Биосфера уже не справляется с избытком СО2

11.01.08

Экосистемы поглощают всё меньшую долю от того огромного количества углекислого газа, которое ежегодно попадает в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива, производства цемента и выжигания растительности. Если до недавнего времени по мере увеличения выбросов СО2 в атмосферу пропорционально возрастало и связывание его растениями в ходе фотосинтеза (в меньшей степени – также фитопланктоном океана), то теперь биосфера за человеком уже не успевает. К такому тревожному выводу пришла группа ученых из разных стран на основании исследования сезонных колебаний концентрации СО2 в различных точках Северного полушария. В статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature, сообщается, что усиление связывания СО2 растительностью весной (которая становится теплее и наступает всё раньше) фактически сводится на нет резким усилением выделения СО2 экосистемами в осенний период (который всё чаще становится аномально теплым). Осеннее выделение СО2 есть результат резкого усиления процесса дыхания всех организмов (в том числе растений, но главным образом бактерий и грибов) в ответ на повышение температуры.

Весна приходит в Западную Европу всё раньше и раньше. На снимке – распускающиеся листья тополя в Андалузии (Испания).

Содержание в атмосфере углекислого газа растет чрезвычайно быстро, что не может не вызывать всеобщей озабоченности, поскольку при этом усиливается парниковый эффект (удержание тепла у поверхности Земли) и развивается глобальное потепление. Если в середине XVIII века, до начала промышленной революции, содержание СО2 в атмосфере было около 280 ppm (parts per million, частей на миллион), или 0,028%, то сейчас концентрация его достигла 381 ppm. Меняется и скорость ежегодного прироста: в 1990-е годы она составляла 1,3% от текущей величины, а в период с 2000-го по 2006 год – уже 3,3%. Таких высоких абсолютных значений концентрации СО2 и темпов ее прироста не наблюдалось еще ни разу по крайней мере за последние 650 тыс. лет (срок, для которого имеются надежные данные на основании анализа газового состава пузырьков воздуха, запечатанных во льду Антарктиды).

Содержание углекислого газа в атмосфере на самом деле могло бы расти еще быстрее. Однако, к счастью для нас, примерно половина того количества СО2, которое попадает в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, связывается в результате фотосинтеза наземной растительности, а в меньшем объеме – и океанического фитопланктона (Canadell J.G., Le Quéré C., Raupach M.R., et al., 2007). Изучающие глобальный цикл углерода всё чаще обращают внимание на одно обстоятельство: хотя по мере увеличения выбросов СО2 в результате сжигания ископаемого топлива растет и концентрация СО2 в атмосфере, соотношение приростов этих двух величин (то есть поступления СО2 и наблюдаемой его концентрации) не меняется. Иными словами, биосфера (а более точно – совокупность фотосинтезирующих организмов) поглощает всё большее абсолютное количество углерода.

Но каковы возможности экосистем по связыванию углекислого газа? Очевидно, поглощать дополнительное количество СО2 экосистемы будут только до тех пор, пока будет увеличиваться масса растительности и/или масса органического вещества, надолго выводимая из круговорота, например попадающая в почву, в болота или в донные отложения озер. Рано или поздно предел связывания СО2 экосистемами будет достигнут, и тогда скорость прироста содержания СО2 в атмосфере сразу возрастет по меньшей мере в два раза. Это произойдет даже в том случае, если выбросы останутся на прежнем уровне (что само по себе маловероятно). То, что «углеродная емкость» океана уже достигла предела и связывание океаном дополнительного количества СО2 сокращается, доказано недавно прямыми наблюдениями (Le Quéré C., Rödenbeck C., Buitenhuis E.T. et al., 2007).

И вот в только что вышедшем номере журнала Nature (от 3 января 2008 года) опубликована статья, в которой сообщается о тревожных признаках сокращения возможностей поглощения СО2 также и наземными экосистемами. Авторы статьи из Лаборатории изучения климата и окружающей среды (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, Жиф-сюр-Ивет, Франция) и других учреждений Франции, а также Бельгии, Канады, Китая, США, Швеции и Финляндии (всего 16 человек) сосредоточили свое внимание на соотношении многолетнего тренда увеличения СО2 в атмосфере и регулярных сезонных колебаний концентрации СО2, происходящих на фоне этого тренда.

Как эти две динамики (многолетняя и сезонная) соотносятся, можно пояснить на примере самого длинного (почти за полвека) ряда данных, полученных обсерваторией Мауна-Лоа (см.: Mauna Loa) на острове Гавайи. График, суммирующий результаты измерений (см. рис. 1), показывает как непрерывный рост, так и небольшие, но регулярные сезонные колебания концентрации СО2: максимум приходится на апрель–май, а минимум – на сентябрь–октябрь. Возникают эти колебания из-за того, что процесс потребления углекислого газа, а именно фотосинтез растений, происходит только в теплый период с конца весны и до окончания лета (в северном полушарии это май–август). Осенью, зимой и в начале весны фотосинтез невозможен (по крайней мере в умеренных и северных широтах, где устанавливаются отрицательные температуры).

