Реакция двуокиси углерода и качества воздуха на сокращение выбросов в результате ограничений, связанных с COVID-19

Человечество переживает кризис в области здравоохранения и связанный с ним экономический кризис из-за COVID-19. Воздействие мер, принимаемых правительствами, очень велико. Ограничения на передвижение населения и хозяйственную деятельность привели к изменению антропогенных выбросов и химического состава атмосферы. Эти изменения особенно заметны в городских районах и наблюдаются в традиционных загрязнителях, а также в парниковых газах.

Потенциальные связи между загрязнением воздуха, вирусом и болезнью представляют большой интерес для Глобальной службы атмосферы (ГСА) ВМО, так же, как и возможность наблюдать за беспрецедентным быстротечным и сложным изменением антропогенных выбросов в большинстве районов мира. Сообщество ГСА инициировало исследования о влиянии кризиса на состав атмосферы в глобальном, региональном, национальном и городском масштабах. Глобальные и региональные исследования базируются на использовании глобальной сети спутниковых наблюдений, численном моделировании и усвоении данных, в то время как исследования более мелкого масштаба в значительной степени основываются на прямом анализе наблюдений in situ.

Двуокись углерода

Двуокись углерода является одним из долгоживущих парниковых газов, который накапливается в атмосфере. Когда между источниками и поглотителями CO₂ устанавливается чистый баланс, концентрация CO₂ будет иметь небольшую изменчивость. Так было в течение 14000 лет, предшествовавших индустриальной эпохе, которая началась примерно в 1750 году нашей эры. Выбросы от сжигания ископаемого топлива и изменения характера землепользования привели к увеличению CO₂ в атмосфере с доиндустриального уровня, составлявшего 280 частей на миллион (ppm), до нынешнего уровня, превышающего 410 частей на миллион (это означает 410 молекул CO₂ на миллион молекул воздуха, или 0,041 % всех молекул воздуха).

Последний анализ наблюдений, полученных с помощью ГСА при поддержке научно-консультативной группы по парниковым газам и Мирового центра данных по парниковым газам, показывает, что в 2019 году глобально усреднённые приземные мольные доли (мера концентрации), рассчитанные на основе сети in situ для CO₂, метана (CH₄) и закиси азота (N₂O), достигли новых высот: CO₂ — 407,8±0,1 ppm, CH₄ —1869±2 части на миллиард (ppb) и N₂O — 331,1±0,1 ppb. Эти значения составляют 147, 259 и 123 % по отношению к уровням доиндустриального периода [WMO 2019]. В 2019 и 2020 годах концентрация этих основных парниковых газов продолжала расти. Данные из всех районов мира, включая ведущие обсерватории — глобальные станции ГСА Мауна-Лоа (Гавайи) и Кейп-Грим (Тасмания) — показывают, что уровни CO₂, CH₄ и N₂O продолжали расти в 2020 году (рис. 1). Более подробная информация о тенденциях в области парниковых газов имеется в Бюллетене ВМО по парниковым газам и в докладе «United in Science» (Единство в науке) [WMO 2020].

Рисунок 1. Среднемесячная мольная доля CO₂ в ppm по данным обсерватории Кейп-Грим (слева) и обсерватории Мауна-Лоа (справа). Красной пунктирной линией обозначены среднемесячные величины c центром в середине каждого месяца. Чёрной линией обозначено то же самое после корректировки для среднего сезонного цикла. Источники: capegrim.csiro.au/ и www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/mlo.html.

Несмотря на усилия по сокращению выбросов на душу населения, как это предусмотрено в Киотском протоколе и Парижском соглашении по климату 2015 года, в последнее десятилетие выбросы CO₂ в мировом масштабе каждый год увеличивались примерно на 1 % [GCP2019]. Дополнительные выбросы CO₂ привели к его увеличению в атмосфере в этот период на 2–3 ppm в год [WMO2019]. Эта изменчивость темпов роста концентрации СО₂ в атмосфере, составляющая примерно 1 ppm, почти полностью обусловлена изменчивостью в поглощении CO₂ экосистемами и океанами. На эти два поглотителя вместе приходится примерно 50 % выбросов в результате деятельности человека [GCP2019].

