Изменение климата вызывает глобальную озабоченность

В 1992 г. участники Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Встреча на высшем уровне «Планета Земля» в Рио-де-Жанейро) приняли Рамочную конвенцию ООН об изменении климата (РКИКООН), являющуюся международным договором, призванным противостоять изменению климата. Конечная цель Конвенции состоит в том, чтобы стабилизировать концентрации парниковых газов (ПГ) «на уровне, который бы предотвратил опасное антропогенное (вызванное деятельностью человека) вмешательство в климатическую систему». Далее, в ней утверждается: «такой уровень должен быть достигнут в течение периода времени, достаточного для того, чтобы экосистемы смогли естественным образом адаптироваться к изменению климата, чтобы обеспечить отсутствие угроз для продовольственной безопасности и создать возможности для устойчивого экономического развития». В настоящее время Конвенция объединяет 197 Сторон. Но каковы были мотивация и основа для этой важной глобальной деятельности?

РКИКООН была создана на основании научных фактов и понимания, которые, прежде всего, базируются на долгосрочных наблюдениях за химическим составом атмосферы Земли и его изменением с течением времени. Систематические и точные измерения показывают быстро повышающиеся концентрации ПГ, таких как диоксид углерода. Эти измерения также однозначно устанавливают в качестве причины такого повышения деятельность человека и связывают повышение концентраций ПГ с глобальным потеплением и негативными воздействиями климата.^[1]3

Со времен промышленной (или энергетической) революции XVIII века деятельность человека вызывает постоянное увеличение концентраций ПГ, таких как СО₂, метан (СН₄) и закись азота (N₂O), в результате чего повышаются глобальные средние температуры. Концентрации СО₂ повысились более чем на 40 % относительно предпромышленных уровней и продолжают повышаться с растущей скоростью. Сейчас они выше, чем были, по меньшей мере, в течение около 4 миллионов лет, когда глобальные средние температуры были на 2–3° выше, чем в XIX веке, а уровень моря – на 7–25 метров выше, чем сегодня^[2]. Текущие уровни СН₄ в 2,5 раза превышают значение предпромышленной эры, и после нескольких лет стабильности концентрации СН₄ снова повышаются. Прямым последствием этих изменений в составе атмосферы является быстрое повышение глобальных средних температур. Недавно ВМО объявила, что в 2016 г. глобальная средняя температура была почти на 1,1 °С выше температуры предпромышленного периода. Она была почти на 0,83 °С выше многолетнего среднего значения (14 °С) за базовый период ВМО 1961–1990 гг. и почти на 0,07 °С выше предыдущего рекорда, установленного в 2015 г.

Глобально осредненные приземные молярные доли диоксида углерода и метана и их скорости роста, рассчитанные по сети наблюдений in situ Программы ГСА

В 2013 г. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) выпустила Пятый оценочный доклад (ОД5), в первом томе которого говорится о физической научной основе изменения климата. Однозначный вывод заключается в том, что изменение климата реально, его причиной является деятельность человека, а негативное воздействие на общество, такое как повышение уровня моря, стремительно растет. Впервые МГЭИК также смогла оценить суммарные выбросы СО₂ с предпромышленных времен и предоставить бюджет СО₂ для будущих выбросов, чтобы ограничить потепление до менее чем 2 °С. Около половины этого бюджета уже поступило в атмосферу к 2011 г.

 В декабре 2015 г. РКИКООН приняла Парижское соглашение об изменении климата. Его цель состоит в том, чтобы к концу столетия глобальная температура превышала предпромышленный уровень значительно менее чем на 2 °С и чтобы в последующем предпринять усилия по еще большему ограничению ее роста до 1,5 °С.

