«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 25, ¹ 6 (2012)
УДК 551.510
Предотвращение изменений климата
за счет эмиссии сульфатов в стратосферу:
влияние на глобальный углеродный цикл
и наземную биосферу
À.Â. Åëèñååâ*
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы
им. А.М. Обухова Российской академии наук
119017, ã. Ìîñêâà, Пыжевский ïåð., 3
Поступила в редакцию 15.02.2012 ã.
С использованием климатической модели Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН выполнена
оценка влияния геоинженерии на характеристики климата и углеродного цикла. Геоинженерное воздействие
в модели реализуется в период 2020–2070 гг. с целью компенсации потепления, возникающего при агрессивном
сценарии антропогенного воздействия RCP 8.5. При однородном распределении стратосферных
сульфатов по горизонтали и полной компенсации глобально осредненного антропогенного потепления, развивающегося
в XXI в. при этом сценарии, происходит уменьшение количества осадков, сопровождающееся региональными
аномалиями температуры. Влияние геоинженерного воздействия на приток солнечной радиации
к поверхности Земли и долю диффузной радиации в этом притоке существенно зависит от сезона. Геоинженерия
приводит к уменьшению полной первичной продукции растений и запаса углерода в наземной растительности,
особенно в таежных регионах Сибири. Глобальная полная первичная продукция при этом в 2060–2070 гг. по
сравнению с расчетом без геоинженерного воздействия уменьшается на 17 ПгС ⋅ г–1
, а глобальный запас углерода
в наземной растительности – на 33 ПгС. С другой стороны, геоинженерная компенсация потепления приводит
к тому, что в XXI в. почва не теряет, а накапливает углерод. Максимальное различие его запаса в почве
между указанными расчетами равно 97 ПгС. Таким образом, геоинженерия замедляет накопление СО2
мосфере при антропогенных эмиссиях на 52 млн–1
geoengineering, stratospheric aerosols, carbon cycle, climate, IAP RAS CM.
Введение
Глобальное потепление климата, наблюдавшееся
в последние десятилетия XX в. и в первое десятилетие
XXI в., связывается прежде всего с антропогенным
воздействием на земную климатическую систему
в основном из-за эмиссий парниковых газов [1].
Еще более интенсивное антропогенное воздействие
на климат ожидается в XXI в. Оно может привести
к климатическим изменениям, существенно превышающим
наблюдавшиеся в XIX–XX ââ. [1, 2]. Это привело
к рассмотрению возможности контролируемого
компенсирующего воздействия на климат с целью смягчения
его изменений. Так, М.И. Будыко [3], основываясь
на общем похолодании климата после крупных
вулканических извержений, предложил распылять
сернистые аэрозоли (подобные вулканическим)
в стратосфере с целью предотвращения глобального
потепления. В последние несколько лет интерес к подобному
контролируемому компенсирующему воздействию
заметно âîçðîñ, получив название ãåîèíæåíå______________
*
Алексей Викторович Елисеев (eliseev@ifaran.ru).
© Елисеев À.Â., 2012
в атв
последние годы XXI в. Однако это не оказывает значимого
влияния на климатическую эффективность геоинженерии.
Ключевые слова: геоинженерия, стратосферный аэрозоль, углеродный цикл, климат, КМ ИФА РАН;
рии (иногда также используется термин «геоинжиниринг»)
[4–7].
Такое контролируемое воздействие на климат,
однако, допустимо только в случае, если его возможные
побочные эффекты хорошо изучены и либо признаны
незначимыми для земной климатической системы,
либо могут быть скомпенсированы, в свою
очередь, специально разработанными мерами. Одним
из таких негативных побочных эффектов является
возможность резкого развития засушливых условий
над континентами, подобных наблюдаемым после
вулканических извержений [8, 9].
Вторым потенциально опасным эффектом является
резкое ускорение потепления после прекращения
компенсирующих сульфатных эмиссий [8, 10–15].
Кроме того, эмиссии сульфатов в стратосферу способны
интенсифицировать активацию соединений
хлора в стратосфере с деградацией озонового слоя
и над Антарктикой, и над Арктикой [1, 16].
