Леса принято называть «лёгкими планеты»: в процессе фотосинтеза они поглощают из атмосферы углекислый газ (СО2, или двуокись углерода) и выделяют кислород. Молодой, растущий лес активно переводит атмосферный углекислый газ в древесину. С увеличением возраста дерева этот эффект уменьшается и постепенно сходит на нет. Дерево умирает, становится пищей для бактерий, и бактерии возвращают СО2 в атмосферу. Таёжные пожары Северного полушария считаются обычным и даже положительным явлением, ведь огонь освобождает леса от старых деревьев и даёт возможность развиваться молодняку и поглощать СО2. Выделяемые пожарами парниковые газы, в первую очередь углекислый газ, таким образом, — часть естественного глобального углеродного цикла.
Сказанное, однако, справедливо только в условиях устойчивого климата. Под воздействием деятельности человека климат меняется, например, растёт температура, что приводит к росту интенсивности и количества засух, способствующих пожарам. Вклад природных пожаров в углеродный баланс может расти. Двуокись углерода и другие продукты горения добавляются к антропогенному СО2 и усиливают рост температуры. Это называется «положительной обратной связью».
В последние годы таёжные леса России (а также США и Канады) горят на огромных площадях, и эти площади всё увеличиваются. И тут встаёт вопрос, сколько же они выделяют парниковых газов в атмосферу? Углекислый газ — результат полного сгорания углерода. В условиях недостатка кислорода, например при горении торфа, существенная часть торфяной органики окисляется до моноксида углерода (СО), в просторечии — угарного газа. Кроме того, при высокой температуре почвенная органика может разлагаться до метана (СН4), второго по важности парникового газа после СО2.
По существующим данным1, при горении бореальных лесов (то есть лесов умеренных и холодных широт) на один килограмм СО2 выделяется 85 г СО и около 4 г метана. При торфяных пожарах выделяется 123 г СО и около 12 г метана на килограмм СО2. Однако нужно учитывать, что тепловой эффект, создаваемый СН4 для временнóго масштаба 20 лет, в 72 раза выше, чем эффект такого же количества углекислого газа2. Поэтому выброшенные 4 г и 12 г СН4 эквивалентны выбросу 288 г и 864 г СО2 для лесных и торфяных пожаров, соответственно. Мы видим, что парниковый эффект метана, образовавшегося при горении торфа, практически такой же, как и для СО2.
Оценка количества парниковых газов, выделяемых природными пожарами, в особенности в Сибири с её просторами и крайне редкой сетью наблюдений, не столь проста. Можно идти двумя путями. В первом случае площадь сгоревших лесов определяют по спутниковым наблюдениям в видимой и ближней ИК-областях спектра. Количество органического углерода в сгоревшей биомассе на данной территории можно оценить по имеющимся, хотя и редким, сетевым наблюдениям. Количество газообразных продуктов горения в расчёте на килограмм сухой биомассы зависит от типа пожара — верхового, низового, торфяного и т. п. Для простоты методики такого рода называются «bottom-up» (снизу вверх). Такой путь расчётов выбрала научная группа Амстердамского свободного университета (Vrije Universiteit Amsterdam, Нидерланды) под руководством доктора Гвидо ван дер Верфа (Guido van der Werf).
Другой путь оценки величины эмиссии парниковых газов основан на измерениях их концентраций в атмосфере: наземных, самолётных или спутниковых. Принято называть эти методики «top-down» (сверху вниз). Преимущество спутниковых измерений концентраций перед остальными — глобальный охват. Спутниковые спектрометры измеряют спектры излучения поверхности Земли в средней ИК-области или отражённого солнечного излучения в ближней ИК-области. Для пересчёта спектроскопических данных в концентрации газов, а затем в скорости эмиссии разрабатываются специальные программы. Основной недостаток спутниковых методов — невысокая точность. Недостаточная чувствительность спектральных измерений для нижних слоёв атмосферы требует внесения поправок на основе сравнения с данными более точных наземных спектрометров. Кроме того, облачность и дым от пожаров (аэрозоль) также искажают данные о концентрации выброшенных газов. Поэтому комбинация этих двух независимых подходов для исследования эмиссий парниковых газов представляется наиболее надёжным источником информации такого рода.