Глобальные уровни СО₂ повысились на 12 %, от 356 ч/млн в 1992 г., когда была принята РКИКООН, до 400

ч/млн в 2015 г. За этот же период выбросы в эквиваленте СО₂ (для любого количества и типа ПГ количество СО₂, которое оказывало бы эквивалентное воздействие на глобальное потепление) возросли на 13 %, с 421 до 485 ч/млн. Благодаря кумулятивному эффекту ПГ, в атмосфере благоприятная возможность для достижения целей Парижского соглашения очень быстро исчезает^[1].⁵

Парижское соглашение намерено достичь свою цель посредством «определяемых на национальном уровне вкладов» (ОНУВ), которые варьируются в зависимости от возможностей страны и уровня экономического развития. Согласно нескольким независимым оценкам, совокупность всех обязательств по сокращению выбросов при наличии существующих ОНУВ не приводит мир к достижению целей Парижского соглашения. В структуре соглашения принят во внимание этот изначальный пробел и предусмотрено периодическое «глобальное подведение итогов осуществления» каждые пять лет начиная с 2018 г. с намерением осуществлять мониторинг глобального прогресса на пути достижения вышеуказанных целей. У стран будет время критически оценить свой индивидуальный прогресс и шанс ликвидировать пробел за счет повышения своих обязательств. Но как определить прогресс на пути достижения целей Парижского соглашения?

Кейп Пойнт, Южная Африка, станция ГСА

Измерения состава атмосферы с целью контроля выбросов

Лучшим показателем успешности и жизнеспособности Парижского соглашения являются сами измерения атмосферных концентраций СО₂ и других ПГ, которые стимулируют воздействие на изменение климата. Непрерывные последовательные и точные измерения концентраций ПГ в локальном, национальном и глобальном масштабах имеют ценность помимо их исходной роли предвестника, привлекающего внимание к проблеме изменения климата. Измеренные концентрации ПГ являются конечным показателем успеха политики сокращения выбросов. Независимо от проводимой политики сокращения выбросов ПГ и применяемых мер ее эффективное осуществление, как краткосрочное, так и долгосрочное, потребует последовательной, надежной и своевременной информации о величине концентраций ПГ, их источниках и поглотителях и их тенденциях во времени. Для того чтобы глобальное подведение итогов осуществления имело желаемый эффект, необходимо установить глобальный целевой показатель для средних концентраций ПГ в период 2030–2050 гг., трансформировать его в конкретные усилия по сокращению выбросов и периодически обновлять. Для правительств отдельных стран концентрации ПГ и их временные тренды являются наилучшим способом, чтобы четко оценить, дают ли предпринимаемые в стране действия желаемые результаты в глобальном масштабе.

Создание Программы Глобальной службы атмосферы (ГСА) ВМО в 1989 г. было продиктовано потребностью в более глубоком научном понимании растущего влияния деятельности человека на состав атмосферы и последующего влияния на окружающую среду. Проводимые ГСА измерения озоноразрушающих газов уже сыграли и продолжают играть важнейшую роль в успешном реагировании, согласно Монреальскому протоколу, на истощение стратосферного озона и повышение УФ-радиации. Проводимые ГСА измерения ПГ признаны Глобальной системой наблюдений за климатом в качестве ключевого компонента ее плана осуществления в рамках Р КИКООН. Измерения ПГ традиционно производятся в отдаленных районах, что позволяет оптимизировать частоту замеров глобальных фоновых концентраций. В 2016 г. ГСА приступила к выполнению нового плана осуществления, основанного на концепции «наука в интересах обслуживания» и обеспечивающего повышение ориентации Программы на пользователя.  

В соответствии с требованиями РКИКООН определенные страны должны предоставлять отчеты о своих ежегодных кадастрах ПГ. Эти отчеты подготовлены согласно статистическим методам, указанным в Рекомендациях за 2006 г. Специальной группы МГЭИК по национальным кадастрам парниковых газов (СГК МГЭИК). В 2010 г. научные сообщества, занятые атмосферой, углеродным циклом и изменением климата, провели ряд исследований на предмет потенциальной возможности измерений концентраций ПГ в атмосфере и анализов с использованием моделей, чтобы дать независимую оценку и повысить точность кадастров выбросов ПГ. Эти исследования показали, что реализация такого подхода потребует дополнительных инвестиций в исследования, повышения плотности хорошо откалиброванных измерений атмосферных ПГ, усовершенствования моделирования атмосферного переноса и более широких возможностей в области усвоения данных.