С другой стороны, высказывалось мнение о положительном
побочном эффекте геоинженерии, связанном
с тем, что рост содержания аэрозолей в стратосфере,
наблюдаемый после вулканических извержений,
приводит к увеличению доли диффузного
467
Стр.1
излучения в полном потоке фотосинтетически активной
радиации (ФАР), приходящей к поверхности Земли.
По сравнению с прямыми солнечными лучами
диффузная радиация способна проникать в глубь кроны
древесной растительности, интенсифицируя фотосинтез
затененных листьев. Как следствие, накопление
сульфатов в стратосфере может приводить к росту
продуктивности наземной растительности [17].
Это предположение согласуется с измерениями
в лиственном лесу [18] и расчетами, проведенными
с численными климатическими моделями [19, 20]
(в которых было явно задано влияние доли диффузной
радиации в полном потоке солнечного излучения,
приходящего к поверхности с использованием
результатов
[1 )8] , но противоречит результатам анализа
глобальной базы данных годовых колец деревьев
[21].
Ранее с использованием климатической модели
(ÊÌ) ИФА РАН было ïîëó÷åíî, что измерения [18]
могут быть воспроизведены без учета различий между
прямой и диффузной коротковолновой радиацией
и связаны с приближением климата к оптимальному
для лиственных лесов умеренного пояса в регионах
распространения последних [22, 23]. Как следствие,
известные данные о перестройке наземного углеродного
цикла после вулканических извержений удается,
по крайней мере качественно, объяснить без привлечения
механизмов влияния диффузной радиации
на продуктивность растений. Это согласуется также
с результатами, полученными с моделью экосистем
CASA [24]. В таком случае реализация указанного
метода геоинженерии может привести не к росту
продуктивности растений (в частности, урожайности
сельскохозяйственных культур), а к ее уменьшению.
Дополнительно следует также отметить, что в [18] использовались
лишь измерения для безоблачных условий,
что могло привести к систематической ошибке.
В частности, согласно результатам измерений [25, 26],
проведенных в том же лесу, что и измерения [18],
чистая продуктивность растений этого леса в 1992 г.
была не максимальной, а минимальной за период
1992–2000 ãã.
Целью настоящей работы является оценка влияния
геоинженерии на характеристики глобального
углеродного цикла. При этом используется климатическая
модель, разработанная в Институте физики
атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН)
[2, 22, 23, 27]. Результаты данной работы были представлены
на заседании XVIII Рабочей группы «Аэрозоли
Ñèáèðè» (ã. Òîìñê).
Модель и численные эксперименты
В работе использовалась версия КМ ИФА РАН,
включающая в себя пространственно распределенную
схему наземного углеродного цикла, подробно
описанную в [22, 23, 27]. В качестве схемы углеродного
цикла океана в КМ ИФА РАН в настоящее время
используется глобально осредненная модель, основанная
на модели Бакастоу, но учитывающая зависимость
констант химических реакций морского
углеродного цикла от температуры (см.
[2 )8] . Óãëå468
родный
цикл модели замыкается уравнением баланса
массы углерода в атмосфере в приближении хорошо
перемешанного газа для СО2 и в пренебрежении
вкладом других углеродсодержащих веществ в этот
баланс.
По сравнению с [22, 23, 27] наземный углеродный
цикл КМ ИФА РАН был расширен учетом влияния
диффузной солнечной радиации на продуктивность
наземных экосистем. В частности, согласно [17]
интенсивность фотосинтеза на единицу площади для
древесных функциональных типов растительности
вычисляется согласно
ff (1,0 1,1 –1,8η ) = fGPP,0n(η),
GPP GPP,0
=+ η
2
где η – доля диффузной радиации в полном потоке
фотосинтетически активной радиации; fGPP, 0 – интенсивность
фотосинтеза при η = 0, зависящая только
от температуры приземного воздуха, влагосодержания
верхнего слоя почвы и полного потока ФАР.
Для травяных и сельскохозяйственных типов растительности
эффект глубины проникновения диффузной
радиации в листву не учитывается и fGPP = fGPP, 0.
