Простые ответы на сложные вопросы по климату

Есть теория, что леса настолько сильно влияют на круговорот воды, что именно массовая вырубка лесов привела к потеплению. На местном уровне это, конечно, важный фактор, но глобально он не значим. Давайте посмотрим на суть теории. У леса из-за обилия листьев огромная поверхность испарения, водяной пар поднимается и конденсируется в верхних слоях атмосферы. Воздух там становится более разреженным, над покрытой лесом сушей образуется восходящий поток, что приводит к горизонтальному подсосу влажных воздушных масс с океана. Получается своего рода насос. Если лес вырубить, то становится гораздо суше и жарче. В качестве примера приводится лесной Север Евразии и пустынная Австралия. Теория сильного влияния лесов на климат активно изучалась и обсуждалась, в частности, в Институте географии Российской академии наук, еще с 1950-х годов и вплоть до 2000-х, когда стало совершенно ясно, что глобальный эффект отсутствует.

Глобально теория насоса просто не отвечает данным натурных наблюдений. Горизонтальные движения воздушных масс определяются фронтами, циклонами и антициклонами. В атмосфере действительно есть горизонтальные токи влаги, но, прежде всего, океанские. Они образуются над океаном, а по расходу воды в 10 и более раз превосходят Амазонку. Когда пришло понимание величины энергетических потоков, стало ясно, что глобально климатообразующая роль лесов в 10–100 раз меньше антропогенного усиления парникового эффекта. При этом сведение лесов увеличивает отражение солнечного излучения, и это немного охлаждает Землю, примерно на 0,1⁰С. Поэтому, образно говоря, леса на планете растут там, где позволяет климат и его главное звено – океан, а не наоборот.

В то же время, локально важная климатообразующая роль лесов и крупных водоемов не вызывает сомнения. Ее учет очень важен для региональных прогнозов, в частности, по внутримассовым, то есть по не связанным с циклонами, осадкам в летний период.

Подробнее в лекции Изменения климата: естественные факторы. Изменения климата в прошлые эпохи и в последние столетия. Глобальное потепление последних 30-40 лет – экспериментальный факт. 4.7. Что греет, а что охлаждает нижние слои атмосферы?

Сжигание любого топлива с образованием СО₂ означает, что к атому углерода присоединились атомы кислорода, взятые из воздуха. По химии все верно, кислорода становится меньше. Однако по абсолютной величине концентрации этих газов столь различны, что эффекты совершенно разные. Раньше, в доиндустриальную эпоху, СО₂ в атмосферном воздухе было 0,028%, а сейчас стало более 0,04%. Рост уже более, чем на 30%, а в перспективе – удвоение доиндустриальной концентрации, по самым худшим сценариям глобального потепления – утроение. Доля кислорода в воздухе 21%, то есть в 500 раз больше. Поэтому изъятие практически не сказалось на его запасе в атмосфере. Было 1 200 000 млрд тонн, а сейчас незначительно меньше, темпы снижения – около 200 млрд за 10 лет. За 50 лет это меньше, чем на 0,1%, что никак не влияет на людей и другие живые организмы. Такое снижение гораздо меньше уменьшения концентрации кислорода с изменением высоты, даже совсем небольшим, метров на 100.

В то же время снижение идет, леса и океаны не компенсируют антропогенные потери кислорода. Не они, а огромный запас кислорода в атмосфере, накопленный в прошлые эпохи, является легкими планеты. Лес – легкие города только в переносном смысле, он чистит воздух от загрязняющих веществ, но образующийся в нем кислород нам не важен. Мы все дышим кислородом прошлых эпох и его с запасом хватит на тысячи лет, что несоизмеримо больше любых сроков прекращения использования человеком ископаемого топлива. Проблемы кислорода в воздухе нет, но она есть в воде, в озерах и морях, где глобальное потепление приводит к более частым случаям гибели рыбы от недостатка кислорода. Так что проблема кислорода с изменениями климата связана, и о ней надо говорить, она очень серьезная, только существует не в воздухе, а в воде.

Подробнее в лекции Изменения климата: естественные факторы. Рост числа экстремальных явлений (на примере морских волн тепла). Влияние изменений климата на морское биоразнообразие, рыбные запасы и уловы.