Концепция ГСА «наука в интересах обслуживания»: ИГИСПГ

Семнадцатый Всемирный метеорологический конгресс принял резолюцию, инициирующую разработку Интегрированной глобальной информационной системы по парниковым газам (ИГИСПГ) на основе успехов и прогресса ГСА в области атмосферных измерений и моделирования с 2010 г. Для разработки концептуального документа по ИГИСПГ была создана Группа по планированию, которая включала ученых и заинтересованных лиц из развитых и развивающихся стран во всех шести регионах ВМО. ИГИСПГ будет тесно сотрудничать с создателями кадастров и другими заинтересованными сторонами, которые должны следить за выбросами ПГ, чтобы разработать методологии,  позволяющие определить, как можно объединить данные измерений концентраций ПГ в атмосфере (метод «сверху вниз») с кадастровыми данными о выбросах (метод «снизу вверх») для более эффективного предоставления

информации и управления мерами по сокращению выбросов. Для успеха ИГИСПГ важнейшую роль будут играть стандарты ГСА и ее сеть измерений ПГ, но станции измерения должны быть расположены и нацелены на работу не только в удаленных местах, но и в районах основных источников ПГ, где происходит сокращение выбросов или в нем есть необходимость.

Работа ИГИСПГ будет сосредоточена на существующих сценариях использования, для которых имеются проверенные научно-технические навыки, а также на случаях, когда информация ИГИСПГ может удовлетворить высказанные (или ранее непризнанные) потребности лиц, принимающих решения, которые будут оценивать эту информацию. Критериями конечного успеха является то, что информация ИГИСПГ «используется» и служит руководством для принятия полезных и дополнительных мер по сокращению выбросов, укрепляя тем самым доверие к роли измерений состава атмосферы как важной части комплекса средств для смягчения воздействий на изменение климата.

Успех ИГИСПГ будет зависеть от международной координации Членов ВМО и сотрудничества с рядом партнеров ВМО, таких как Программа ООН по окружающей среде, Международное бюро мер и весов, Группа по наблюдениям за Землей, МГЭИК и многие другие. ИГИСПГ установит и будет распространять стандарты и рекомендации относительно методов подготовки согласованной и подлежащей взаимному сравнению информации, которую уже выпускает ГСА, для выработки стандартов измерений концентраций. Со временем структура ИГИСПГ должна быть способна поддерживать и воспринимать передовые технические возможности (например, новые спутниковые наблюдения и датчики), постоянно расширяя охват и повышая качество информации, а также повышая доверие пользователей.

Работа по осуществлению ИГИСПГ ведется после одобрения концептуального документа Исполнительным советом ВМО в июне 2016 г. Группа ИГИСПГ определила четыре задачи, первые три из которых сформулированы следующим образом: 1) уменьшить неопределенность в национальных кадастрах выбросов, передаваемых РКИКООН; 2) локализовать и количественно определить возможности для сокращения ранее неизвестных выбросов, таких как выбросы летучих соединений метана от промышленных источников и 3) обеспечить административно-территориальные образования, такие как крупные городские районы (мегаполисы), являющиеся источником выбросов, своевременной количественной информацией о величине, трендах и отраслевой принадлежности выбросов ПГ для достижения целей по их сокращению.

Четвертая задача ИГИСПГ по характеру и масштабу идентична задаче 3, но сосредоточена на поддержке глобального подведения итогов осуществления, предусмотренного Парижским соглашением. При необходимости она будет выполняться в национальном и глобальном масштабах, но в настоящее время она не настолько хорошо разработана, как три других задачи. Одна из причин состоит в том, что, хотя ИГИСПГ имеет представление о том, как поддерживать подведение итогов, в Парижском соглашении конкретно не определено, как будет проводиться это глобальное подведение итогов осуществления. Другая причина заключается в том, что учет выбросов СО₂ от ископаемого топлива методами «сверху вниз» не достаточно разработан, чтобы обеспечить соответствие точности  протоколов третьего уровня СГК МГЭИК для оценки кадастров выбросов СО₂ от ископаемого топлива в масштабе страны. Это связано с тем, что атмосферные измерения СО₂ содержат значимый биосферный сигнал, и поэтому являются необходимыми (но недостаточными) для того, чтобы делать выводы относительно выбросов  СО₂ от ископаемого топлива^[1]. Однако показано, что вывод о выбросах  СО₂ от ископаемого топлива можно сделать на основе анализа инверсионного моделирования с использованием комбинации измерений СО₂ и радиоактивного углерода (¹⁴СО₂) в атмосфере и измерений других параллельно изменяющихся веществ, содержащихся в атмосфере^[2].^, Осуществление ИГИСПГ происходит по двум направлениям деятельности:

