Определение роли биосферы в компенсации глобального потепления с помощью модели глобального цикла двуокиси углерода

Определение роли биосферы в компенсации глобального потепления

УДК 519.6:[574+504.7]

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РОЛИ БИОСФЕРЫ В КОМПЕНСАЦИИ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА

ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА

© 2009 А.М. Тарко

Учреждение Российской академии наук Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН,

г. Москва; e-mail: tarko@himki.net

На основе пространственной математической модели глобального цикла двуокиси углерода в биосфере рассчитано поглощение выбросов двуокиси углерода от сжигания органических топлив, вырубки лесов и эрозии почв экосистемами суши, странами и регионами мира. Сделаны расчеты последствий ограничений выбросов СО2 в атмосферу на основе различных сценариев выполнения Киотского протокола к Рамочной конвенции о стабилизации климата. Показано, что Россия находится в исключительном положении относительно других стран: экосистемы ее территории больше других стран поглощают СО2 атмосферы, а индустриальные выбросы с ее территории практически равны поглощению.

Ключевые слова: математическое моделирование, глобальный биогеохимический цикл двуокиси углерода, глобальное потепление, биосфера, чистая первичная продукция, антропогенные воздействия, принцип Ле-Шате-лье.

Целью данной работы является математическое моделирование глобального цикла двуокиси углерода и определение роли биосферы в компенсации результатов влияния антропогенных выбросов С02 в атмосферу на глобальный климат. Главное внимание уделяется анализу роли экосистем суши, отдельных ее регионов, стран мира и особенно России, в глобальной стабилизации количества С02 в атмосфере.

Расчеты динамики биосферных процессов с учетом влияния хозяйственной деятельности для всего мира, стран и регионов были проведены с помощью разработанной автором пространствен -ной математической модели глобального цикла углерода в системе атмосфера - экосистемы суши - океан [3]. В модели территория всей планеты разделена на ячейки размером 0.5x0.5° географической сетки (приблизительно 50x50 км). Предполагается, что в каждой ячейке суши находится растительность одного типа согласно мировой классификации [1]. Каждая ячейка характеризуется следующими переменными: количеством углерода в массе растительности, в массе мертвого органического вещества почвы (гумус и подстилка). Происходит обмен углеродом в форме С02 с атмосферой, общее количество углерода в которой также является переменной модели. Модель описывает процессы роста и отмирания растительности, накопления и разложения гумуса в терминах обмена углеродом между атмосферой, растениями и гумусом почвы в каждой ячейке суши. Климат в каждой ячейке характеризуется среднегодовой температурой воздуха у поверхности земли и количеством

осадков за год. Значения температуры и осадков для каждой ячейки в зависимости от количества углерода в атмосфере (парниковый эффект) рассчитываются с помощью климатической модели общей циркуляции атмосферы и океана [2]. Модель была дополнена моделью цикла углерода в системе атмосфера - океан [4]. Предполагается, что в отсутствие антропогенных выбросов CO2 в атмосферу количество углерода в системе атмосфера - растения - почва - океан постоянно и что до начала антропогенных воздействий система была в положении равновесия.

Модель содержит более 100 тысяч дифференциальных уравнений и реализована на ЭВМ. Рассчитанные компьютерные карты годичной продукции растительности суши и количества углерода в мертвом органическом веществе почвы адекватно воспроизводят данные измерений.

Моделировалась динамика биосферы с 1860 г. по 2100 г. Был принят следующий базовый сценарий. Антропогенное поступление С02 в атмосферу начинается в 1860 г., оно происходит в результате индустриальных выбросов С02 от сжигания ископаемых органических топлив (каменный уголь, нефть, газ) [5], вырубки лесов и эрозии почв. После 2006 г. темпы роста индустриальных выбросов сохраняются такими же, какими были предыдущее десятилетие (1,62% в год). С 1950 г. по 2100 г. идет вырубка и последующее уничтожение тропических лесов. В этот период масса тропических лесов каждый год уменьшается на 0,6%, соответствующее количество С02 поступает в атмосферу. Эрозия почв связана, прежде всего, с сельскохозяйственной эксплуа-

1587

Известия Самарского научного центраРоссийской академии наук. Т 11, № 1(7), 2009

тацией земель, соответствующее количество С02 также поступает в атмосферу. Эрозия начинается в 1860 г. и составляет в год 0.15%. Территория вырубки и эрозии задается соответствующими пространственными распределениями.