В этой статье использованы данные измерений оксида углерода СО с помощью орбитального спектрометра AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) на спутнике Aqua, запущенном NASA в 2002 году. Это один из наиболее длительных рядов наблюдений за атмосферой на сегодняшний день. Программы обработки его спектральных данных с целью измерения температуры, влажности, облачности и других параметров на разных высотах в тропосфере созданы в Центре космических полётов им. Годдарда, США (NASA, Earth Observation Data). Эти программы постоянно совершенствуются, последняя версия — уже седьмая по счёту. Данные обработки, включая вертикальные профили концентраций метана и СО, доступны исследователям всех стран мира для анализа.
Чем отличаются спутниковые измерения СО от таких же измерений СО2 в случае пожаров? Для оценки количества выброшенных пожарами парниковых газов важна не просто концентрация сама по себе, а её изменение, вызванное пожаром. Например, катастрофические пожары в Индонезии в 2015 году привели к увеличению средней концентрации СО2 во всей толще атмосферы на 2 ppm (2000 ppb)3 при фоновой концентрации (вне зоны пожаров) ~400 ppm*. Эффект пожаров, таким образом, составляет всего 0,5%. Эта величина находится на пределе точности самых совершенных спутниковых приборов. Аналогичные по мощности пожары в Якутии привели к росту концентрации CO до 160—170 ppb (рис. 1). Фоновая концентрация СО, то есть вне зоны влияния пожара, составила ~90 ppb (синий цвет на рис. 1). Получается, пожары повысили атмосферную концентрацию СО на 70—80 ppb, что в 25—30 раз меньше, чем характерное для пожаров изменение СО2 — 2000 ppb. Однако по отношению к фону это составляет 70—80%, то есть в 150 раз больше, чем для СО2, и такая величина вполне может быть измерена прибором AIRS, точность которого около 10%. Этот факт открывает путь для проверки (валидации) оценок эмиссии СО от пожаров, полученных группой ван дер Верфа. В частности, очень важен вопрос, растут ли с годами выбросы парниковых газов пожарами.
* Здесь и далее ppm и ppb — единицы измерения относительной концентрации в частях на миллион и на миллиард по объёму, соответственно; 1 ppm = 1000 ppb.
Нужно различать изменение концентрации газа и скорость его эмиссии, то есть количество газа, выброшенного за единицу времени. Пересчёт атмосферной концентрации газа в его эмиссию от пожаров — отдельная непростая задача. 17 лет назад были опубликованы результаты исследований международной группы учёных из Японии, России, Бельгии, США, Германии, Швеции и Канады по эмиссии СО от катастрофических пожаров 2002 и 2003 годов с использованием так называемой резервуарной модели (box model)4. Аномально высокие концентрации СО летом 2021 года побудили нашу исследовательскую группу вернуться к той методике и повторить расчёт, используя новые измерения. Суть резервуарной модели в том, что изменение общего количества газа за месяц в резервуаре (в данном случае это вся атмосфера к северу от 30° с. ш. до полюса) слагается из эмиссии (со знаком плюс) за тот же месяц и количества газа, которое тем или иным способом удаляется из резервуара (со знаком минус). СО удаляется из данного резервуара двумя путями: через реакцию с гидроксилом ОН и переносом ветрами в более южные широты. Гидроксил — тропосферное короткоживущее химически активное соединение (радикал), возникающее в ходе фотохимических реакций с участием водяного пара и озона. Оба этих процесса самоочищения имеют временной масштаб, измеряемый месяцами. Общее количество газа в столбе воздуха, измеряемое спутниковым прибором, легко пересчитывается в общее количество газа во всём резервуаре. Наши спутниковые результаты для СО (рис. 2) сравниваются с оценками, сделанными научной группой доктора Гвидо ван дер Верфа (GFED, Global Fire Emissions Database, van der Werf et al., 2017 — Глобальная база данных о выбросах от пожаров). Наблюдается прекрасное совпадение результатов этих двух независимых подходов для СО. Оба источника данных говорят о беспрецедентно высоких эмиссиях СО от пожаров в 2021 году в умеренных широтах Северного полушария по сравнению с предыдущими годами (рис. 1 и 2). Разумно предположить, что и данные GFED для парниковых газов СО2 и СН4 также верны.
На рис. 3а видно, каким образом менялись выбросы СО2 и СН4 от всех видов природных пожаров, включая лесные, торфяные и степные, по расчётам группы ван дер Верфа в годовом исчислении за последние 25 лет. Период катастрофических сибирских пожаров 1998, 2002 и 2003 годов сменился периодом плавного роста эмиссий 2004—2020 годов. По сравнению со «спокойным» 2005 годом выбросы как метана, так и углекислого газа выросли более чем в два раза. Новый рекорд поставил 2021 год: рост выбросов обоих газов по сравнению с тем же 2005 годом превысил 4 раза.
