Современный мир по большей степени фокусируется на отраслях, которые тем или иным образом ассоциируются с чем-то технологичным, будь то искусственный интеллект или выращивание органов в лабораторных условиях. Однако для полноценного существования одних только микросхем и пробирок будет явно недостаточно, ведь первыми в пирамиде потребностей человека всегда физиологические. Одной из них является пища, которую мы уже очень давно получаем не за счет собирательства, а за счет фермерства. И какой бы банальной ни казалась на первый взгляд эта деятельность, в современном выращивании продовольствия задействовано много технологий, а влияние фермерства на экономику, социальные аспекты и экологию всегда было и будет в списке лидеров. Говоря об экологии, ученые из Американского геофизического союза (Вашингтон, США) провели исследование, в котором установили, что добавление вулканической породы в почву, предназначенную для фермерства, может значительно помочь в борьбе с выбросами углекислого газа. Какая именно порода нужна, и как именно ее использование поможет экологии? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Антропогенные выбросы CO₂ и других парниковых газов за последние 150 лет способствовали повышению глобальной температуры примерно на 1.2 °C по сравнению с доиндустриальной эпохой, при этом за последние несколько десятков лет темпы потепления ускорились.

Эти тенденции вызывают беспокойство, учитывая, что глобальное потепление подталкивает климатическую систему Земли к более частым и более экстремальным погодным условиям, приводит к деградации окружающей среды и вызывает повышение уровня моря.

Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC от Intergovernmental Panel on Climate Change) был создан план, состоящий из множества шагов, необходимых для сдерживания глобального потепления на уровне 1.5–2 °C выше доиндустриального уровня к 2100 году. Стоит отметить, что все пути смягчения последствий предусматривают активное удаление атмосферного диоксида углерода (в дополнение к резкому сокращению выбросов) в объеме от 100 до 1000 гигатонн (миллиардов тонн) в течение следующего столетия, чтобы общее потепление не превышало 1.5 °C.

Среди различных технологий с отрицательными выбросами усиленное выветривание горных пород (ERW от enhanced rock weathering) имеет большой потенциал для быстрого масштабирования, поскольку для применения этого метода подходит уже существующая инфраструктура. ERW основан на естественном процессе химического выветривания, при котором атмосферный углекислый газ улавливается за счет растворения силикатов или карбонатов (посредством угольной кислоты). Естественное выветривание хранит углерод в океанах в виде ионов бикарбоната в течение тысячелетий и даже дольше, когда минеральные карбонаты (продуцируемые кальцифицирующими организмами) погребены в морских отложениях. В настоящее время этот процесс удаляет около 1.0 гигатонн атмосферного углекислого газа в год.

Природного ERW было бы достаточно для удаления CO₂ и сохранения экологического баланса, если бы не один важный фактор — человек. Для ликвидации антропогенного CO₂ природный ERW слишком медленный, а потому его необходимо ускорить. Достичь этого можно за счет внесения в почву дробленых пород (особенно силикатов) и за счет концентрирования выветривания в регионах, где растворение горных пород/минералов благоприятно.

В теории ERW может быть применен к любому участку земли, где есть растительность. Однако логистическая доступность тех или иных участков может значительно повысить стоимость всего процесса. Потому пахотные земли, которые доступны по дорогам, в отличие от большинства лесов, становятся приоритетом. Использование ERW на фермерских землях не только позволит ускорить процесс удаления CO₂, но и может способствовать омоложению истощенных почв, повышению урожайности за счет дополнительного поступления питательных веществ из используемых пород и смягчению последствий подкисления океана (за счет добавления щелочности).

Несмотря на весь потенциал ERW, оценочных данных о его использовании крайне мало. Как отмечают ученые, существует всего одно исследование, которое даже не учитывало региональный климат и глобальное изменение климата. Следовательно, существует очевидная потребность в дополнительных модельных и эмпирических оценках потенциала ERW в качестве средства крупномасштабного удаления CO₂.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые провели основанные на моделях оценки глобального потенциала удаления CO₂ с помощью ERW в системах возделываемых земель. Ученые использовали недавно разработанную одномерную модель реактивного переноса (SCEPTER от Soil Cycles of Elements simulator for Predicting TERrestrial regulation of greenhouse gases) для моделирования ERW. Эта биогеохимическая модель почвы представляет собой усовершенствование моделей, используемых для прогнозирования усиленного выветривания в глобальном масштабе. В частности, модель включает всестороннее распределение частиц по размерам и отслеживание удельной площади поверхности, региональное развитие почвы т. д.