Молекулы СО2 в атмосфере не разрушаются, не вступают в какие-либо химические реакции. В этом их принципиальное отличие от метана, который в атмосфере разлагается, а его молекулы находятся в воздухе в среднем лишь 12 лет. СО2 в воздухе «вечен», но он поглощается наземными экосистемами в процессе фотосинтеза, а также захватывается океаном при газообмене на его границе с атмосферой. В сумме получается, что примерно половина антропогенных выбросов СО2 сейчас поглощается лесами и океаном, вклад первых немного больше, а вторых немного меньше одной четвертой. Океан и леса могли бы поглотить и все выбросы, но не успевают: человек сжигает уголь, нефть и газ, а это 80–90% выбросов СО2, быстрее, чем растут леса и фитопланктон. Когда энергетика станет «зеленой», в определенный момент наступит баланс, леса и океан смогут полностью поглощать сильно сократившиеся антропогенные выбросы.

При этом океаны будут играть все более важную роль, так как леса растут лишь какое-то время. Конечно, часть углерода из отмерших растений будет надолго сохраняться в почве или в виде торфа, но это очень медленные процессы. Основная часть лесного углерода вернется в атмосферу при отмирании деревьев и разложении древесины. Безусловно, человек может хранить этот углерод в виде зданий и изделий, но всему есть предел. Океан же – гигантская, почти бесконечная «емкость» для СО2. Посмотрим, что в нем происходит. Пройдя через границу вода-воздух и находясь в морской воде, молекулы СО2 либо переходят в другие химические соединения – НСО3 и СО3, либо служат пищей для фитопланктона. Далее, грубо говоря, молекулы СО2 разделяются на кислород и углерод. Первый возвращается в воду, а второй накапливается в растущем фитопланктоне. Он, в свою очередь, растет, дышит и отмирает – тоже выделяет СО2, поедается зоопланктоном и другими морскими организмами. В конечном счете, углерод в виде скелетиков морских организмов попадает на дно и там остается навсегда. Углерод вернется в землю, но уже не в виде угля или нефти, а в виде мрамора и других осадочных пород.

Подробнее в лекции Изменения климата: антропогенные воздействия. Антропогенные потоки СО2 и его природный круговорот.

Глобально температура воздуха в последние две тысячи лет по естественным причинам менялась в пределах 0,50С. Этого было недостаточно для глобальных сдвигов биоты и изменения ее дыхания, которые бы существенно повлияли на концентрацию СО2 в атмосфере. В последние две тысячи лет она была стабильна, это точно определяется по ледниковым пробам разного возраста, прежде всего, в Антарктиде и Гренландии. Однако все изменилось с началом индустриальной эпохи. Началось сжигание ископаемого топлива, и одновременно концентрация СО2 пошла вверх. Сейчас она составляет уже не 0,028%, а более 0,04% – корреляция явная, но для полного доказательства этого мало. На помощь пришел изотопный анализ.

В далеком прошлом, при образовании угля, нефти и газа СО2 из атмосферы изымался, а атомы углерода миллионы лет хранились глубоко под землей. За это время содержание нестабильного изотопа С14 в топливе снизилось до нуля. Меньше в ископаемом топливе и стабильного изотопа С13. В эпоху образования ископаемого топлива растения захватывали С13 в ином соотношении с главным стабильным изотопом С12. На С12 приходится 99% атомов С в СО2, на С13 – 1%, а на С14 – малая доля, но этого совершенно достаточно для очень точных измерений. Они показывают, что сейчас идет процесс обеднения атмосферного СО2 изотопами С13 и С14, причем именно соответствующее объемам и динамике сжигания ископаемого топлива. В современных растениях, планктоне и других живых организмах соотношение изотопов иное. Изотопный анализ – очень надежный метод, и его применение не оставляет сомнений в происхождении основной части – 80-90% нынешних «излишков» СО2 в атмосфере. А в целом рост концентрации СО2 дает примерно 75% антропогенного усиления парникового эффекта.

Аналогичные, хотя и не столь однозначные выводы касаются и повышения концентрации в атмосфере метана СН4. Изотопный состав его атомов С также говорит о большой роли сжигания ископаемого топлива. Она составляет примерно треть от общего усиления парникового эффекта за счет увеличения концентрации метана, равной около 18%.

