Сумма про антропогенные изменения климата — 2

Print PDF

 

В продолжение первой «суммы» расскажу, что стало известно нового про антропогенные изменения климата за последние несколько лет. В 2000-е годы общественные тревоги по поводу глобального потепления заставил провести массу исследований, относящихся не собственно к климату, а к биогеоценологии – именно, к роли наземных экосистем как хранилищ углерода, «выведенного из круговорота» на  большее или меньшее, но довольно значительное время.

«Хранилища углерода» и регуляция климата

Об этом есть хороший обзор Елены Букварёвой «Роль наземных экосистем в регуляции климата и место России в посткиотском процессе», я использую его и цитированные в нём работы.

Соответственно, чем активней экосистемы захоранивают углерод, чем старше соответствующий лес или болото, тем сильней их «охлаждающее» воздействие на климат.

См. годовой нетто-поток углерода, продукция фотосинтеза и дыхание сообщества по данным измерений в сосновых лесах разного возраста в Финляндии. [источник].

То есть наиболее молодые сосняки являются источником углерода, старея, они превращаются в стоки – если только не произойдут нарушения (см. ниже). А вот данные о чистой экосистемной продукции в лесах разного типа, оранжевые точки – в умеренных, зелёные — в бореальных.

[источник + рассказ по-русски].

Так вот, оказывается, что они это делают в такой степени, что действительно могут «охлаждать», ослабляя антропогенный «подогрев» — но лишь постольку, поскольку не нарушены антропогенным воздействием и в той степени, в какой не нарушены. А по мере развития сети нарушений (пожары, рубки с последующим гниением древесных остатков, осушение болот и переувлажнение лесов) они это свойство утрачивают или даже меняют на противоположное.

Так, данные измерений потоков СО2 между экосистемами и атмосферой, собранные по программе FLUXNET в самых разных биомах всего мира, показали, что во всех типах экосистем нарушение ведёт к повышению интенсивности дыхания, то есть превращает  биом в источник углерода, даже если раньше он был стоком. Во всех типах сообществ интенсивность дыхания линейно зависит от величины продукции фотосинтеза, но при одной и той же продуктивности нарушенные сообщества дышат значимо сильней ненарушенных. Поэтому соответствующие первым красные треугольнички располагаются на прямой, проходящей значимо выше, чем зелёные точки, соответствующие вторым.

[Источник].

При всех формах хозяйственного использования природных территорий (скажем, сведение лесов и осушение болот, с последующим превращением в сельхозземли и даже при осушении болот с последующей лесомелиорацией) этот углерод, выведенный экосистемами из круговорота, превращается в углекислый газ и в метан, и летит в воздух, работая на разогрев приземных слоёв атмосферы.

Что мы и видим при нарушениях естественных экосистем, скажем северных лесов и болот, пожарами, рубками, рекреацией или вспышками размножения насекомых. См. результаты моделирования динамики потока СО2 для управляемых лесов Канады на основании данных о нарушениях лесов и лесной статистики за 2000-2005 гг. 

После обширных пожаров и поражений насекомыми на рубеже веков в канадских лесах эмиссия углерода превысила его сток, и в дальнейшем прогнозируется  сохранение этого соотношения в связи с увеличением числа пожаров, вызванных изменением климата. [источник].

Скажем, выбросы углекислого газа в первые годы – и даже десятки лет — после пожара, происходящие, так сказать, в «хроническом режиме» существенно превышают его выбросы собственно во время пожара, то есть в «острой фазе». «Так, на охраняемой территории лесного фонда России в период 1990-2002 гг. эти потоки составили 10,2 и 0,9 Мт углерода в год соответственно» [Источник].

То же самое происходит в очагах поражения леса насекомыми-вредителями, где происходит массовое усыхание листвы и древесины, или на вырубках, где гниют всякие порубочные остатки и от разогрева активизируется почвенная микрофлора.