Рисунок 2. Среднесуточный объём выбросов CO2 с 5 февраля по 6 мая 2020 года (красная зона) и среднее значение за тот же период времени в предыдущие годы (серая зона). Тёмнооранжевые горизонтальные полосы охватывают периоды официальной изоляции, в то время как светлооранжевые полосы указывают на периоды частичной изоляции или общих ограничений (например закрытие школ, сокращение личных контактов, ограничения мобильности). Источник: ICOS2020b.

В рамках Глобального углеродного проекта (ГУП) [GCP2020] был проведён анализ сокращения экономической деятельности в связи с режимом ограничений по причине COVID-19 в крупнейших экономиках мира. По оценкам аналитиков, в период жёстких ограничений суточные выбросы в глобальном масштабе могли сократиться до 17 %. Поскольку продолжительность и тяжесть ограничительных мер остаются неясными, прогноз суммарного годового сокращения выбросов на период после 2020 года является весьма неопределённым. По оценкам ГУП, это ежегодное сокращение составляет от 4,2 до 7,5 %. Именно такие темпы сокращения выбросов необходимы из года в год в ближайшие 30 лет для достижения цели Парижского соглашения по ограничению потепления климата до 1,5 °C. Это подразумевает, что ежегодный глобальный рост CO₂ (обычно 2–3 ppm) сократится на 4,2–7,5 % (т. е. на 0,08–0,23 ppm, а кратковременное сокращение может быть до двух раз больше), что вполне соответствует естественной межгодовой изменчивости, составляющей 1 ppm. Аналогичный вывод был сделан проектом Carbon Brief (CB2020) и Интегрированной системой наблюдений за углеродом (ИКОС) (ICOS2020 a).

Глобальный сигнал содержания CO₂ в атмосфере представляет собой интеграцию всех природных и антропогенных потоков в атмосферу и из неё, которые хорошо перемешались при турбулентном перемешивании и атмосферном переносе. Глобальная сеть наземных станций ГСА может определять глобальные изменения содержания CO₂ в атмосфере в течение года с точностью до 0,1 ppm. Спутниковые наблюдения пока не могут определять глобальное среднее значение с такой точностью. Когда измерения in situ проводятся ближе к конкретным источникам и поглотителям, отдельные сигналы могут быть более сильными, но также запутанными, и в большинстве случаев естественный сигнал демонстрирует самую высокую изменчивость с сильными суточными и сезонными колебаниями, в то время как выбросы, обусловленные ископаемым топливом, относительно постоянны. Это затрудняет обнаружение примерно от 10 до 20 % изменений во временных масштабах года или более коротких периодов. В настоящее время в нескольких городах и регионах мира проводятся измерения содержания радиоактивного изотопа «углерод-14» в CO₂ с тем, чтобы отделить источники CO₂, обусловленные ископаемым топливом, от экосистемных источников и поглотителей, независимо от того, насколько эти источники и поглотители изменчивы. Однако эти измерения Carbon-14 немногочисленны, и лабораторный анализ отдельных образцов занимает много времени. Большая часть высокоточных измерений CO₂ выполняются посредством непрерывных измерений с использованием приборов in situ в рамках сетей, которые предназначены для приёма интегрированного сигнала от всех источников и поглотителей.

Для определения изменений сигнала от ископаемого топлива при высокой естественной изменчивости CO₂ требуются длинные временные ряды для получения надёжных статистических данных и моделирования сложных данных с использованием методов усвоения данных. Изменения выбросов в пределах 10–20 % трудно точно определить количественно, если только не измерять их на расстоянии примерно 10 км от источников выбросов, обусловленных ископаемым топливом. Пример значительных изменений в выбросах, которые могут быть измерены непосредственно в городах (например предложенных в рамках программы ИГИСПГ ВМО), демонстрирует ИКОС [ICOS2020b], где сокращение выбросов до 75 % было измерено в городских центрах Базеля, Флоренции, Хельсинки, Ираклиона, Лондона и Пезаро с использованием так называемых вихревых ковариационных методов, которые непосредственно измеряют вертикальные обменные потоки в пределах нескольких километров от точки измерения (рис. 2).

