УНИКАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ —
НА НЕМЕЦКИЕ ДЕНЬГИ!
Миллионы евро стоит Международный проект Евросоюза, осуществляемый Институтом леса им. В. Н. Сукачева СО РАН (г. Красноярск) совместно с Институтом биогеохимии им. Макса Планка (г. Йена, Германия) и Институтом химии им. Макса Планка (г. Майнц, Германия). Наш корреспондент встретился с одним из руководителей проекта — директором Института леса академиком Евгением ВАГАНОВЫМ и менеджером проекта — старшим научным сотрудником Института леса, кандидатом сельскохозяйственных наук Сергеем ВЕРХОВЦОМ и попросил их рассказать об уникальной программе.
В таежной глухомани
— Начнем с главного: для чего строится в таежной глухомани такое уникальное сооружение?
Сергей ВЕРХОВЕЦ: Принципиальной целью проекта является развитие системы мониторинга углеродного баланса и парниковых газов в континентальном масштабе. Это связано в первую очередь с глобальными изменениями климата планеты и необходимостью точной оценки сибирских экосистем как поглотителей углекислого газа антропогенного происхождения. Сложность данной задачи требует интеграции данных, полученных в ходе наземных наблюдений, с данными атмосферных исследований. Непрерывные измерения поверхностных потоков парниковых газов в ключевых экосистемах в сочетании с измерениями вертикальных профилей этих параметров в приземном слое атмосферы будут интегрированы с наблюдениями в пограничном слое атмосферы. Эти объединенные наземные и атмосферные наблюдения обеспечат основу для расчета метеорологической и биогеохимической составляющих модели баланса углерода в континентальном масштабе.
 |
|
В ходе выполнения проекта будет установлена мачта высотой 300 метров в 25 км от берега Енисея (в 500 км севернее Красноярска) для проверки предположения, что значительные тренды в атмосферно-экосистемном обмене происходят в результате потепления, наблюдаемого в прошлые десятилетия. В ходе исследования планируется измерение соотношения стабильных изотопов, которые позволят различить антропогенные и биологические потоки. Эти измерения включают в себя изотопы
13C/12C в CO2, CH4 и CO, 18O/16O в CO2,
15N/14N в N2O, а также измерение соотношения O2/N2. В проекте будут использованы данные, полученные в результате недавно проведенных текущих наземных исследований. Они сделаны сотрудниками двух институтов — Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН и Института биогеохимии им. Макса Планка — партнеров в области лесной таксации, динамики роста насаждений, динамики лесных пожаров, а также в области обменных процессов между экосистемой и атмосферой.
— Что дальше?
Сергей ВЕРХОВЕЦ: Дальнейшее моделирование атмосферных и биогеохимических процессов послужит основой для интерпретации атмосферных наблюдений и свяжет их с сезонной и межгодовой изменчивостью растительности. Таким образом, дополнительным результатом проекта будет создание инструмента для прогнозирования изменений физического и химического состояния сопряженной системы: атмосфера — наземные экосистемы.
История проекта
— А можно немного поподробнее об истории рождения проекта?
Евгений ВАГАНОВ: Выполнение проекта «Отклик биогеохимических циклов на изменения климата в Евразии» связано с насущной необходимостью оценки экологических последствий глобальных изменений климата, причиной которых является увеличение эмиссий углекислого газа и сопутствующих парниковых газов в атмосферу Земли. Мировое сообщество поставило перед собой задачу минимизировать возможные негативные последствия глобального потепления климата. С этой целью в 1992 г. в Рио-де-Жанейро была принята рамочная Конвенция ООН по изменению климата. Спустя пять лет в г. Киото (Япония) подписан протокол к Конвенции, установивший количественные обязательства стран-участниц по сокращению выбросов парниковых газов (установлены квоты). Благодаря принятию рамочной Конвенции и Киотского протокола сложилась ситуация, когда Россия может внести свой вклад в исследования глобальных изменений климата и получить существенные экономические выгоды. В протоколе предусмотрено, что удаление двуокиси углерода из атмосферы природными экосистемами-поглотителями засчитывается в счет выполнения показателей снижения выбросов.
Вклад тайги в мировой сток углерода — 20 процентов!
— Почему именно нашим, сибирским лесам мировое сообщество стало уделять такое пристальное внимание?