Расчет динамики биосферных параметров на основе принятых допущений (базовый сценарий) показан на рис. 1. Видно, что происходил рост С02 в атмосфере, это способствовало увеличе-

Согласно расчету, к 2100 г. следует ожидать роста концентрации углекислого газа в атмосфере Земли в 2,2 раза и средней температуры атмосферы на 2,7°С по сравнению с их значениями в 1860 г.

Расчеты показывают, что в течение всего индустриального периода экосистемы средних и высоких широт Северного полушария поглощали С02, а в экваториальной - выделяли. Наибольшее поглощение происходило в широтах 53-65° с.ш. Северного полушария, где сосредоточено большое количество лесных экосистем. Если двигаться от высоких и средних широт к экватору, то в целом, чем ближе к экватору была экосистема , тем в меньшей степени она поглощала С02, а, начиная с 22° северной широты и далее до 25° южной широты, происходило выделение С02.

В целом в 2006 г. 38% суммы индустриальных выбросов, выбросов от вырубки лесов и эрозии почв было поглощено экосистемами суши и океаном, при этом поглощение экосистемами суши составило 48,2% от величины выбросов,

нию продуктивности растительности суши и росту фитомассы растений. Экосистемы суши и океан, поглощали излишки С02 и в целом замед-ляли его рост, проявляя компенсаторные свойства биосферы. Количество мертвого органического вещества почвы сначала снижалось, а затем по мере проявления компенсаторных свойств биосферы увеличивалось.

океан поглотил 12,5%.

В модели возможно рассмотрение стран, размеры которых превышают пространственное разрешение 50x50 км. Рассмотрим выделение и поглощение двуокиси углерода на территории стран. Данные индустриальных выбросов и поглощения экосистемами стран за 2006 г., имеющих наибольшие выбросы, приведены на рис. 2. Видно, что наибольшие индустриальные выбросы были с территории США, Китая, России и Индии. Больше всех стран поглощала СО2 Россия, за ней идут Канада, Бразилия и Австралия. Поглощение С02 превышало индустриальные выбросы в Канаде, Бразилии, Австралии и Швеции, и др.

Проведенные расчеты показывают, что, начиная с 2002 г., для России поглощение СО2 было примерно равно выбросам. Поглощение увеличивалось в течение всего времени, а выбросы начали слабо расти лишь после 1998 г.

Таким образом, мы можем заключить, что наибольшее возмущение естественной атмосферы происходит от двух наиболее промышленно развитых стран (США, Япония) и двух стран с

2.4

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Рис. 1. Расчет динамики относительных значений углерода в атмосфере (1), в фитомассе растений

(2), гумусе почв (3) в 1860-2100 гг.

1588

Определение роли биосферы в компенсации глобального потепления

Рис. 2. Сравнение индустриальных выбросов и поглощения углерода экосистемами стран в 2006 г. (Гт С в год) крупнейшими странами выделителями С02

наибольшим населением (Китай, Индия). В 2006 г эти страны выделили 49% от всех выбросов С02. Поэтому именно эти страны, а не Россия, несут главную ответственность за быстрый рост С02 в атмосфере

Согласно Киотскому протоколу к Рамочной конвенции ООН об изменении климата страны к 2010 г. должны уменьшить выбросы парниковых газов в атмосферу до уровня на 5% ниже индустриальных выбросов С02 1990 г. Не все страны участвуют в выполнении протокола. Выбросы стран, участвовавших в подписании протокола в 1990 г. составляли около 61% всех выбросов С02. Как известно, США отказались участвовать в выполнении Протокола, а страны ЕС пообещали к 2020 г. довести свои выбросы до значений на 20% меньше уровня 1990 г.