Подробнее в лекции Изменения климата: антропогенные воздействия. Резкое увеличение концентрации СО2 антропогенного происхождения. Антропогенные потоки СО2, его поглощение и природный круговорот.

При росте в воздухе концентрации СО2 фотосинтез усиливается почти у всех растений. Однако рост, как правило, идет только до концентрации СО2, равной 600–800 объемных частей на миллион (ррм), дальше наступает «насыщение», роста уже почти нет. В доиндустриальную эпоху было около 280 ррм, а сейчас уже более 400, что, конечно, усилило фотосинтез, но усилило и дыхание растений. Живая биомасса растет, но и отмирание растет, а разложение органики при более высокой температуре идет быстрее. Здесь важен нетто-результат, сколько в итоге поглощается из атмосферы. Лет 50 назад нетто-поглощение антропогенного потока СО2 наземными экосистемами было раза в 2 меньше, чем сейчас, но и поток СО2 в атмосферу от сжигания ископаемого топлива был раза в 2 меньше. В прошлом главным антропогенным источником СО2 было землепользование, в основном сведение лесов. С 1960-х годов главное – сжигание ископаемого топлива, но сведение лесов продолжает давать не меньше, чем в прошлом. Сейчас баланс такой: океан и наземные экосистемы поглощают половину антропогенного потока СО2 в атмосферу, примерно поровну, а вторая половина остается – накапливается в атмосфере.

Отклик биоты на изменение температуры всегда был важным фактором. Моделирование показывает, что если бы во время ледниковых периодов концентрация СО2 не снижалась, не уменьшался бы парниковый эффект, то температурные изменения бы были меньше и даже их динамика была бы несколько другой. Однако в более холодном климате концентрация СО2 падала примерно до 200 ррм. Когда это закладывается в модели, они хорошо воспроизводят то, что было в действительности.

В XXI веке дальнейшее увеличение концентрации СО2, в принципе, может значительно увеличить интенсивность фотосинтеза, в худшем случае максимальных антропогенных выбросов, раза в 2 раза, но и дыхание увеличится, и разложение возрастет. Есть и более сложные обратные связи. Вероятно, в итоге доля антропогенного СО2, остающегося в атмосфере, изменится не сильно.

Гораздо больший эффект может дать посадка лесов, восстановление той растительности, которая была за Земле столетия назад. Конечно, углеродная емкость наземных экосистем ограничена. Если восстановить все леса планеты, то в какой-то момент они полностью вырастут и поглощение станет равным разложению биомассы (в этом отличие от океана, где есть вечный «сток» углерода в виде донных отложений скелетиков морских организмов). То есть леса могут дать временную, но очень важную передышку мировой энергетике и экономике в деле снижения выбросов. Если к этому добавить то, что леса нам нужны и сами по себе, как просто нужна природа, то понятно, охранять, сажать и восстанавливать леса, конечно, надо.

Подробнее в лекции Антропогенные воздействия. Антропогенные потоки СО2 и его природный круговорот. Антропогенные потоки СО2 и их поглощение.

При рубке на лесосеке остается много остатков – веток, хвои, вершин деревьев, нетоварных частей стволов. Они либо сжигаются, либо постепенно гниют. В любом случае это эмиссия СО2. Повреждается и почвенный покров, что ведет к разложению органического углерода и эмиссии СО2. Вывезенная древесина тоже в немалой степени идет в отходы (опилки, щепа, горбыль и т. п.), которые либо сжигаются, либо гниют. Насколько велика эмиссия зависит от того, как рубят и как используют. Экологически грамотное ведение лесного хозяйства подразумевает полное или почти полное использование всей биомассы (делаются топливные брикеты, гранулы, щепа для панелей и т. п.), а также аккуратные рубки с минимальным повреждением почвы и молодых деревьев. Сжигание топлива из биомассы, конечно, тоже эмиссия СО2, но если это топливо замещает уголь, торф или газ, то положительный эффект налицо. Иначе будет эмиссия и от сжигания ископаемого топлива, и от разложения или «кострового» сжигания порубочных остатков и отходов. Немаловажна и «судьба» изделий из древесины, от бумаги до мебели и строительных материалов: если все не гниет, а идет в переработку, даже на топливо, замещающее уголь или газ, то выбросы СО2 минимальны.