«В  России  между 1983  и 1992  гг.  управляемые  леса  на  европейской  части страны,  где пожары и  вспышки насекомых  частично  контролировались  лесной службой, были стоком 0,051 ГтС в год, а сибирские леса, где контроль различных  нарушений  обеспечивается  в  гораздо меньшей  степени,  были  источником  0.081–0.123 ГтC в год (IPCC, 2001a)…

По данным A. Fredeen с соавторами (2007), участки вырубок хвойного леса в (Британская Колумбия, Канада)  через 5-6  лет  продолжали  оставаться  источниками углерода. Во вторичных лесах (менее 20 лет) запасы углерода были достоверно  ниже,  чем  в  старых  лесах (140-250  лет)  вне  зависимости  от  типа  почвы. По  оценкам  этих  исследователей,  рубки  старых лесов в Британской Колумбии снижают запасы углерода в лесах на 41-54%.».

Соответственно, если до пожара старовозрастный бореальный лес является стоком углерода, то после пожара на много лет становится источником. То же верно и для изменений, связанных с осушением/увлажнением ландшафта – старый ельник или нетронутое болото служат стоками углерода, и работают на «охлаждение» климата. Но вот переувлажнение (тем более заболачивание) леса превращает его в источник углерода, также как и осушение болота, так что те и другие работают уже на «нагревание».

См. изменение потока СО2 при снижении уровня воды в болотах различных типов в Европе 

[источник].

Например,  в  Центрально-Лесном  государственном  заповеднике в Тверской области в период с 1999 по 2004 гг. в сухих местообитаниях ельники были стоком углерода, в переувлажнённых же – играли  источников, а главным фактором,  влияющим  на  баланс  углерода  заболоченных  лесов,  были колебания уровня воды.

Поэтому, «если учитывать процессы, происходящие в почвах, то нарушенные и восстанавливающиеся леса во многих случаях являются источниками углерода, а старые леса не только сохраняют уже накопленный углерод, но часто продолжают  аккумулировать  его  неограниченно  долгое  время (Ecosystems…, 2005; Nabuurs et al., 2007).

Эксплуатация и другие нарушения природных лесов неизбежно  сопровождаются  потерями  углерода (а  также  нарушениями  других функций  леса),  а  представление  о  том,  что  молодые  и  средневозрастные  леса оптимальны с точки зрения регуляции углеродного цикла, не совсем верно.

Наибольшие выбросы углерода происходят при нарушениях болотных и заболоченных  экосистем,  которые  содержат  наибольшее  среди  наземных  экосистем количество углерода на единицу площади – до 1400 т на га, в то время как для большинства лесов запасы углерода в биомассе и почве не превышают 400 Т на  га (Parish et al., 2008). В России  средний  запас  углерода для  лесных  земель составляет 205 тонн на га; для болот – 639 тонн на га (Sohngen et al., 2005)».

Надо сказать, что в жизненном цикле болот происходит своего рода «переключение» с преимущественного выделения метана на преимущественное захоронение органики и вывод углерода из круговорота. То есть пока болото молодо, процесс выделения метана превалирует над захоронением органики, когда оно становится старше, второй процесс преобладает всё больше и больше, и абсолютно доминирует над первым  после 100-250 лет и на протяжении всей последующей жизни болота – а если не будет нарушений, болота существуют тысячелетиями!

Важнейшие регуляторы климата — болота в структуре лесного ландшафта

Поскольку выделение метана оказывает «нагревающий» эффект, захоронение органики – «охлаждающий», то чем старше болото и чем лучше оно сохраняется в ненарушенном состоянии, тем значительнее его роль как климатического регулятора. Рисунок 1 показывает, что время переключения болот с преимущественно выделения метана на преимущественно выделение органики определяется природной зоной: тропические болота переключаются раньше, чем болота умеренной зоны, а те – чем бореальные, хотя вторые и третьи захоранивают органики больше.

 

 

Собственно, время образования самых древних торфяных залежей сопоставимо с таковым для залежей бурового угля, и цитированные исследования показывают, что пора уже торф считать минеральным топливом, а не органическим, вроде древесины. В своё время электростанции на торфе сделали много хорошего для промышленного подъёма всех северных стран – и РСФСР, и Финляндии, и Норвегии – но сейчас топить торфом и, соответственно, нарушать/ликвидировать последние крупные болотные массивы — это всё равно, что пускать в растопку стены и перекрытия собственного дома.