Отметим, что Протокол содержит конкретные ограничения на выбросы CO2 лишь для некоторых стран и не предусматривает их для многих других. В девяти активно развивающихся и развивающихся странах с большим населением годичные темпы роста индустриальных выбросов CO2 высоки и опережают темпы прироста численности населения: Индия - 3,1%; Индонезия -6,2%; Бразилия - 3,8%; Пакистан - 3,7%; Бангладеш - 5,0%; Нигерия - 7,1%; Мексика - 3,1%; Вьетнам - 9,8%; Филиппины - 3,8%.

Весьма вероятно, что скоро в этих странах рост экономического развития и численность населения станут настолько высокими, что не бу-

дет другой альтернативы кроме развития энергетики и значительного увеличения роста выбросов CO2. В частности, если принять, что темпы роста выбросов в указанных девяти странах сохранятся, то к 2060 г. их суммарный выброс будет равным 11,6 Гт С/год, т.е. в 1,4 раза больше суммарного выброса всех стан мира в 2006 г.

Рассчитаем, какой эффект могут дать различные ограничения, приводящие к уменьшению выбросов С02. На рис. 3 представлены результаты расчетов динамики двуокиси углерода в 1860-2060 гг. Рассматривались следующие сценарии:

1 - изложенный выше базовый сценарий антропо-

генных воздействий,

2 - сценарий 1, при этом, начиная с 2010 г., вырубка

лесов и эрозия почв прекращаются,

3 - сценарий 1, при этом после 2010 г. выполняется

Киотский протокол всеми участвующими в нем странами за исключением США (отказ США участвовать в выполнении протокола),

4 - сценарий 1, при этом после 2010 г. выполняется

Киотский протокол только участвующими в нем странами (Выполнение Киотского протокола).

5 - сценарий 1, при этом после 2010 г. всеми страна-

ми мира выполняется Рамочная конвенция ООН об изменении климата,

6 - сценарий 1, при этом после 2010 г. выполняется

Киотский протокол всеми участниками кроме США, при этом рост выбросов С02 в упомянутых выше девяти странах каждый год составляет указанные выше рассчитанные значения.

1589

Известия Самарского научного центраРоссийской академии наук. Т 11, № 1(7), 2009

Рис. 3. Расчет изменения относительной (по отношению к величине 1860 г.) концентрации С02 в атмосфере при различных сценариях уменьшения выбросов С02 в атмосферу. Описание сценариев

приведено в тексте

Согласно расчетам в соответствии со сценарием 1 концентрация С02 в атмосфере к 2060 г. повысится в 1,73 раза, по сравнению с 1860 г. Влияние прекращения вырубки и эрозии дает самый слабый эффект: рост С02 составит 1,70, т.е. сокращение будет на 0,03 меньше, чем по базовому сценарию.

Выполнение Киотского протокола по сценарию 3 приведет к тому, что концентрация С02 в атмосфере повысится до значения 1,55 раз, т.е. эффект снижения по отношению к базовому сценарию составит соответственно 0,18 (т.е. спад на 8% по отношению к базовому сценарию к 2100 г.), что не очень велико. Отказ США участвовать в выполнении протокола (сценарий 4) приведет к еще меньшему снижению кривой СО2 -соответственно до значения 1,61, что на 0,12 ниже базового сценария.

Наиболее сильное влияние на замедление роста С02 дало бы выполнение Рамочной конвенции о стабилизации климата всеми странами. В этом случае к 2060 г. концентрация С02 повысилась бы в 1,44 раз, т.е. на 0,49 меньше чем при базовом сценарии. Однако этот сценарий мировое сообщество не планирует реализовать.

В случае сценария 6, когда происходит быстрый рост выбросов С02 в активно развивающихся и развивающихся странах с большим населением, произойдет увеличение концентрации С02 по сравнению с базовым сценарием: к 2060 г. рост

С02 составит 1,76, т.е. на 0,03 больше базового.