• подготовка методических рекомендаций, описывающих «надлежащую практику» использования атмосферных измерений для осуществления в рамках каждой задачи;
• инициирование новых проектов и наглядных примеров, которые распространяют и продвигают эту надлежащую практику использования и укрепляют уверенность  заинтересованных сторон в ценности информации ИГИСПГ.

Задача 1 – Поддержка национальных кадастров выбросов ПГ

До заключения Парижского соглашения РКИКООН потребовала, чтобы Стороны (развитые страны), включенные в Приложение 1, представили годовые отчеты по странам, содержащие национальные кадастры выбросов, а на Стороны (развивающиеся страны), не включенные в Приложение 1, это требование не распространялось. В настоящее время пункт 7 Статьи 13 Парижского соглашения гласит:

Каждая Сторона регулярно представляет следующую информацию: а) информацию в отношении национального кадастра антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, составляемого с использованием методологий на основе надлежащей практики, принятых Межправительственной группой экспертов по изменению климата и согласованных Конференцией Сторон, действующей в качестве совещания Сторон настоящего Соглашения.

«Методологии на основе надлежащей практики», упомянутые в Парижском соглашении, представляют собой протоколы, разработанные СГК МГЭИК. В них объединяются факторы выбросов от конкретного источника со статистическими данными активности, например количество и тип работающих на угольном топливе предприятий и машин на дороге – методы «снизу вверх». Выбросы двуокиси углерода от использования однородного ископаемого топлива и предсказуемые процессы можно точно оценить там, где имеются качественно разработанные статистические системы, но другие более неоднородные и рассредоточенные источники, такие как источники метана, связанные с организацией сбора и удаления отходов, добычей природного газа и передачей его по трубопроводу, оценить труднее.

Измерения в атмосфере и анализы на основе моделей могут поддержать этот процесс, обеспечивая полезные дополнительные ограничивающие условия для метода количественного определения «сверху вниз» (где потоки оцениваются посредством инверсионного моделирования наблюденных концентраций).

Швейцария, Великобритания и в меньшей степени Австралия уже используют результаты анализов по методу «сверху вниз» для усовершенствования своих сообщений о кадастрах выбросов на основе метода «снизу вверх». Ближайшая задача ИГИСПГ состоит в том, чтобы распространить эту надлежащую практику использования и установить показатели качества для методов «сверху вниз», а также показать, как их можно сравнить с кадастрами ПГ, разработанными на основе методов «снизу вверх», и как можно использовать результаты для целенаправленного улучшения ввода кадастровых данных на основе метода «снизу вверх». Примером прогресса в достижении этой цели служит одобренный структурный план «Уточнений 2019 г. к Руководящим принципам МГЭИК 2006 г. по национальным кадастрам парниковых газов». Он призван усовершенствовать и развить Руководящие принципы СГК МГЭИК, чтобы включить использование измерений в атмосфере и результатов модельных анализов на основе новых богатых научных и эмпирических знаний, накопленных и опубликованных с 2006 г.

Задача 2 – Обнаружение и количественная оценка выбросов летучих соединений метана

Глобальные атмосферные концентрации метана продолжают повышаться, но глобальная изменчивость скорости роста и связь с природными и антропогенными источниками изучены недостаточно. Природный газ, состоящий в основном из метана, потенциально может быть значительно более благоприятным для климата источником энергии, чем уголь или нефть. Но проблема состоит в том, что если метан попадает в атмосферу без сгорания, он становится очень активным парниковым газом – гораздо более активным, на уровне молекулы, чем двуокись углерода.