А вот после осушения болотные земли однозначно работают «на нагревание» — особенно если их превращают в сельскохозяйственные земли, но даже и в случае лесомелиорации, когда осушенное болото засаживают лесом, вроде бы связывающим углекислый газ. Хотя при осушении выделение метана сокращается, «охлаждающий» эффект этого процесса сильно перекрывается «нагревающим» эффектом от превращения в углекислый газ всего того углерода, который раньше был захоронен в торфе.

Кроме того, достаточно часто осушение болот отнюдь не прерывает выделения метана. Наблюдения в Западной Сибири и в Московской области показывают сохранение интенсивного выделения метана из дренажных канав осушаемых болот, с торфоразработок и даже с сенокосов на месте уже осушенных болот.

[источник].

На сильно осушенных болотах и в торфоразработках увеличение эмиссии углерода сильно перекрывает сокращение выделения метана; из-за глубокой аэрации торфяного слоя они надолго становятся мощным источником углерода. Удобрение торфяных земель ещё больше ускоряет разложение торфа и усиливает выделение CO2. Кроме того, осушение болот ведёт к торфяным пожарам, освобождающим огромное количество углерода. Экологическая реставрация осушенных болот (скажем, путём обводнения лесных участков или сельхозземель) восстанавливает их климатрегулирующие функции, но далеко не сразу.

Влияние лесомелиорации на климатрегулирующие функции территории более сложно, ибо включает противоположно направленные процессы: рост лесной биомассы увеличивает поглощение СО2, но в то же время из-за разложения торфа увеличивается и выделение СО2 из почвы. В начале срока существования каждой лесной плантации прирост биомассы деревьев сильно превышает утрату углерода в почве («охлаждающий эффект»), но потом рост леса замедляется и  затем прекращается, — при продолжении эмиссии углерода из почвы. Поэтому на больших временных интервалах выделение СО2 преобладает над поглощением, так что облечение торфяных земель нельзя считать эффективной мерой связывания углерода.

[источник].

Нарушение местообитаний мешают биоте регулировать климат

Отсюда понятна важность сохранения старых лесов и болот в ненарушенном состоянии, поскольку это единственные «оставшиеся в нашем распоряжении» регуляторы климата, противодействующие идущим антропогенным изменениям, а не работающие на их усиление. И следует вывод общего характера: «Стратегия  землепользования  и  интенсивность  нарушения  наземных  экосистем являются ключевыми факторами, определяющими, какую роль экосистемы будут играть – источника или стока углерода, от чего, в свою очередь, зависит динамика содержания парниковых газов в атмосфере». К сожалению, стратегия эксплуатации биомов планеты человечеством сейчас такая, что из стоков они всё больше превращаются в источники углерода, и «неусвоенного» метана/углекислого газа в атмосфере становится всё больше и больше.

 Маленькое отступление. Дополнительные выбросы парниковых газов, и в первую очередь углекислого газа с метаном, не могут не работать на разогрев, если только выброшенные газы не будут усвоены экосистемами суши или водами океана, поскольку законы физики не обманешь.

«Основной субстанцией в атмосфере, поглощающей земное излучение и посылающей встречное, является водяной пар. Он поглощает инфракрасную радиацию в широком интервале длин волн — от 4,5 мкм до 80 мкм, за исключением «окна» между 8,5 и 12 мкм, которое называется «окном прозрачности» атмосферы.

Помимо водяного пара в состав атмосферы входят углекислый газ (СО2) и другие газы, которые поглощают энергию в диапазоне волн 7—15 мкм, т. е. там, где энергия земного излучения близка к максимуму. Сравнительно небольшие изменения концентрации СО2 в атмосфере могут оказать воздействие на температуру земной поверхности. По аналогии с процессами, происходящими в оранжереях, когда проникающая сквозь защитную пленку радиация нагревает землю, излучение которой пленкой задерживается, обеспечивая дополнительный нагрев, этот процесс взаимодействия земной поверхности с атмосферой носит название «парникового эффекта».

 

А как я уже рассказывал раньше, поглотительная способность океана по отношению к углекислоте уже достигла предела, а аналогичная способность наземных экосистем, хотя ещё остаётся, однако сокращается как шагреневая кожа под действием самого потепления. В результате около 40% углерода, выброшенного в атмосферу с 1850 года, осталось не усвоенной, и работает на последующий разогрев.