Для сравнения значения разных сценариев ограничений выбросов, примем за 100 процентов сокращение роста С02 («улучшение» по сравнению с базовым сценарием) в случае выполнения Киотского протокола к 2060 г. (сценарий 4). Тогда выполнение Киотского протокола при неучастии США (сценарий 3) дает «улучшение» на 68% сокращения выбросов - видно, что это малая величина, и остается надеяться на то, что США, выполняя свою собственную программу по ограничению выбросов, добьются более заметных успехов. Прекращение вырубки лесов и эрозии почв (сценарий 2) даст лишь «улучшение» на 14% уменьшения концентрации С02 по сравнению с базовым сценарием. Это самое малое влияние ограничений выбросов диоксида углерода. Самый сильный эффект давало бы выполнение Рамочной конвенции о стабилизации климата (сценарий 5), при этом «улучшение» - сокращение концентрации С02 достигло бы 162%. Небла-гоприятный результат показывает учет неконтролируемого роста С02 в указанных выше активно развивающихся и развивающихся странах (сценарий 6) - минус 15%, т.е. рост С02 больше чем в базовом сценарии.

Проведенные расчеты по сценариям 3, 4 и 5 были дополнены расчетами, в которых страны ЕС сокращали свои индустриальные выбросы С02 к 2020 г. до значений на 20% меньше уровня

1590

Определение роли биосферы в компенсации глобального потепления

1990 г. Это дало бы самое незначительное снижение роста концентрации С02 - к 2100 г. различие соответствующих концентраций составляло бы несколько процентов или долей процента.

В работе на основе математического моделирования были оценены как возможный рост концентрации С02 в атмосфере на фоне поглощения биосферой и океаном излишков С02, так и последствия сокращения выбросов двуокиси углерода. Показано, что последнее позволит в небольшой степени уменьшить скорость роста двуокиси углерода в атмосфере. Можно надеяться, что предпринимаемые развитыми странами усилия по преобразованию экономики и увеличению эффективности расходования энергетических ресурсов позволят уменьшить их долю антропогенных воздействий на биосферу и климат без уменьшения уровня жизни населения этих стран. Однако пренебрежение процессами развития стран, находящихся за пределами «золотого миллиарда», может дать противоположный эффект - еще больший роста концентрации в атмосфере и дальнейшие нарушения климата и биосферы. Учитывая особое значение России в поглощении атмосферной С02, можно надеяться, что участие России в выполнении Киотского протокола

принесет ей политические и экономические выгоды.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 08-01-00607).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Базилевич Н.И., Родин Л.Е. Картосхемы продуктивности биологического круговорота главнейших типов растительности суши, // Изв. Всесоюзного Географического о-ва. 1967. т. 99. №

3. с. 190-194.

2. Пархоменко В.П. Верификация климатической

модели. М.: ВЦ АН СССР. 1988. 34 с.

3. ТаркоА.М. Антропогенные измененияглобаль-

ных биосферных процессов. Математическое моделирование. М.: Физматлит. 2005, 232 с.

4. Chan Y.H., Olson J.S., Emanuel W.R, Simulation of land-use patterns affecting the global carbon cycle, // Environmental Sciences Division. Publication N1273, Oak Ridge National Laboratory, 1979. 173 pp.

5. Marland G., Boden T., and Andres B. Global CO2

Global CO2 Emissions from Fossil-Fuel Burning, Cement Manufacture, and Gas Flaring: 1751-2004. NDP-030. // Carbon Dioxide Information Analysis Center. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, 2009.

INVESTIGATION OF ROLE OF THE BIOSPHERE IN COMPENSATION OF GLOBAL WARMING WITH THE AID OF THE MODEL OF GLOBAL CARBON DIOXIDE CYCLE

© 2009 A.M. Tarko

Dorodnitsyn Computing Center, Russian Ac.Sc., Moscow; e-mail: tarko@himki.net

With the aid of a spatial mathematical model of the global carbon dioxide cycle there were calculated the absorption of carbon dioxide emissions from fossil fuels burning, deforestation and soil erosion by terrestrial ecosystems, countries and regions of the world. Impacts of CO2 reductions of emission to the atmosphere based on different scenarios of fulfillment of the Kyoto Protocol to the Framework Convention on Climate Change are calculated. Estimations show that Russia is in a unique position relative to other countries: ecosystem its territory more than other countries absorb atmospheric CO2 and absorption by its territory almost equal to industrial emissions.

Keywords; Mathematical modeling, Global carbon dioxide cycle, Global warming, Biosphere, Biota, Net primary production, Anthropogenic impacts, Industrial carbon dioxide emissions, Le Chatelierprinciple.

Key words: soil, thermal diffusivity of soils, mathematical models.

1591