Количество и местоположение выбросов летучих соединений метана от промышленных и сельскохозяйственных источников изучены недостаточно. Задача ИГИСПГ заключается в том, чтобы распространить на весь мир значительные успехи Фонда защиты окружающей среды и Национального управления по исследованию океанов и атмосферы, достигнутые  в области обнаружения крупнейших источников выброса метана в цепочке поставок нефти и газа в Северной Америке^{[1], [2]}. Если на основании такой информации принимать меры, это позволило бы значительно снизить выбросы метана.

Исследование этих решений и их применение к новым местам или характеру выбросов – например, с морской платформы – даст потенциальную возможность для дальнейшего сокращения выбросов. Задача ИГИСПГ также состоит в том, чтобы распространить эти подходы на другие области, связанные с выбросом метана, такие как затопляемые территории, сельское хозяйство, свалки и сточные воды, и в среднесрочной перспективе разработать методологию для каждой области. Эти области тесно связаны с городскими выбросами, поскольку по сравнению с местами добычи нефти и газа они расположены в городах или вблизи них.

Д-р Габи Петрон со своей мобильной лабораторией по измерению ПГ изучает утечки метана. Мощные выбросы летучих соединений метана можно обнаружить с помощью многоуровневых наблюдений со спутников, самолетов, наземных средств и высоких метеорологических мачт, которые могут успешно уменьшать масштаб от регионального  до места утечки в пределах объекта.

Задача 3 – Оценка и определение источников выбросов в мегаполисах

Лимско-Парижская программа действий Парижского соглашения официально определила роль административно-территориальных образований, таких как города (районы крупных городских источников). Города и их электростанции являются крупнейшими источниками антропогенных выбросов ПГ. Чтобы оценить городские выбросы в масштабах, пригодных для принятия решений на уровне города, и определить возможности снижения углеродных выбросов или смягчения последствий от их воздействия, городам необходима более качественная информация об окружающих их источниках выбросов. Такая информация должна не только отражать научно обоснованные методы, но и помещать выбросы в пространственно-временные масштабы, пригодные для принятия решений на уровне города, а также определять ключевые функциональные характеристики (область, подобласть, топливо).

В рамках ряда научно-исследовательских проектов по всему миру, таких как Indianapolis INFLUX study (исследование потоков в Индианаполисе) и Los Angeles/Paris Megacity Project (проект по мегаполисам Лос-Анджелес и Париж), были разработаны и протестированы методы оценки выбросов ПГ. В результате была создана система информации о городских ПГ, которая сочетает мониторинг атмосферы, извлечение данных и алгоритмы моделей. ИГИСПГ модернизирует эту информационную систему так, чтобы

ее можно было использовать в разных частях мира, особенно в странах с низким и средним доходом, где потребность в информации о ПГ наиболее высока, а возможности ограничены.

Ряд исследований показал потенциальную возможность для более эффективного количественного определения выбросов ПГ и тенденций в городах, где имеются сети измерения атмосферы и проводятся анализы результатов инверсионного моделирования с высоким разрешением.^[1],[2] Потребность в измерениях атмосферной инверсии является более острой в случае выбросов СО₂ от ископаемого топлива. Однако имеются данные о том, что, сочетая анализ (на основе модели инверсии) достаточно густой и хорошо распределенной сети измерений с конкретной предыдущей информацией об источниках, можно дать более точную количественную оценку городских выбросов СО₂ от ископаемого топлива.^[3]13

Хотя данные о трендах суммарных городских выбросов СО₂ от ископаемого топлива весьма полезны, градостроителям и руководителям потребуется информация по конкретной отрасли, чтобы иметь возможности снизить выбросы. В странах с формирующейся экономикой, которые могут иметь ненадлежащую статистическую информацию (полученную методом «снизу вверх») о выбросах на территории страны, в районах расположения крупных городских источников и в лесных массивах инверсионные методы атмосферных измерений по принципу «сверху вниз», используемые ИГИСПГ, могут оказаться особенно ценным источником базовой информации и информации о трендах.