Подробное обсуждение причин усиления природных пожаров выходит за рамки этой статьи. Можно отметить, тем не менее, что наиболее очевидная причина роста эмиссии парниковых газов от пожаров — изменение климата, в первую очередь, повышение температуры и усиление засух. Выброс СО2 от пожаров в умеренных широтах Северного полушария достиг в 2021 году 2,5 млрд тонн в год (включая 1,3 млрд т в России), что более чем в 3 раза превысило эмиссию в относительно спокойном 2005 году. Как это соотносится с антропогенным выбросом данного газа? В результате сжигания углеводородных топлив в 2021 году к северу от 30° с. ш. было выброшено в атмосферу около 21 млрд т СО2 (доля России в них составила 1,6 млрд т)5. Таким образом, выбросы от пожаров достигли 12% антропогенных выбросов во всём этом районе и 80% — в России. Вклад российских лесов в общий выброс СО2 от пожаров в умеренных и высоких широтах Северного полушария составил в среднем 60%, в отдельные годы превысил 70% и не бывал менее 40% (рис. 3б).
Что же дальше? Разумеется, не исключён вариант, что рекордный выброс СО2 и метана пожарами окажется непревзойдённым в обозримом будущем. Однако плавный тренд увеличения выбросов, наблюдавшийся в 2005—2020 годах, скорее всего, продолжится. При этом следует учесть, что удаление СО2 из глобальной атмосферы — процесс исключительно медленный, занимающий сотни и тысячи лет. Выброшенный в 2021 году углекислый газ так и останется в атмосфере на долгие годы и окажет влияние на повышение средней температуры поверхности Земли как в самое ближайшее время, так и в перспективе.
Интересен вопрос о роли природных пожаров в наблюдаемых изменениях глобальной концентрации метана. Она росла до 1997 года, после чего оставалась стабильной до 2006 года. Ускорение глобальной концентрации этого газа после 2007 года до сих пор не находит убедительного объяснения. В качестве примера на рис. 4 показаны наблюдаемые прибором AIRS ежегодные приросты общей массы СН4 к северу от 30° с. ш. за последние 10 лет. Вплоть до 2020 года они были в среднем 3,2 ± 0,7 млн т. В 2021 году прирост по сравнению с предыдущим годом составил 6,5 млн т. Как видно из рис. 3а, по данным Global Fire Emissions Database (GFED, Глобальная база данных о выбросах от пожаров), пожары выбросили в том же году 9,4 млн т СН4. Сопоставление этих цифр говорит о том, что гипотеза о существенной роли растущих пожаров в ускорении роста метана имеет право на существование. При этом не следует упускать из виду другие природные источники, эмиссия от которых также зависит от температуры: метаногидраты, арктическая мерзлота, болота и пр. Время жизни метана в атмосфере около 10 лет. Половина метана, выброшенного пожарами в 2021 году, превратится в СО2 к 2031 году. Однако на отрезке 10 лет его влияние на глобальную температуру может быть заметным.
Торфяные пожары выделяют в три раза больше метана на то же количество сгоревшей биомассы, чем обычный лесной пожар. Обнаружение торфяного пожара по снимкам со спутника — весьма трудная задача. Более того, торфяной пожар может не погаснуть с наступлением зимы, да и снежный покров не препятствие для выделения газов в атмосферу. Учёт этого фактора для метана и СО2 — насущная задача.
***
Спутниковые измерения выбросов метана от пожаров могут существенно повысить точность оценок эмиссий этого важного парникового газа. Возможности для этого имеются: на орбите находятся сейчас не менее пяти спектрометров, способных измерять метан по ИК-излучению поверхности Земли, и немалое количество приборов, работающих в ближней ИК-области по отражённому солнечному свету. Таким образом, в ближайшие годы можно ожидать прогресса в спутниковых измерениях концентраций не только СО, но и метана в целях мониторинга лесных пожаров. Запуск на орбиту в 2014 году спектрометра ОСО-2, (Orbiting Carbon Observatory-2), построенного специально для измерений СО2, создаёт основу для получения ценной информации о выбросах этого газа природными пожарами.
В заключение выражаю благодарность Андрею Лапенису (Университет Олбани, штат Нью-Йорк, США), в дискуссиях с которым родилась эта статья.
0
180.00
