Катастрофические природные пожары 2021 года: случайная аномалия или новая норма?
Леса принято называть «лёгкими планеты»: в процессе фотосинтеза они поглощают из атмосферы углекислый газ (СО2, или двуокись углерода) и выделяют кислород. Молодой, растущий лес активно переводит атмосферный углекислый газ в древесину. С увеличением возраста дерева этот эффект уменьшается и постепенно сходит на нет. Дерево умирает, становится пищей для бактерий, и бактерии возвращают СО2 в атмосферу. Таёжные пожары Северного полушария считаются обычным и даже положительным явлением, ведь огонь освобождает леса от старых деревьев и даёт возможность развиваться молодняку и поглощать СО2. Выделяемые пожарами парниковые газы, в первую очередь углекислый газ, таким образом, — часть естественного глобального углеродного цикла.
Сказанное, однако, справедливо только в условиях устойчивого климата. Под воздействием деятельности человека климат меняется, например, растёт температура, что приводит к росту интенсивности и количества засух, способствующих пожарам. Вклад природных пожаров в углеродный баланс может расти. Двуокись углерода и другие продукты горения добавляются к антропогенному СО2 и усиливают рост температуры. Это называется «положительной обратной связью».
В последние годы таёжные леса России (а также США и Канады) горят на огромных площадях, и эти площади всё увеличиваются. И тут встаёт вопрос, сколько же они выделяют парниковых газов в атмосферу? Углекислый газ — результат полного сгорания углерода. В условиях недостатка кислорода, например при горении торфа, существенная часть торфяной органики окисляется до моноксида углерода (СО), в просторечии — угарного газа. Кроме того, при высокой температуре почвенная органика может разлагаться до метана (СН4), второго по важности парникового газа после СО2.
По существующим данным1, при горении бореальных лесов (то есть лесов умеренных и холодных широт) на один килограмм СО2 выделяется 85 г СО и около 4 г метана. При торфяных пожарах выделяется 123 г СО и около 12 г метана на килограмм СО2. Однако нужно учитывать, что тепловой эффект, создаваемый СН4 для временнóго масштаба 20 лет, в 72 раза выше, чем эффект такого же количества углекислого газа2. Поэтому выброшенные 4 г и 12 г СН4 эквивалентны выбросу 288 г и 864 г СО2 для лесных и торфяных пожаров, соответственно. Мы видим, что парниковый эффект метана, образовавшегося при горении торфа, практически такой же, как и для СО2.
Оценка количества парниковых газов, выделяемых природными пожарами, в особенности в Сибири с её просторами и крайне редкой сетью наблюдений, не столь проста. Можно идти двумя путями. В первом случае площадь сгоревших лесов определяют по спутниковым наблюдениям в видимой и ближней ИК-областях спектра. Количество органического углерода в сгоревшей биомассе на данной территории можно оценить по имеющимся, хотя и редким, сетевым наблюдениям. Количество газообразных продуктов горения в расчёте на килограмм сухой биомассы зависит от типа пожара — верхового, низового, торфяного и т. п. Для простоты методики такого рода называются «bottom-up» (снизу вверх). Такой путь расчётов выбрала научная группа Амстердамского свободного университета (Vrije Universiteit Amsterdam, Нидерланды) под руководством доктора Гвидо ван дер Верфа (Guido van der Werf).
Другой путь оценки величины эмиссии парниковых газов основан на измерениях их концентраций в атмосфере: наземных, самолётных или спутниковых. Принято называть эти методики «top-down» (сверху вниз). Преимущество спутниковых измерений концентраций перед остальными — глобальный охват. Спутниковые спектрометры измеряют спектры излучения поверхности Земли в средней ИК-области или отражённого солнечного излучения в ближней ИК-области. Для пересчёта спектроскопических данных в концентрации газов, а затем в скорости эмиссии разрабатываются специальные программы. Основной недостаток спутниковых методов — невысокая точность. Недостаточная чувствительность спектральных измерений для нижних слоёв атмосферы требует внесения поправок на основе сравнения с данными более точных наземных спектрометров. Кроме того, облачность и дым от пожаров (аэрозоль) также искажают данные о концентрации выброшенных газов. Поэтому комбинация этих двух независимых подходов для исследования эмиссий парниковых газов представляется наиболее надёжным источником информации такого рода.
В этой статье использованы данные измерений оксида углерода СО с помощью орбитального спектрометра AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) на спутнике Aqua, запущенном NASA в 2002 году. Это один из наиболее длительных рядов наблюдений за атмосферой на сегодняшний день. Программы обработки его спектральных данных с целью измерения температуры, влажности, облачности и других параметров на разных высотах в тропосфере созданы в Центре космических полётов им. Годдарда, США (NASA, Earth Observation Data). Эти программы постоянно совершенствуются, последняя версия — уже седьмая по счёту. Данные обработки, включая вертикальные профили концентраций метана и СО, доступны исследователям всех стран мира для анализа.