Авторы исследования объединили SCEPTER с моделированием глобального климата с двойной целью: оценить общий потенциал ERW по связыванию CO₂ на глобальных пахотных землях и охарактеризовать чувствительность этого потенциала к региональным климатическим условиям.

Подготовка к исследованию

SCEPTER — это одномерная реактивная транспортная модель, которая имитирует атмосферные воздействия с возможностью:

• обеспечивать различные режимы перемешивания почвы (например, естественную биотурбацию или вспашку на пахотных землях);
• отслеживать распределение минеральных частиц почвы по размерам и рассчитывать площади их поверхности;
• отслеживать целевые минералы и/или органические вещества почвы до поверхности почвы;
• допускать временные изменения климатологических граничных условий (таких как температура поверхности, скорость инфильтрации воды и содержание влаги в почве).

SCEPTER была использована на 963 идентифицированных участках пахотных земель по всему миру, используя в качестве входных данных уникальный набор литологических/геоморфологических и климатических параметров каждого участка.

В расчетах предполагался массовый баланс органического вещества почвы в пределах 30 см между эрозией и дыханием, последнее из которых сформулировано с разложением органического вещества, отражающим его температурную зависимость (3 от Q₁₀, коэффициент увеличения скорости на каждые 10 °C повышения температуры), а также пористость почвы (0.5) и плотности частиц почвенных минералов (∼ 2.6 г/см³) и органического вещества (1.5 г/см³).

Были введены локальные климатические параметры, имеющие значение для выветривания: температура поверхности, общий жидкий сток и объемная влажность почвы на глубине 21 см.

Эксперименты SCEPTER без применения базальтовой пыли проводились в условиях естественного перемешивания биотурбации. А эксперименты с внесением базальтовой пыли проводились с учетом обработки пашни.

Перед любым ERW моделированием ученые инициализировали SCEPTER, запустив 100-тысячелетний эксперимент с локальными, наблюдаемыми параметрами почвы и средними значениями поверхностной температуры, общего жидкого стока и объемной влажности почвы на глубине 21 см. Данный эксперимент проводился без применения базальтовой пыли и в условиях естественного перемешивания биотурбации.

Этот опыт выполнялся для того, чтобы минералогия почвы могла эволюционировать из заданной литологии материнской породы и достичь устойчивого состояния. Средние значения климатических переменных за тысячелетие рассчитывались по данным одного члена (член ансамбля №2) проекта «Last Millennium Ensemble», который навязывает модель CESM1 с реконструированными оценками естественного и доиндустриального радиационного воздействия («Climate Variability and Change since 850 CE: An Ensemble Approach with the Community Earth System Model»).

Затем были проведены сезонные калибровки, которые запускают SCEPTER в течение дополнительных 86 лет, представляющих исторический интервал 1920–2005, опять же в условиях естественного перемешивания биотурбации и без добавления какой-либо базальтовой пыли. Были использованы месячные климатические переменные (поверхностная температура, общий жидкий сток, объемная влажность почвы на глубине 21 см), смоделированные с помощью среднего по ансамблю из 20 членов большого ансамбля CESM1. При использовании месячных климатических переменных калибровочные эксперименты накладывают сезонность, которая отсутствовала при в предыдущем инициализирующем опыте.

После инициализации и сезонной калибровки ежегодно вносилось по 10 тонн базальтовой пыли на гектар на 963 пахотных участках в течение 75 лет, представляющих интервал 2006–2080 годы. Эта норма внесения базальта предназначена для получения консервативной оценки глобального потенциала удаления двуокиси углерода (CDR от carbon dioxide removal).

Как и прежде, использовались как локальные наблюдаемые параметры почвы для конкретных участков, так и месячные климатические переменные, смоделированные CESM1 на этот раз в соответствии с репрезентативными путями концентрации 4.5 и 8.5 Вт/м² (RCP4.5 и RCP8.5). Таким образом, два будущих сценария экспериментов по применению базальта являются ответвлениями от исторических моделей без применения базальта. Затем CDR оценивался на основе различий в кумулятивных потоках углерода в экспериментах с применением базальта по сравнению с периодом естественного состояния (т.е. без базальта). Вышеописанные процедуры успешно имитировали ERW на 929 (927) из 963 участков (коэффициент успеха > 96%) по сценарию РТК8.5 (РТК4.5).