Анализ имеющихся данных показывает, что сокращение выбросов на 4–7 % в глобальном масштабе не означает, что CO₂ в атмосфере будет снижаться. На самом деле CO₂ будет продолжать накапливаться в атмосфере, и его концентрация продолжит расти, но c незначительным замедлением темпов этого роста. Чётко определить это изменение будет непросто из-за наложенной и более высокой естественной изменчивости.

Только тогда, когда чистые выбросы CO₂ в атмосферу приблизятся к нулю, можно ожидать, что чистое поглощение экосистемами и океанами начнёт немного снижать уровни CO₂ в атмосфере. Но даже тогда большая часть CO₂, уже добавленного в атмосферу, останется там на несколько веков и продолжит принимать участие в нагревании нашего климата.

Качество воздуха 

Рисунок 3. Сравнение средней плотности NO2 в тропосфере в январе и феврале 2020 года. Источник: NASA2020.

Снижение экономической активности и мобильности населения способствовало локальному улучшению качества воздуха. Время жизни загрязнителей воздуха в атмосфере короче, чем время жизни парниковых газов. Следовательно, воздействие сокращения выбросов на вещества, загрязняющие воздух, более локализовано, и его проявление в концентрации этих веществ в атмосфере можно наблюдать гораздо быстрее. Сниженные уровни двуокиси азота (NO₂) наблюдались со спутников во время изоляции во многих частях мира, включая, например, Китай (рис. 4; NASA2020) и Италию (рис. 3, САМS2020). Впрочем, качество воздуха частично определяется выбросами и частично изменениями погоды. В то время как неподвижный воздух приводит к накоплению загрязняющих веществ вблизи источников, ветер, вертикальное перемешивание и дожди способствуют их рассеиванию. Для того, чтобы отделить влияние погоды от влияния сниженных выбросов, необходим подробный анализ. В некоторых частях Европы выявление статистически устойчивой тенденции является ещё более сложной задачей, как показано ниже для некоторых столиц Северо-Западной Европы. Связанные с погодой эпизоды высоких (между 3-й и 4-й неделями; неделя 6) и низких приземных концентраций NO₂ являются основными характеристиками, которые можно увидеть (рис. 5; CAMS020). Было разработано несколько методов, чтобы попытаться разграничить влияние погоды и изменений выбросов путём оценки того, что было бы весной 2020 года при «обычных» условиях, с использованием, в частности, методов машинного обучения (см. [Barré2020]).

Многие учёные изучают влияние мер по введению режима изоляции, связанного с COVID-19, на качество воздуха, а также влияние уровня загрязнения воздуха и других экологических факторов на исход и распространение болезни. В ходе опроса среди сообщества ГСА было получено 86 ответов, большинство которых касались влияния ограничительных мер на уровень загрязнения воздуха и концентрацию парниковых газов. Под руководством научно-консультативной группы GURME проводится специальное исследование городского масштаба. Эта деятельность также подкрепляется работой над самими антропогенными выбросами и над изменениями, которые могут быть определены на основании общедоступных данных о деятельности, таких как статистические данные по транспорту/ мобильности населения или по энергетике (для Европы, см., например, [Guevara2020]).  

Рисунок 4. Сравнение приземных концентраций NO2 над Северной Италией, наблюдавшихся 31 января и 15 марта 2020 года. Источник: CAMS2020; ЕЦСПП.	Рисунок 5. Временные ряды приземных концентраций NO2 в столицах Северо-Западной Европы [CAMS2020].

Служба мониторинга атмосферы программы «Коперник» (САМS) ежедневно проводит анализ часовых концентраций загрязняющих воздух веществ, подлежащих контролю. Они могут служить в качестве проверочных наземных данных для количественной и более детальной оценки изменений концентраций, выявленных спутниками и объясняемых воздействием мер, связанных с COVID-19, по всему миру. CAMS создала информационный ресурс COVID-19 для быстрого предоставления надёжных данных [Peuch2020].

Совет по исследованиям ВМО создал целевую группу по COVID-19 в консультации со Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) через посредство Совместного бюро ВМО/ВОЗ. Целевая группа оказала поддержку в организации 4–6 августа международного виртуального симпозиума по влиянию климатологических, метеорологических и экологических факторов на пандемию COVID-19, а результаты симпозиума были представлены Исполнительному совету ВМО в сентябре.