А этот разогрев «неусвоенными» парниковыми газами вызывает вторичные отклики, ещё больше нарушающие естественные экосистемы, снижающие их способность не столько связывать фотосинтетически углерод, сколько выводить его из круговорота путём торфообразования, гумусообразования в почве, сохранения толстого слоя вечномёрзлых грунтов и т.п. «Выход в воздух» углерода, который в норме, при отсутствии антропогенных нарушений (и при наличии фоновых нарушений природного происхождения) был бы выведен из круговорота надолго, ведёт к ещё большим нарушениям структуры сообществ и т.п.

Положительная обратная связь замыкается и начинает крутиться; собственно, в происходящих изменениях климата наиболее опасны не сами изменения, а их положительный синергизм с деятельностью человека по нарушению/изменению/хозяйственной эксплуатации лесов-лугов-полей-болот и других природных сообществ.

По своему «климатическому эффекту» эмиссия углерода вследствие антропогенных нарушений лесов-болот-вечной мерзлоты (или перевода соответствующих территорий в сельхозземли или под городское строительство) сопоставимы с глобальным сжиганием топлива или даже дают более мощный поток двух главнейших парниковых газов – CO2 и метана. Разница только в том, что в отличие от эмиссии углерода при сжигании топлива, от эмиссии, связанной с нарушением природных сообществ, человек не получает никакой пользы.

Иными словами, захоронение углерода с выведением его из круговорота есть функция ненарушенности структуры лесной и болотной экосистемы на больших территориях, и этот процесс влияет на климатические изменения много сильней и направленней, чем фотосинтетическое связывание выделившегося углекислого газа, зависящее от физиологии отдельных растительных особей.

Что красиво подтверждает целостность экосистем: одна из важнейших функций живого покрова планеты – регулирование углеродного цикла и глобального климата –  больше зависит от ненарушенности сообществ, чем от физиологической эффективности особей, составляющих сообщество, и всегда и везде уменьшение первого не может быть компенсировано за счёт второго.

И действительно, надежды на увеличение продуктивности растительности за счёт «удобрения углекислым газом», видимо, не обоснованны.

В том числе потому, что на протяжении последних 30-40 лет, когда тенденции к потеплению проявились явственно, выяснилось падение эффективности использования растительностью тех дополнительных климатических ресурсов, которые ей даёт потепление – вместо увеличения, на которое рассчитывали оптимисты.

Во-первых, падает индекс  эффективности  использования  суммарных температур (величина  фотосинтетической  продукции,  приходящаяся  на  один градус суммы годовых температур). Он сильней всего снизился в бореальной зоне, то есть северные экосистемы не могут приспособиться к быстрому росту температур (их продукция не растет или растет непропорционально  медленно). Падает также и индекс эффективности  использования  осадков (величина продукции на единицу выпавших осадков), но уже не только в бореальной зоне, но и во многих местах в тропиках.

См. территории, где с 1981 по 2003 гг. наблюдалось снижение эффективности использования климатических ресурсов: а) изменение NDVI на 1 градус суммарных годовых температур; б) снижение NDVI на 1 мм осадков 

[источник].

Если исключить территории, где были сильные засухи, то это свидетельствует о деградации самих экосистем, вызванной антропогенными нарушениями, обширными пожарами или другими факторами. Площадь таких территорий достаточно  велика  и  в  общем,  они совпадают  с  регионами,  где с 1991 г. фиксируется наиболее  сильное снижение продуктивности. Если в 1990-х гг. последнее отмечено на 15% территории суши, то в начале 2000-х гг. — уже на 24%. Самое сильное падение продуктивности отмечено в

- Африке к югу от  экватора;

- Юго-Восточной Азии (Индокитай и Малайский архипелаг);

- южная часть Китая;

- север и центр Австралии;

- зона травянистых  сообществ  Южной  Америки;

- отдельные  районы  бореальных  лесов  Северной  Америки  и Сибири 

[источник].