Суммарные оценки потоков за 30 дней по четырем 6-часовым периодам для антропогенных выбросов (помечено красным), потоков биогазов (помечено зеленым) и общих значений (помечено голубым). Предыдущие оценки представлены в виде незакрашенных прямоугольников, а последующие – в виде закрашенных прямоугольников. Уменьшение неопределенности очевидно для утреннего и дневного периодов времени.[1]   [1] Ciais et al., 2015: Towards a European Operational Observing System To Monitor Fossil CO2 Emissions (www.copernicus. eu/sites/default/fi les/library/CO2_Report_22Oct2015.pdf)

ИГИСПГ – Обеспечение осведомленности о ситуации с углеродом

Земная система связи между углеродом и климатом претерпевает беспрецедентные по силе изменения. Эти изменения вызваны выбросами от ископаемого топлива и выбросами, связанными с изменениями в землепользовании, которые повышают атмосферные концентрации СО₂ и других парниковых газов. За последние десятилетия влияние выбросов на увеличение СО₂ в атмосфере сильно уменьшилось за счет реакции природного углеродного цикла, при этом в среднем примерно половину выбросов поглощают океанские и наземные поглотители углерода. Предполагается, что в будущем изменение климата ослабит мощность природных поглотителей, т. е. снизит их способность поглощать СО₂. Это сочетание комплексности во многих пространственно-временных масштабах и процессов контроля имеет некоторые параллели с хорошо известными метеорологическими и другими экологическими экстремальными явлениями. Однако в отличие от метеорологических и других экстремальных явлений «осведомленность общества о ситуации» в области сопряженной системы «человек–природный углерод» в настоящее время ограничена.

Хотя ИГИСПГ имеет задачи на ближайшую перспективу и готовые результаты, которые позволят расширить знания о выбросах и помогут обосновать новые возможности для их сокращения, долгосрочный положительный результат состоит в том, чтобы иметь возможность обеспечить важную для принятия решений информацию о ситуации с углеродом посредством

исчерпывающих, надежных и непрерывно проводимых оценок потоков парниковых газов.

Перспективное видение возможностей ИГИСПГ в каком-то смысле совпадает с некоторыми аспектами современного метеорологического обслуживания, т. е., главным образом, это – своевременное предоставление текущих и последних данных о потоках углерода и деятельность по обеспечению контроля (во временном масштабе нескольких недель, а не лет). Как и в современном метеорологическом обслуживании, переход от научно-исследовательской к оперативной системе информации и наблюдения ПГ сопровождается целым рядом трудно решаемых проблем, и на его осуществление потребуется несколько десятилетий.

В процессе исследования, финансируемого Европейской комиссией, были рассмотрены потребности в оперативной системе наблюдений, способной осуществлять мониторинг выбросов СО₂ от ископаемого топлива. Эта система главным образом охватывает территорию Европы и основывается на инвестициях, уже вложенных в Программу Copernicus. Выводы отчета соотносятся с заполняющими пробелы инвестициями, которые необходимы для того, чтобы с использованием подхода ИГИСПГ обеспечивать дополнительные важные ограничения в отношении кадастров выбросов СО₂ от ископаемого топлива и в отношении долгосрочной цели ИГИСПГ, предполагающей более систематический оперативный подход. ИГИСПГ будет использовать в качестве основы, интегрировать и совершенствовать существующие и перспективные наземные сети измерений, авиационные и спутниковые наблюдения, системы моделирования и системы усвоения данных, а где необходимо – ликвидировать основные пробелы в этих системах.

ВМО, ее Члены и партнеры будучи поставщиками современного метеорологического обслуживания имеют опыт и технические знания, важные для создания ИГИСПГ и ее поддержки на будущих этапах ее строительства, развертывания и функционирования. Используя имеющиеся навыки метеорологического обслуживания и текущие исследования атмосферы и углеродного цикла, ВМО может обеспечить руководство и структуру, необходимые для поддержки создания ИГИСПГ, которая способна предоставлять обществу ситуационную информацию для принятия решений, поскольку оно пытается управлять неизбежными воздействиями изменения климата и избегать его неуправляемых последствий.

Авторы