Подробнее в лекции Антропогенные воздействия. Антропогенные потоки СО2 и его природный круговорот.

Действительно, лес отражает гораздо меньше солнечного излучения, чем открытые пространства, в том числе и вырубки. Человек вырубил леса. На их месте теперь поля, города и, увы, обширные засушливые области, почти лишенные растительности. Это хуже и для природы, и для жизни людей, но альбедо – отражающая способность планеты – несколько возросла. Этот эффект оценивается как охлаждение примерно на 0,1⁰С.

В то же время усиление человеком парникового эффекта уже составило более 1,5⁰С. Причем вырубка лесов, сжигание и гниение древесных остатков, то есть поступление запасенного в лесу углерода в виде СО₂ в атмосферу, дает в эти 1,5 градуса немалый вклад. Он оценивается как 0,2-0,25⁰С, гораздо больше климатической «выгоды» от увеличения альбедо. Так что леса лучше вырубок и для природы, и для климата.

Подробнее в лекции Изменения климата: антропогенные воздействия. Антропогенные потоки СО2 и его природный круговорот.

Следствием изменения климата можно назвать не все пожары и не сами пожары. Пожаров становится больше, и эта разница обусловлена несколькими факторами. Тут, конечно, и наше поведение, и недостаточное тушение пожаров, но есть и климатический фактор. Он выражается в большей пожарной опасности лесов, точнее, в более длительных периодах, когда сухо и жарко. Температура растет, но неравномерно, больше температурных аномалий, когда в тот или иной месяц или даже все лето на 5, а бывает и больше градусов жарче «нормы» – того, что в среднем было в 1961–1990 годах. Изменяется режим выпадения осадков: не обязательно, что их существенно больше или меньше, может быть и столько же, как в прошлом, но выпадают они более неравномерно – то сушь, то зальют дожди.

Пожарная опасность рассчитывается Росгидрометом по индексу Нестерова. Это, упрощенно говоря, нарастающая сумма температур выше некоего порога и в период без существенных осадков. Далее считается число дней с индексом Нестерова более 1000. Прогнозы однозначно говорят о росте числа таких дней, удлинении периода пожарной опасности лесов. Во второй половине века особенно неблагоприятной может стать ситуация в Южной Сибири и по худшему сценарию глобальных антропогенных выбросов парниковых газов. Тогда действительно придется говорить, что пожары из-за климата, а сама ситуация будет близкой к катастрофической. В то же время, по умеренному сценарию выбросов, когда к концу XXI века глобальная температура возрастет не более чем на 2,5 градуса от XIX века, картина гораздо легче. Тоже очень много проблем с пожарами, но не до катастрофических масштабов. Это еще один пример того, что России очень важно, чтобы мир пошел хотя бы по умеренному сценарию выбросов, тогда и с лесными пожарами будет гораздо легче.

Подробнее в лекции Весь мир и Россия. Тренды и прогнозы. Изменение пожарной опасности лесов.

Чрезвычайной пожароопасностью лесов называют один из видов опасных метеорологический явлений. Когда на той или иной территории наступают определенные погодные условия, то чрезвычайная пожароопасность объявляется независимо от того, какие там древесные породы, много ли в лесу сухостоя и валежника, есть ли противопожарные полосы, какова готовность пожарных служб и многое другое, от чего зависит возникновение и распространение пожаров. Это сугубо метеорологический параметр, который определятся индексом Нестерова. По сути дела, это нарастающая сумма произведения температуры и сухости. Температура в ⁰С берется в 12 часов местного времени, а сухость – как разница между температурой и точкой росы. Точкой            росы называют температуру, ниже которой атмосферная влага конденсируется в виде капелек. Она сильно зависит от влажности воздуха. Например, при 30⁰С при 55% влажности – точка росы – 20⁰С, а при 30% – 10⁰С. Тогда жаркий и сухой день даст 30*(30-10) = 600 очков. Если погода стоит неизменной, то каждый день добавляет 600. Опыт показывает, что небольшой дождь не спасает, поэтому если осадки менее 2,5 мм в день, то они не считаются и продолжается накопление очков. На 17-й день сумма достигает 10 тысяч и объявляется чрезвычайная пожарная опасность. Посмотрите, это действительно опасность чрезвычайная, после более двух недель сухой жары.