Сейчас «к этому списку, видимо, следует прибавить Амазонию, где сильнейшая засуха 2005 г. привела к превращению тропических лесов этого региона из поглотителей углерода в его источник» [отсюда].

Когда человек впервые «сломал» биотические регуляторы климата?

То есть задолго до нас биосфера создала естественные регуляторы климата, работой которых последний поддерживался в состоянии динамической устойчивости. Что и позволяло проявляться естественной цикличности климата, не искажённой антропогенным воздействием; её мы наблюдаем примерно с глубины 400000 т.л. назад (с несколько меньшей точностью – с глубины 800000 т.л.) примерно до 5-8 тыс. лет назад. А вот потом человеческое общество, развиваясь, стало настолько мощной природопреобразующей силой, что эти регуляторы сломало – и начались антропогенные изменения климата.

В последние годы удалось выяснить, что это событие (фактически начало того самого «глобального потепления», которого сейчас боимся) произошло не 200 лет назад, когда рост концентрации парниковых газов стал быстрым и явственным, но аж 5-7 тыс.лет назад, и с этой временной глубины климатическая динамика уже не вполне природная, но в значительной степени антропогенная.

Как известно, до начала существенного воздействия человека на климат он циклически менялся, переходя из прохладной-влажной фазы в сухую-тёплую. И одновременно с этим изменялись концентрации двух главных парниковых газов — CH4 и CO2 - в точном соответствии с предсказаниями теории о разогреве под действием парникового эффекта.

Данные анализа газового состава воздушных пузырьков в ледяных кернах, взятых из антарктических и гренландских ледников показывают, что  сопряжённость кривых температурных изменений и изменений концентрации парниковых газов именно такая, какая должна быть, если

1) разогрев производят именно парниковые газы,

2) дополнительное выделение/поглощение опосредует действие причины, выступающей водителем ритма, на собственно отклик в виде климатических циклов. См. Реконструкция изменений температуры относительно среднего значения за последние 420000 лет, концентрации СО2  и метана по данным бурения.

[Отсюда, с изменениями]

Другое дело, что до начала антропогенных влияний причина климатической циклики, как известно, была космической — так называемые циклы Миланковича.

 «В соответствии с гипотезой Миланковича полушария Земли в результате изменения ее движения могут получать меньшее или большее количество солнечной радиации, что отражается на глобальной температуре. Миланкович выделил три элемента движения. Один — колебания земной оси. Если смотреть на ось сверху, то оказывается, что она описывает в пространстве круг за 25 тыс. лет, т. е. как бы покачивается по отношению к Солнцу. Второй — изменение наклона земной оси по отношению к плоскости орбиты (эклиптики). Такие изменения происходят с периодичностью 41 тыс. лет и достигают 3°. Третий элемент движения связан с изменением формы орбиты. Каждые 100 тыс. лет она изменяется от почти круговой до несколько вытянутой — эллиптической. При этом различие в удалении от Солнца составляет около 5 млн.км.

Рассчитав совместное влияние всех трех факторов, Миланкович смог определить периоды, когда те или иные широтные зоны Земли получают наименьшее количество солнечного излучения. Эти периоды, по-видимому, и должны соответствовать периодам формирования и развития ледников в Северном полушарии.

Действительно, проведенное в 1976 г. изучение колонок глубоководных морских осадков, относящихся к последним 500 тыс. лет, подтвердило наличие флуктуаций объема льда с периодичностью в 100, 41, 24, 22 и 19 тыс. лет [11].» [Отсюда].

Как я уже говорил, модель Миланковича отлично объясняет периодические изменения климата на временном интервале примерно от 400 000 лет назад до 5 000-8 000 лет назад. А вот 5 000-8 000 лет назад  в этой природной циклике (температуры, концентраций) фиксируется первый серьёзный сбой. Исходя из циклов Миланковича, содержание парниковых газов должно пойти вниз, увлекая за собой температуру, то есть ожидается понижательная фаза цикла. Однако нет, концентрации СО2 и СН4 пошли не вниз, а вверх, дав тем самым первый существенный сбой естественных изменений климата. См. рисунки 2 и 3 

 

 [источник].