Евгений ВАГАНОВ: Вообще, реализация Киотских соглашений напрямую связана с недостатком научных данных о мощности и распределении в планетарном и региональном масштабах лесных экосистем, ответственных за поглощение углерода. Сложность решения данной проблемы связана с отсутствием (пока!) системы крупномасштабного долгосрочного мониторинга концентраций и состава парниковых газов в приземных слоях атмосферы и поведения природных экосистем. В этом свете особую роль играют бореальные леса Сибири. Они составляют около 1/5 мировой лесопокрытой площади, их вклад в глобальную первичную продуктивность оценивается на уровне 20%, а потенциал в связывании углерода может быть и выше. Необходимость всестороннего изучения бореальных лесных экосистем Сибири связана со значительной неопределенностью как мощности и величины этих природных поглотителей атмосферного углерода, так и их вклада в процессы, ответственные за выполнение данной функции. Общепринятые подходы в понимании связей между изменениями климата и взаимодействием между экосистемой и атмосферой основывались либо на атмосферной перспективе, использующей отдаленные океанические наблюдения химического состава и модели крупномасштабного переноса, либо на земной перспективе, использующей локальные наблюдения потоков или изменений состояний экосистемы. Новый метод основан на измерениях, производимых с вышек высотой 200-600 метров. Измерение концентрации CO2 на высоте 200-300 м над земной поверхностью позволяет исследовать относительно однородную часть атмосферы (смешанный слой). Наблюдения за смешанным слоем полезны тем, что дают понимание чувствительности процессов, протекающих в поверхностных потоках, интегрированных над большой территорией, а также позволяют избежать «шума», вызванного суточными изменениями в процессе фотосинтеза вблизи поверхности земли. Соотношения изотопов в CO2, CH4 и N2O, а также соотношения
O2/N2 и CO позволяют выделить различные процессы эмиссии и стока углерода. Поэтому они очень полезны в разрешении загадки процессов, отвечающих за изменчивость и величину атмосферного углерода. Процессы эмиссии и стока углерода включают в себя фотосинтез и дыхание наземной биосферы, сжигание ископаемых горючих материалов, а также атмосферно-океанический обмен и поглощение.
— И что даст полученная информация?
Сергей ВЕРХОВЕЦ: Ключом к отделению биогенных природных потоков от океанических с соотношением изотопов в CO2 является сильный контраст: при наземном фотосинтезе получается меньше тяжелых изотопов, чем при океаническом поглощении углерода. Равновесное соотношение фракций изотопов при взаимодействии между океаном и атмосферой в три раза меньше, чем кинетическое соотношение фракций во время C3-фотосинтеза. При этом изотопный след ископаемого горючего хорошо известен. Поэтому градиенты изменчивости и пространственные градиенты относительного уменьшения атмосферных концентраций более тяжелых изотопов углерода несут информацию о фотосинтетической деятельности биосферы. Угарный газ (СО) несет информацию об антропогенных эмиссиях, потому что одним из ее основных источников является неполное сгорание ископаемых горючих материалов, хотя другие источники образования СО потенциально ограничивают его использование.
Концентрации двуокиси кислорода (CO2) позволяют разделить обменные потоки океанического и наземного углерода, потому что она участвует в процессах сгорания ископаемых горючих материалов, фотосинтезе, дополнительном дыхании экосистем и не участвует в процессе перехвата или высвобождения углерода океанами. Более того, сезонность атмосферной концентрации CO2 содержит информацию о количестве океанического фонового воздуха, содержащегося лишь в данном образце. Поскольку соотношение потребления углерода к высвобождению кислорода является практически постоянным во время фотосинтеза и дыхания, то становится возможным получить сезонный сигнал в изменчивости концентрации кислорода, вызываемый только океанами. Уменьшение амплитуды сезонного сигнала океана над континентами обеспечивает, в свою очередь, оставшуюся фракцию океанического фонового воздуха.
Изменение соотношения 18O/16O в атмосферном CO2 помогает оценить и выделить поток дыхания от фотосинтеза Сибири.
Наблюдения за метаном помогут нам лучше понять связь между климатом и экосистемой в двух регионах. Тренды в метане и его изотопе 14CH4 являются показателями изменений в дыхании торфяных болот и, быть может, многолетне-мерзлотных почв и, вероятно, обеспечат дополнительную связь для моделирования экосистемно-атмосферных потоков. Важно и то, что соотношение
O2/N2 позволит отличить наземное происхождение воздушных масс от океанического.
Данные, полученные в ходе наблюдений, послужат исходным материалом для построения моделей углеродного баланса как на региональном, так и на континентальном уровнях.
Работа в тандеме
— Интересно, подобные вышки в мире уже существуют?