Добавление базальта к пахотным землям увеличивало способность земли выступать в качестве чистого поглотителя CO₂ двумя основными путями:

• преобразование атмосферного CO₂ в растворенные виды CO₂ (в основном HCO^-₃) и последующая потеря растворенного CO₂ в реках и океанах;
• осаждение карбонатов (в основном кальцита; CaCO₃) в почве.

Ранее было рассчитано, что чистое улавливание CO₂ представляет сбой 0.86-кратное изменение адвективного* потока растворенных видов CO₂ плюс осаждение карбонатов в почве, где коэффициент 0.86 учитывает возврат CO₂ в атмосферу после того, как растворенные виды CO₂ попадают в океаны.

Адвекция* — перемещение воздуха в горизонтальном направлении и перенос вместе с ним его свойств (температуры, влажности и т.д.).

Для простоты ученые следовали этому принципу и определяли улавливание CO₂ как чистое изменение в диффузионном поступлении CO₂, вычитая изменения в поступлении CO₂ от дыхания почвы и атмосферного CO₂, возвращаемого из океана (в 0.14 раза больше изменения адвективного потока растворенных видов CO₂). То есть общее улавливание СО₂ эквивалентно изменению поступления диффузионного СО₂ за вычетом изменения поступления СО₂ от дыхания почвы плюс 0.14-кратное изменение адвективного потока растворенных видов СО₂.

Результаты исследования

Были идентифицированы участки пахотных земель (определяемые как участки, где доля пахотных земель составляет не менее 70% земного покрова) на всех континентах, кроме Антарктиды. Высокая плотность пахотных земель была зафиксирована на Среднем Западе Америки и в южных регионах Канадских Прерии (Северная Америка); Аргентина и Бразилия (Южная Америка); Западная Африка и Эфиопия (Африка); восточная Европа и Россия (Европа); Индия, Таиланд и восточный Китай (Азия); и юго-западная Австралия, Виктория и южная часть Нового Южного Уэльса (Австралия). Эти участки пахотных земель составляют 929 точек сетки, что в совокупности дает 7407423 км² пахотных земель. Общая площадь пахотных земель по всем ячейкам эквивалентна 24694492 км².


Изображение №1

Используя SCEPTER, ученые применили фиксированную норму 10 тонн базальта на гектар в год в соответствии с двумя сценариями RCP (изображение выше) и исследовали два распределения размеров зерен (мелкие и крупные).

Расчетное значение p80 мелкозернистого базальтового сырья составлял 100 мкм, а для крупнозернистого — 1220 мкм.


Изображение №2

Выше показано общее количество CO₂, уловленного в обоих сценариях RCP4.5 и RCP8.5, при этом общее количество уловленного CO₂ определяется как чистое изменение в диффузионном поступлении CO₂, учитывающее CO₂ от дыхания почвы независимо от добавленного базальта и предполагаемый адвективный CO2, возвращенный в атмосферу из океана.

Моделирование ERW по обоим сценариям глобального потепления показывает значительную неоднородность в скорости улавливания CO₂, при этом региональные различия в поглощении углерода намного перевешивают различия между сценариями RCP4.5 и RCP8.5. Большинство регионов пахотных земель в Северной Америке, Южной Америке и Европе/России демонстрируют скорость улавливания углерода около 1 тонны на гектар в год в обоих сценариях глобального потепления, в то время как уровень улавливания углерода над Австралией составляет менее ∼ 0.6 тонны на гектар в год. Участки возделываемых земель над Африкой, Таиландом, восточным Китаем и Индией показывают более высокие коэффициенты улавливания углерода − ~ 1.2-1.6 тонны на гектар в год.


Изображение №3

Несмотря на относительно незначительное воздействие изменения климата, ERW на пахотных землях сильно зависят от региональных климатических условий. Возделываемые земли в тропических широтах и Индии, например, являются горячими точками захвата углерода в период 2006–2080 гг. (карта выше) потому, что они получают значительное количество солнечной радиации из-за их близости к экватору и обильных осадков из зоны межтропической конвергенции и индийского муссона соответственно.