Функция n(η) возрастает с ростом η при η < η0 =
= 0,306, достигает максимума nmax = 1,17 при η = η0
и затем уменьшается до 0,3 при η = 1. Таким îáðàçîì,
при заданном потоке приходящей ФАР оптимальной
для фотосинтеза оказывается доля диффузной
радиации, равная η0.
Подобно [12–14], оптическая толщина стратосферных
рассеивающих аэрозолей Ta, st в модели
линейно зависит от их массы в столбе атмосферы
единичной площади ma, st:
=
ast
Tke ast a stm
,,,
, ,
с коэффициентом экстинкции ke, a, st = 7,6 ì2/ãS. Радиационное
возмущающее воздействие на верхней
границе атмосферы Ra, st, TOA (называемое также мгновенным
радиационным форсингом) в модели рассчитывается
согласно
Raa st a stT
a –,st, ,TOA
=
,
,
где aa, st = 22 Âò/ì2. В связи с тем что такая формулировка
не выделяет прямую и рассеянную составляющие
коротковолновой радиации, для оценки η
использовалась параметризация [17]:
η= 1,11–1,31 ,acI
при дополнительном условии 0 < η < 1. Здесь индекс
чистоты атмосферы Iac равен отношению нисходящих
компонент коротковолновой радиации на поверхности
и на верхней границе атмосферы.
С КМ ИФА РАН были проведены численные
эксперименты RCP85base и RCP85geo. В первом из
них для 1765–2005 ãã. были заданы антропогенные
воздействия на климат за счет парниковых газов,
тропосферных и стратосферных вулканических сульфатных
аэрозолей, изменения солнечной постоянной
и изменения площади сельскохозяйственных угодий
в соответствии с протоколом «Historical simulations»
проекта сравнения климатических моделей CMIP5
Елисеев А.В.
Стр.2
(Coupled Model Intercomparison Project, phase 5;
ñì. http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb).
При этом для углекислого газа использовались годовые
антропогенные эмиссии за счет сжигания ископаемого
топлива, а для закиси азота и метана –
среднегодовые концентрации в атмосфере.
Эмиссии СО2 в атмосферу из-за землепользования
интерактивно рассчитывались углеродным циклом
модели. В этом расчете масса стратосферного
аэрозоля на единицу площади ma, st равна соответствующей
массе вулканических аэрозолей ma, st, vol.
Для XXI в. указанные антропогенные воздействия
в эксперименте RCP85base были заданы в соответствии
с агрессивным сценарием антропогенного воздействия
RCP 8.5 проекта CMIP5 (áîëåå подробно
ñì. http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb).
В ансамблевом численном эксперименте RCP85geo
дополнительно к внешним воздействиям, заданным
в расчете RCP85base, учитывалось компенсирующее
воздействие за счет стратосферных сульфатов. В этих
экспериментах общая масса сульфатов в стратосфере
Ma, st, geoeng рассчитывалась согласно балансовому
уравнению
dM ,,a –,st geoeng dt E M t
=
a st geoeng
,,
a st geoeng a st
,,
,
где t – âðåìÿ; Ea, st, g – глобальные антропогенные
эмиссии стратосферных аэрозолей; ta, st – время
пребывания аэрозолей в стратосфере. Эти аэрозоли
считались однородно распределенными по горизонтали
с массой на единицу площади ma, st, geoeng =
= Ma, st, geoeng /SEarth, где SEarth – площадь поверхности
Земли. Такое распределение часто используется
при оценке эффективности геоинженерного воздействия
на климат (см., например,
[11,13] ) и близко
к получаемому при геоинженерных эмиссиях в тропиках
в модели ИВМ РАН с детальной схемой химических
преобразований и переноса аэрозоля [20].
Полная масса аэрозоля в стратосфере на единицу
площади ma, st = ma, st, vol + ma, st, geoeng.
