дальнобойных дронов.
1,2 млрд тонн углекислого газа в год поглощают российские леса, по данным Росгидромета. А его потери при лесных пожарах в среднем составляют около 300 млн тонн, примерно столько же теряется при рубках. Таким образом, российские леса в среднем выводят из атмосферы 600 млн тонн углекислого газа
Геоботаники вместе с почвоведами проводят работы по оценке запасов углерода в биомассе и почве разных экосистем. Биомассу леса оценивают с помощью спутниковых снимков Института космических исследований РАН — там есть готовая большая база данных. Оценить запасы углерода в почве намного сложнее, но очень важно включить и эти данные в общий пул данных о запасах углерода. Например, в травянистых экосистемах нередко содержится намного больше углерода в подземной биомассе, чем в надземной. Почвоведы, классифицирующие подмосковную экосистему как «южную тайгу», говорят, что в таежных экосистемах соотношение углерода в почве и углерода в деревьях примерно равное, но торопиться с выводами не стоит. А ведь надо еще включить в расчеты лесную подстилку — опавшие листья, ветки и другие органические остатки на поверхности почвы, а также кустарники, травы, мхи, оценить фауну — червей, которые во многом и создают почву. Они преобразуют материал, который поступает в почву, и протягивают его на большие глубины, насыщая земляную толщу углеродом. Поэтому чем их больше, тем лучше. Почвоведы уже оценили, сколько в местном лесу червей: взяли кубометр почвы и пересчитали их вручную по стандартной методике.
, старший научный сотрудник Лаборатории теории климата Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН:Раньше у нас не было на всю страну и десяти вышек, где мы могли с достаточной точностью измерять потоки парниковых газов, когда весь развитый мир уже усыпан ими! До создания карбоновых полигонов Россия была белым пятном на карте изучения углеродного цикла. Но наконец-то дело сдвинулось. Не исключено, что главная цель тут прагматическая — доказать достаточно высокий вклад природных экосистем России в поглощение парниковых газов из атмосферы. Но я как ученый, конечно, приветствую появление карбоновых полигонов. Только так мы узнаем, где, как и с какой скоростью поглощаются и выделяются парниковые газы. И эти показатели надо измерять постоянно — ведь даже вклад наших лесов в поглощение углекислого и других парниковых газов может меняться со временем. Есть исследования, показывающие, что с ростом температуры в лесных экосистемах могут отмечаться более высокие темпы выделения диоксида углерода в атмосферу, чем его поглощение
Экосистемой надо управлять
Большинство приборов, устанавливаемых на карбоновом полигоне, обладают коммуникационными интерфейсами — они могут подключаться к любым сетям, чтобы обмениваться данными по стандартным протоколам и отсылать их в облачное хранилище, где они будут доступны специалистам для дальнейшей работы.
На 70% планируется сократить выбросы парниковых газов в России к 2030 году относительно уровня 1990-го
Ведь наблюдения и измерения, сколько бы данных они ни дали, — это далеко не все, что требуется сделать. Измеряемые потоки парниковых газов репрезентативны большей частью лишь для крайне небольшой площади вблизи измерительной вышки, и обычные статистические методы не подойдут для интерполяции точечных данных. Поэтому перед учеными стоит сложнейшая задача — масштабировать данные точечных измерений на крупные территории и строить прогнозы. Для этого нужны нелинейные модели с огромным набором параметров, характеризующих климат и ландшафт, структуру почвенного и растительного покрова. Но сложные модели с большим количеством входных переменных обычно накапливают ошибки определения параметров и исходных данных, что приводит к тому, что накопленная ошибка может значительно превышать эффект от учета особенностей моделируемых нелинейных процессов. Чтобы упростить задачу, на первом этапе будут строить региональные линейные модели функционирования экосистем и газообмена в них.
Метеостанция, вносящая свои данные в формулы для расчетов потоков парниковых газов
На геосервере карбонового полигона в Чашникове уже появились некоторые результаты исследований — например, подробная карта распределения растительной массы. Она позволяет вычислить площадь участков с различными характеристиками, а также построить первые приблизительные карты выделения и поглощения парниковых газов природными ландшафтами. Это один из прообразов универсальной цифровой модели местности, на которую могут быть наложены данные из любого региона. База, собирающая экспериментальные данные, должна обобщать информацию со всех полигонов, проводить ее простейшую интерпретацию и первичную визуализацию, — например, на карте. Эта система должна получать и спутниковую информацию с дистанционного зондирования, и информацию из тех мировых баз данных, которые пока еще доступны. Важным элементом системы должна быть возможность использования этих данных для решения разных прикладных задач — для моделирования разных региональных и глобальных процессов, для проверки глобальных и региональных моделей климата.
, профессор МГУ, метеоролог, член Экспертного совета при Министерстве науки и высшего образования РФ по вопросам развития технологий контроля углеродного баланса:Часто задают вопрос, почему полигоны не включают города: разве не из мегаполисов исходят главные выбросы? Однако антропогенные выбросы — это лишь малая часть от всех выделяемых природными наземными экосистемами и мировым океаном. Природные экосистемы не только выделяют парниковые газы, но и обладают мощнейшим потенциалом для их поглощения. Однако на фоне резкого роста антропогенных выбросов, из-за нарушения структуры землепользования и вырубки лесов, загрязнения вод мирового океана природа перестала с ними справляться. Прекрасно поглощают парниковые газы лесные экосистемы. Однако, чтобы леса оптимально развивались, ими надо управлять — и одной санитарной рубки недостаточно, необходим целый комплекс мер. Будущее за управляемыми экосистемами
Читайте также, как обстоят дела с юридическими вопросами беспилотного транспорта:
Использованные источники: Материал опубликован в журнале «Цифровой океан» № 20 (ноябрь-декабрь), 2023, Марина Ким, Елена Либрик / «Научная Россия», из архива Александра Чернокульского, из архива Александра Ольчева