Единственное разумное объяснение этому — что именно тогда человек впервые в своей истории «переломил» естественные изменения климата, добавив парниковых газов антропогенной природы. Именно тогда антропогенные источники метана и углекислого газа впервые стало существенным в связи с распространением рисовых полей в восточной части Ойкумены и массовым возделыванием пшеницы — в Западной, плюс обезлесение в обоих случаях. И действительно, именно в это время, по данным споропыльцевого анализа, пыльца лесных деревьев на больших площадях резко сменяется доминирующей пыльцой сорных трав и одновременно фиксируется существенное увеличение выноса твёрдого материала реками.

Всё это говорит о распространении сельскохозяйственных земель при сокращении лесов, впервые охватившем большие площади, и выделении парниковых газов в связи как с первым, так и со вторым. Впервые в истории оба процесса стали настолько мощными, что смогли исказить естественную циклику климата. Следовательно, антропогенные изменения последнего впервые стали существенны не 150 лет назад, а намного раньше. Действительно, современные изменения климата и сопряжённые с ними изменения концентрации парниковых газов по амплитуде сопоставимы с теми, которые зафиксированы в геологической истории, но вот по скорости на 3 порядка опережают их.

Работа Ruddiman, 2003 показывает, что все климатические циклы от рубежа 5-8 тысячелетия до современности (об их реконструкции см. у В.Г.Кривенко) уже сильно искажены антропогенным «подтоком» парниковых газов, сопряжённым с растущим нарушением естественных экосистем. Степень такой искажённости нарастала по экспоненте (начальный этап которой мы просто не видели до исследований, цитированных в книге), а с началом промышленной революции антропогенное искажение возобладало, дав тем самым повышательный тренд, который и описывается словами «глобальное потепление».

Иными словами, антропогенное изменение климата началось не вчера, и не 200,а 5000 лет назад, а в последние десятилетия оно лишь «набрало скорость». Проблема, собственно, в том и состоит, что антропогенное нарушение климатической машины давно пересилило её естественный ход и реакция пошла по нарастающей.

Разумная альтернатива «Киотскому протоколу»

Отсюда ясна бессмысленность и вредность Киотского протокола, который вообще не рассматривает самую важную сторону дела – именно роль сохранения значительных массивов ненарушенных экосистем для противодействия климатическим изменениям, также как роль захоронения углерода в последнем. Сейчас уже совершенно понятно, что в виду предотвращения климатических изменений сохранение лесных, степных и болотных экосистем в их естественном состоянии на больших территориях должно вознаграждаться как минимум также (а реально – и в большей степени), нежели сокращение выбросов парниковых газов и лесопосадки для связывания последних. Более того, сохранение малонарушенных природных сообществ, «охлаждающим» образом воздействующих на климат это как раз то самое, что зависит от политики национальных правительств, их/способности/неспособности контролировать собственную территорию.

Напротив,  выбросы парниковых газов, переоборудование промышленности в сторону уменьшения их удельного выбора и/или лесопосадки (то самое, что регулирует Киотский протокол) определяется хозяйственной активностью корпораций и частных лиц, зачастую протекающей в таких формах и в таких районах планеты, что никак не проконтролируешь и не оценишь реальные цифры и их соотношение с написанными в красивых отчётах. А вот наличие малонарушенных экосистем на конкретных территориях, выделенных для их сохранения, эффективность их функционирования и наличие/отсутствие нарушений (от тех же пожаров, тропинок и вспышек размножения насекомых) легко контролируется спутниковыми технологиями.

Отсюда просматривается следующее решение климатической проблемы – сделать упор на захоронение углерода и другие способы вывести его из круговорота, не ограниваясь только сокращением выбросов парниковых газов и связыванием углерода растительностью (то и другое по преимуществу – Сизифов труд). И для этого в первую очередь сохранять большие массивы малонарушенных лесов и болот, которые к тому приспособлены самой природой, а нарушенные восстановить, чтобы могли выполнять климатрегулирующие функции в полном объёме. И вместо квот на выбросы и тем более вместо свободно-рыночной торговли квотами нужно распределение квот на «делёж» углеродного пирога, примерно такое же, как распределение квот на вылов рыбы, чтобы нагрузка на популяцию была неистощительной.