Есть и другие уровни опасности, например, когда 25⁰С при 60% влажности, то уже через 5 дней наступает высокая пожарная опасность (индекс Нестерова более 1000), которая может сохраняться длительное время. Рост числа дней с высокой пожароопасностью прогнозируется однозначно, а во второй половине века сильно зависит от сценария глобальных выбросов парниковых газов. По худшему сценарию на юге Сибири и на Кавказе рост составит более 50 дней. А на других обширных лесных территориях рост будет 20–30 дней. По умеренному сценарию ожидается гораздо меньший рост: на 10–20. К этому надо добавить вероятное широкое распространение вредителей и болезней леса. Явно потребуются гигантские лесохозяйственные меры. Поэтому для России очень важно, чтобы мир пошел не по худшему, а хотя бы по умеренному сценарию выбросов.

Подробнее в лекции Весь мир, Россия и Арктика: тренды и прогнозы. Изменение пожарной опасности лесов.

Слова «климатический донор», в принципе, применимы ко всем странам, у которых есть большие лесные массивы. Наземные экосистемы, прежде всего леса, как поглощают СО₂ из атмосферы, так и выделяют. Потоки огромные, туда и обратно примерно по 440 миллиардов тонн в год. При повышении человеком концентрации СО₂ в атмосфере экосистемы начинают поглощать больше, чем выделять. Средняя оценка разницы – чистого поглощения 12, а диапазон оценок 9–14 миллиардов тонн в год. Еще от 7 до 11 миллиардов ежегодно поглощает океан. Тем самым, антропогенные выбросы СО₂, а это 41 миллиард тонн, примерно на половину поглощаются «климатическими донорами» – лесами и океанами. На долю лесов России, возможно, приходится где-то 2,5 миллиарда, именно такую цифру озвучивал наш президент. У сильно урбанизированных или пустынных стран такого нет, относительно них мы, можно сказать, доноры. Но наше «донорство» –лишь 20% от мирового, остальное приходится на Бразилию, Индонезию, Заир и многие другие страны.

Заработать на этом никак нельзя. В ООН принято считать не общее поглощение, а лишь прямо обусловленное деятельностью человека. Это же относится и к выбросам, причем всех парниковых газов, а не только СО₂. Тогда у России такой баланс: выбросы равны 2,1, а поглощение примерно 0,5 миллиарда тонн. Здесь донорства нет. Впрочем, цифру 0,5 сейчас очень критикуют, она действительно известна лишь большой неопределенностью, не менее плюс-минус 30%. Говорят также, что эта цифра очень занижена, что на деле поглощение составляет 1 или даже более 2 миллиардов. В свете наших пожаров и отсталой практики лесного хозяйства, это сомнительно. Но даже если это так, то заработать все равно нельзя. В мире нет единой системы торговли квотами, а межгосударственные сделки в ближайшие 20–30 лет ожидаются лишь в крайне малых масштабах и в виде поддержки наиболее слабых стран. Просто потому что все крупные страны, ЕС, США, Китай, Бразилия и другие решили к 2050–2060-м годам достичь углеродной нейтральности на своей территории, без внешних закупок.

Так что на «донорстве» не заработаешь, а вот на специальных проектах по снижению выбросов или их поглощению лесами – можно. О системе таких проектов и говорит недавно принятый Федеральный закон о снижении выбросов парниковых газов: ее надо организовать, проекты сертифицировать по международным стандартам, а созданный ими новый товар – единицы снижения выбросов – продать. Это будет рынок и покупатель – компании, которые хотят снизить углеродный след своей продукции, еще будут выбирать, у кого купить. А сами компании будут ориентироваться на конечного потребителя в Европе и в других странах. Дело будет не простое, но очень нужное.

Подробнее в лекции Изменения климата: антропогенные воздействия Антропогенные потоки СО2 и его природный круговорот. Изменение пожарной опасности лесов. Парижское климатическое соглашение. Как снизить выбросы парниковых газов?