Рис. 1. Изменение содержания СО2 в атмосфере с 1958-го по 2006 год, по данным обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях. На фоне основного тренда (неуклонного роста концентрации СО2) хорошо видны повторяющиеся каждый год сезонные колебания, связанные с фотосинтезом наземной растительности. Типичный годовой цикл см. на врезке.

Но параллельно в любой экосистеме протекает процесс, обратный фотосинтезу, – дыхание (разложение органического вещества с потреблением кислорода и выделением СО2). Хотя дышат все организмы, поступление в атмосферу основной массы углекислого газа почти целиком определяется дыханием бактерий и грибов. Дыхание происходит в течение более длительного периода, чем фотосинтез. Летом, когда тепло, интенсивность его особенно велика, но на это же время приходится пик фотосинтеза, и в результате связывается СО2 гораздо больше, чем выделяется. Но как только фотосинтез ослабляется, соотношение потребления и выделения СО2 сдвигается в сторону выделения и концентрация СО2 в воздухе растет.
Авторы обсуждаемой работы на примере нескольких непрерывных (продолжающихся по меньшей мере 15 лет) рядов наблюдений за изменениями содержания СО2 в разных точках Северного полушария проследили, как меняется во времени положение тех точек на графике, где линия сезонных колебаний пересекает линию основного тренда (см. рис. 2). Таких точек за год две. «Весеннее пересечение» соответствует моменту, когда кривая содержания СО2 идет вниз: в результате интенсивного фотосинтеза процессы связывания этого газа начинают преобладать над выделением. «Осеннее пересечение» соответствует моменту, когда кривая идет вверх, и выделение СО2 в результате дыхания начинает преобладать над связыванием его в ходе фотосинтеза.

Рис. 2. Сезонные колебания содержания СО2 в атмосфере, наложенные на линию многолетнего тренда (изменение во времени слева направо). Показан один годовой цикл (one annual cycle). За последнее десятилетие вся кривая сместилась влево: фотосинтез начинает преобладать над дыханием всё раньше и раньше (сдвиг даты, обозначенной как «весеннее пересечение нулевой отметки» – Spring zero crossing date). Удивительно, что дата, соответствующая «осеннему пересечению нулевой отметки» (Autumn zero crossing date), также сместилась на более ранние сроки. В теплые дни осени дыхание возрастает особенно интенсивно и это сводит на нет результаты активного фотосинтеза весной. Рис. из статьи: Miller J.B. Carbon cycle: Sources, sinks and seasons // Nature. 2008. V. 451. P. 26–27

До самого последнего времени предполагалось, что отмечавшееся увеличение потребления СО2 растительностью происходит прежде всего за счет удлинения вегетационного сезона – периода активного роста растений. И действительно, весна фенологически, например по срокам распускания листьев, наступает всё раньше и раньше (в Западной Европе по сравнению 1960-ми годами в среднем уже на 12 дней раньше), а осень всё чаще бывает аномально теплой. По идее, подобные климатические изменения и следующие за ними изменения фенологические должны сказаться и на характере сезонной динамики содержания СО2. «Весеннее пересечение» должно наступать всё раньше, а «осеннее» всё позже.
Но проверка этой гипотезы на реальных данных выявила неожиданную тенденцию: если «весеннее пересечение» действительно стало наблюдаться раньше, то «осеннее пересечение» тоже сдвинулось на более ранние сроки (а не поздние, как ожидалось). Произошло это потому, что благодаря высоким температурам осенью очень резко возросла интенсивность дыхания экосистем (хотя фотосинтез тоже продолжался, и даже активнее, чем в предыдущие годы). В результате существенно усилилось выделение СО2 в осенний период. Более того, это усиление почти полностью (на 90%) компенсировало то увеличение связывания СО2, которое произошло за счет более теплой и ранней весны.

Авторы статьи подчеркивают, что если обнаруженные тенденции в изменении сезонной динамики СО2 сохранятся (а, по-видимому, так и будет), то поглощение северными экосистемами углерода может заметно сократиться уже в самое ближайшее время. Уповать на то, что бореальные леса (значительная часть которых находится в России) будут в случае потепления связывать всё большее количество углекислого газа и тем самым противостоять усилению парникового эффекта (и, соответственно, самому потеплению), увы, не приходится.

Источник: Shilong Piao, Philippe Ciais, Pierre Friedlingstein et al. Net carbon dioxide losses of northern ecosystems in response to autumn warming // Nature. 2008. V. 451. P. 49–52

См. также:
1) Corinne Le Quéré, Christian Rödenbeck., Erik T. Buitenhuis et al. Saturation of the Southern Ocean CO2 sink due to recent climate change // Science. 2007. V. 316. P. 1735–1738.
2) Josep G. Canadell, Corinne Le Quéré, Michael R. Raupach et al. Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks // PNAS. 2007. V. 104. P. 18866–18870 (весь текст этой важной статьи есть в открытом доступе).
3) Потепление на севере Европы заставляет голодать птенцов мухоловки-пеструшки, «Элементы», 05.05.2006.
4) Изменения климата за 15 лет: прогнозы и реальность, «Элементы», 18.05.2007.
5) От глобального потепления спасет закопаемое топливо, «Элементы», 14.03.2007.

Алексей Гиляров

Источник: «Элементы»