Временное сокращение выбросов не заменит действий по борьбе с изменением климата или политики в области качества воздуха. Необходимы долгосрочные усилия и обязательства для достижения нулевых выбросов парниковых газов и обеспечения более чистого воздуха. 

Литература

[CAMS2020] Air quality information confirms reduced activity levels due to lockdown in Italy at 01/10/20.

[CB2020] Evans, S. www.carbonbrief.org/daily-global-co2-emissions-cut-to-2006-levels-during-height-of-coronavirus-crisis, at 09/10/20.

[GCP2019] Friedlingstein, P. et al. Global Carbon Budget 2019. Earth Syst. Sci. Data 11, 1783–1838 (2019). doi. org/10.5194/essd-11-1783-2019

[GCP2020] Le Quéré, C. et al. Temporary reduction in daily global CO₂ emissions during the COVID-19 forced confinement. Nat. Clim. Chang. (2020). doi. org/10.1038/s41558-020-0797-x

[ICOS2020a] Kutsch W. et al. Finding a hair in the swimming pool: The signal of changed fossil emissions in the atmosphere. www.icos-cp.eu/event/917, at 9/10/20.

[ICOS2020b] ICOS study shows clear reduction in urban CO₂ emissions as a result of COVID-19 lockdown. www.icos-cp.eu/event/933, at 9/10/20.

[NASA2020] Airborne Nitrogen Dioxide Plummets Over China earthobservatory.nasa.gov/images/146362/airborne-nitrogen-dioxide-plummets-over-china at 9/10/20

[Peuch2020] Peuch, V.H. et al. Copernicus contributes to coronavirus research. www.ecmwf. int/en/newsletter/164/news/copernicus-contributes-coronavirus-research at 09/10/20 atmosphere. copernicus.eu/european-air-quality-information-support-covid-19-crisis at 09/10/20

[WMO2019] WMO Greenhouse Gas Bulletin (GHG Bulletin) - No. 15: The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2018. library.wmo.int/index.php?lvl=notice_display&id=21620

[WMO2020] United in Science, WMO, United Nations Environment Programme (UNEP), Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) et al. library.wmo.int/ index.php?lvl=notice_display&id=21761#.X3w_uEBuJjs

[Barré2020] Barré, J., Petetin, H., Colette, A., Guevara, M., Peuch, V.-H., Rouil, L., Engelen, R., Inness, A., Flemming, J., Pérez García-Pando, C., Bowdalo, D., Meleux, F., Geels, C., Christensen, J. H., Gauss, M., Benedictow, A., Tsyro, S., Friese, E., Struzewska, J., Kaminski, J. W., Douros, J., Timmermans, R., Robertson, L., Adani, M., Jorba, O., Joly, M., and Kouznetsov, R.: Estimating lockdown induced European NO2 changes, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi.org/10.5194/ acp-2020-995, in review, 2020. acp.copernicus.org/ preprints/acp-2020-995/

[Guevara2020] Guevara, M., Jorba, O., Soret, A., Petetin, H., Bowdalo, D., Serradell, K., Tena, C., Denier van der Gon, H., Kuenen, J., Peuch, V.-H., and Pérez García-Pando, C.: Time-resolved emission reductions for atmospheric chemistry modelling in Europe during the COVID-19 lockdowns, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi.org/10.5194/acp-2020-686, in review, 2020. acp.copernicus.org/preprints/acp-2020-686/

Авторы

Алекс Вермюлен, Председатель НКГ ГСА ВМО по парниковым газам, Интегрированная система наблюдений за углеродом (ICOS) Европейского консорциума по исследовательской инфраструктуре (ERIC) — Портал данных по углероду, Лунд, Швеция

Джоселин Тернбулл, Сопредседатель Руководящего комитета Интегрированной глобальной информационной системы по парниковым газам ГСА ВМО и член НКГ ГСА ВМО по парниковым газам, научно-исследовательская организация GNS Science, Новая Зеландия, университет Колорадо, США

Винсент-Анри Пюх, Сопредседатель НКГ ГСА ВМО по применениям, Служба мониторинга атмосферы программы «Коперник», ЕЦСПП

Оксана Тарасова, Секретариат ВМО

Клавдия Волощук, Секретариат ВМО