Примечательно, что существует значительная пространственная корреляция между оценками общего улавливания углерода для смоделированных участков и климатологической поверхностной температурой в интервале 2006–2080 по сценарию RCP8.5 (r = 0.51, p < 0.01) (r = 0.48, p < 0.01 для RCP4.5). Точно так же существует четкая пространственная корреляция между оценками общего улавливания углерода и климатологическим общим жидким стоком (r = 0.57, p < 0.01 для обоих сценариев). Климатологические значения влажности почвы не так сильно коррелируют с потоками улавливания углерода в интервале 2006–2080 (r = 0.25, p < 0.01 для обоих сценариев). Тем не менее данные результаты согласуются с ожиданиями, что жаркая и влажная среда будет способствовать растворению горных пород/минералов.

Затем были проведены расчеты общего количество CO₂, уловленного за период 2006–2080 в смоделированных участках пахотных земель по регионам.

ERW на участках с более 70% пахотных земель могут улавливать 63.4 гигатонн (сценарий RCP4.5) и 64.5 гигатонн CO₂ (сценарий RCP8.5). Это означает глобальный средний коэффициент CDR, нормализованный по площади, равный 1.14 тонн CO₂ на гектар в год и 1.16 тонн CO₂ на гектар в год.

В соответствии с приведенными выше результатами этот анализ подчеркивает важность региональной неоднородности потенциала ERW. В симуляциях только на Индию, с ее большой площадью пахотных земель и высоким уровнем ERW, приходится 32% всего углерода, улавливаемого в мире. Несмотря на более низкие показатели ERW, Европа/Россия имеют непропорционально большую площадь пахотных земель и, таким образом, составляют еще 24–25%. Наконец, на Африку приходится 8–9% всего уловленного углерода, несмотря на то, что на ее долю приходится лишь незначительная часть общей площади пахотных земель в мире.

Стоит отметить, что участки с более 70% пахотных земель являются лишь частью от общей площади сельскохозяйственных земель в мире. Поэтому для оценки глобального улавливания углерода на всех сельскохозяйственных землях ученые применили интерполяцию методом ближайшего соседа.

В глобальном масштабе ERW на пахотных землях может улавливать до ∼ 215 гигатонн CO₂ в период с 2006 по 2080 год со значительной региональной неоднородностью потенциала улавливания. Африка и Азия, например, демонстрируют потенциал ERW улавливания углерода около 40.6 и 82.9 гигатонн, соответственно. А Океания, напротив, демонстрирует минимальный потенциал ERW (около 4 гигатонн).


Изображение №4

Наконец, была проведена характеризация чувствительность ERW к размеру зерен базальта. Для этого ученые использовали SCEPTER и применили фиксированную норму 10 тонн крупнозернистого базальта (p80 = 1220 мкм) на гектар в год (карты выше).

Как и в случае применения мелкозернистого базальта, дополнительное глобальное потепление от сценария RCP8.5 по сравнению со сценарием RCP4.5 оказывает лишь незначительное влияние на ERW при применении крупнозернистого базальта: глобальные коэффициенты улавливания углерода при применении крупнозернистого базальта составляют 0.81 тонн на гектар в год и 0.83 тонн на гектар в год по сценариям РТК4.5 и РТК8.5 соответственно. Однако общее улавливание углерода в среднем составляет ∼70% от того, что было достигнуто в моделировании с применением мелкозернистого базальта даже после десятилетий выветривания.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели моделирование применения усиленного выветривания горных пород (ERW от enhanced rock weathering) в качестве инструмента улавливания углекислого газа.

В условиях модели почва, используемая для сельскохозяйственных нужд, была обогащена базальтом в объеме 10 тонн на гектар. В расчетах учитывались 963 участка земель, а период оценки влияния ERW на улавливание CO₂ был с 2006 по 2080 год.

Результаты моделирования показали, что с помощью ERW потенциально можно улавливать ∼ 215 гигатонн CO₂.

Исследование подчеркивает, что поскольку выветривание происходит быстрее в жарких и влажных условиях, ERW будет работать быстрее в тропических регионах, чем в более высоких широтах. Также важным фактором был размер зерен базальта. В сценариях, когда применялся крупнозернистый базальт (1220 мкм), эффективность CDR была значительно меньше, чем в сценариях с мелкозернистым базальтом (100 мкм).

По словам ученых, их расчеты были весьма консервативны. Тем не менее они обеспечивают дополнительную поддержку мнению о том, что ERW представляет собой масштабируемую, устойчивую стратегию улавливания углерода.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?