Сергей ВЕРХОВЕЦ: Предложенный подход как раз и заключается в сопоставлении измерений, полученных с двух вышек. Одна — в Германии, другая — у нас, в Центральной Сибири. На вышке, расположенной в Германии (Бавария) и охватывающей крупный промышленный и сельскохозяйственный регион Западной Европы, измерения недавно начались. Вышка, расположенная в Сибири, охватывает относительно однородный лесной ландшафт. Стратегия проекта как раз и заключается в использовании комбинации месторасположения вышек, измерений ряда метеорологических параметров и концентрации парниковых газов и моделирования с целью измерения и диагностики изменения в экосистемах, а также химическом составе атмосферы в Евразии. Данный проект для России уникален.
 |
| Мачта МНТЦ (Международный научно-технический центр) устанавливается в глухом таежном краю, в 25 км от реки Енисей по бездорожью. Поэтому весной и летом туда можно добираться только вертолетом.
В конце лета 2006 года планируется окончание строительства. Но принятие ее в эксплуатацию потребует еще не менее полугода. Основные приборы, необходимые для выполнения ключевых исследований, в настоящее время устанавливаются в подземном лабораторном бункере у основания мачты: газовый хроматограф, газоанализаторы, солнечный фотометр и нефелометр, со всей необходимой инфрастуктурой.
По окончании строительства планируется организовать международную научную лабораторию под руководством научного учредительного комитета, состоящего из руководителей Институтов — участников данного проекта.
|
Атмосферные измерения двуокиси углерода и других составляющих, связанных с углеродом во внутренних районах континента, являются решающими для обнаружения вероятных изменений в экосистемах северных высоких широт, вызванных климатическими трендами. Эти изменения сложны, поскольку зависят от высоты над уровнем моря и в целом от биосферы, от турбулентных потоков атмосферы, сопряженных с земной поверхностью, и от крупномасштабной адвекции загрязненного воздуха Европы и Северной Америки. Движение атмосферы, приближенной к земной поверхности, особенно осложнено из-за изменений между высотой смешанного слоя и потоками углерода, требующими использования атмосферной модели для интерпретации наблюдений за рассеянными газами. Мы предлагаем решение этих трудностей, планируя осуществлять наблюдения на высоте выше слоя, прилежащего к земной поверхности (с доминированием трения и турбулентности местного масштаба), и ниже свободной тропосферы (с доминированием горизонтального движения в глобальном масштабе). Это позволит сконцентрировать инструменты моделирования и дистанционного зондирования для интерпретации наблюдаемых сигналов в изменении ряда «климат-экосистема» в районе расположения вышки.
— Каковы были предпосылки осуществления грандиозного международного проекта именно в Красноярском крае?
Евгений ВАГАНОВ: Наш край выбран полигоном для данного проекта по трем основным причинам. Во-первых, Институт леса СО РАН — это профессионализм и существенные заделы в данной области науки. Во-вторых, высокий авторитет Института леса на международной арене. Работы сотрудников — на мировом уровне, многие известны за рубежом как хорошие ученые и опытные специалисты. Наконец, наличие относительно нетронутых природных экосистем, охватывающих практически все разнообразие природных комплексов Сибири — от притундровых редколесий до лесостепи, включая болота, таежные и горные леса.
— И последний вопрос: зачем все-таки требуется такая колоссальная высота мачты — аж 300 метров?!
Сергей ВЕРХОВЕЦ: Наблюдения с традиционных вышек — высотой 20-30 метров — дают оценку атмосферных потоков для территорий меньших, чем разрешение самых крупных моделей, а данные дистанционного зондирования из космоса с высоким разрешением имеют относительно низкое пространственное разрешение (250м — 8 км), и намного выше, чем площадь регионов, подвергающихся климатическим измерениям. Измерения и забор образцов воздуха необходимо проводить на высотной мачте, чтобы избежать влияния локальных явлений и, таким образом, получать данные, характерные для процессов, происходящих на ландшафтном уровне. Измерения будут производиться или непосредственно на мачте, или в лаборатории у ее основания. Планируем также регулярно забирать образцы атмосферы в емкости и переправлять их в лаборатории в Красноярск и Йену для анализа концентраций и соотношения изотопов. Синтез данных будет заключаться в комбинировании имитационной модели с данными о составе атмосферы и данными о составе экосистемы, полученными от наземных измерений.
Вопросы задавал
Сергей ЧУРИЛОВ
стр. 9
|