Контролируемые эмиссии стратосферных аэрозолей
для периода 2020–2070 гг. были заданы пропорциональными
мгновенному глобальному радиационному
возмущающему воздействию на верхней
границе атмосферы RGHG + tropSA за счет парниковых
газов (ÑÎ2, ÑÍ4 и N2O) и тропосферных сульфатов
относительно доиндустриального состояния:
=
EkR
ast g
, , E GHG tropSA.
+
Для разных реализаций внутри ансамбля RCP85geo
коэффициент интенсивности эмиссий kE менялся от
0,2 до 1,3 (ÒãS/ãîä)/(Âò/ì2), будучи постоянным
во времени. Кроме того, различные реализации внутри
этого ансамбля расчетов различались между собой
временем жизни антропогенных сульфатов в стратосфере
ta, st в интервале 2–3 года [5, 29]. Начальным
условием для всех реализаций численного эксперимента
RCP85geo служило состояние модели, достигаемое
в январе 2020 ã. расчета RCP85base.
После проведения ансамблевых расчетов RCP85geo
была проведена линейная интерполяция решений по
параметру kE. Из полученных результатов были выбраны
те, для которых глобальная температура не
меняется в 2020–2070 ãã. относительно средней за
2000–2010 ãã. В ñëó÷àå, если для данного года такая
компенсация невозможна (это отмечалось в модели
вплоть до начала 2030-õ ãã.), то для последующего
анализа выбирался расчет с максимальным kE.
После 2070 г. параметры интерполяции между различными
значениями kE уже не менялись, а фиксировались
на значениях, соответствующих 2070 г.
Результаты расчетов
Изменение характеристик климата
и углеродного цикла в XXI â.
в расчете без геоинженерии
При сценарии антропогенного воздействия RCP 8.5
концентрация углекислого газа в КМ ИФА РАН
в XXI â. монотонно возрастает до 934 ìëí–1 в 2100 ã.
(ðèñ. 1, à).
При этом наблюдается рост глобальной приповерхностной
температуры атмосферы Tg на 3,7 К
(ðèñ. 1, á) и осадков на 21%. Потепление особенно
заметно над сушей средних и высоких широт, особенно
в Евразии, где зимой увеличение приземной
температуры равно 8–11, а летом 4–7 Ê. Рост осадков
отмечается в регионах шторм-треков и в регионе
влияния восточно-азиатского муссона.
Уменьшение содержания антропогенных аэрозолей
в тропосфере в XXI в. приводит к общему увеличению
поглощения солнечной радиации поверхностью
RSW, особенно заметному над сушей Северного
полушария, где оно в среднем за год в XXI â.
увеличивается на 2–5 Вт/м2. В средних и субполярных
широтах это увеличение обусловлено ростом
RSW в теплый период из-за соответствующего сезонного
хода инсоляции на верхней границе атмосферы.
В субтропиках, наоборот, это увеличение проявляется
в холодный период года и связано с ростом содержания
водяного пара в атмосфере при изменении
температуры, обусловливающей влагоемкость атмосферы
и испарение с поверхности. Рост содержания
водяного пара и количества облаков в атмосфере при
общем потеплении приводит также к увеличению
доли рассеянной радиации η. Последнее отмечается
в большинстве регионов, за исключением Европы,
юго-востока и центра Северной Америки, где уменьшение
η связано с уменьшением содержания аэрозолей
в тропосфере в XXI в. Влагосодержание почвы,
влияющее на продукцию наземных экосистем в КМ
ИФА ÐÀÍ, в модели мало меняется в XXI â. [23].
Полная (fGPP) и чистая первичная продукция
наземных экосистем на единицу площади увеличивается
во всех регионах в XXI â. [22, 23, 27]. Глобальная
чистая первичная продукция FGPP в XXI â.
возрастает со 120 до 170 ПгС ⋅ ã–1 (ðèñ. 1, â). Как
следствие, запас углерода на единицу площади в наземных
экосистемах сb увеличивается во всех регионах,
за исключением тех, где происходит дефорестация.
Увеличение сb особенно велико в регионах
тропических лесов (íà 8–10 кгС ⋅ ì–2) и умеренных
Предотвращение изменений климата за счет эмиссии сульфатов в стратосферу: влияние…
469
Стр.3