Как черный углерод способствует глобальному потеплению

Тающий носок ледника Атабаска в Канаде. Фото: Винг-Чи Пун

Загрязнение воздуха как снаружи, так и внутри помещений ежегодно вызывает миллионы преждевременных смертей. Смерть в основном вызвана вдыханием твердых частиц. Черный углерод, компонент твердых частиц, особенно опасен для здоровья человека из-за своего крошечного размера. Но черный углерод не только влияет на здоровье человека, он также влияет на видимость, наносит вред экосистемам, снижает продуктивность сельского хозяйства и усугубляет глобальное потепление.

В новом докладе Всемирной организации здравоохранения о заболеваниях, вызванных предотвратимыми экологическими рисками, 3,7 миллиона преждевременных смертей в 2012 году объясняются загрязнением атмосферного воздуха, а 4,3 миллиона — загрязнением воздуха в жилых помещениях. Вдыхание твердых частиц (состоящих из черного углерода, сульфатов, нитратов, аммиака, хлорида натрия, минеральной пыли и воды) диаметром 10 микрон или меньше (PM10) представляет наибольший риск для здоровья, поскольку частицы могут найти путь. глубоко в легкие и кровоток, вызывая сердечно-сосудистые и респираторные заболевания и преждевременную смерть.Черный углерод, образующийся при неполном сгорании ископаемого топлива, биотоплива и биомассы, имеет диаметр менее 2½ микрон (PM2,5).

Загрязнение воздуха в Аньяне, Китай. Наиболее вредным загрязнением воздуха является PM2,5. Фото: В.Т.Поливода

Черный углерод, основной компонент сажи, является наиболее поглощающим солнечную энергию компонентом твердых частиц и может поглощать в миллион раз больше энергии, чем CO2. Количество энергии, хранящейся в атмосфере, измеряется в ваттах на квадратный метр поверхности Земли; исследование 2013 года оценило эффект черного углерода в 1,1 ватта на квадратный метр в год, уступая только углекислому газу, который отвечает за 1,56 ватта на квадратный метр. Другими словами, черный углерод является вторым по величине фактором изменения климата после CO2. Но в отличие от CO2, который может оставаться в атмосфере от сотен до тысяч лет, черный углерод, поскольку он является частицей, остается в атмосфере только в течение нескольких дней или недель, прежде чем он вернется на землю с дождем или снегом.

Поскольку черный углерод поглощает солнечную энергию, он нагревает атмосферу. Выпадая на землю с осадками, он затемняет поверхность снега и льда, уменьшает их альбедо (отражающую способность поверхности), нагревает снег и ускоряет таяние.

Дымка над северной Индией, в основном из-за сжигания биомассы и загрязнения воздуха в городах. Фото: НАСА

Черный углерод, как и все частицы в атмосфере, также влияет на отражательную способность, стабильность и продолжительность жизни облаков и изменяет осадки. В зависимости от того, сколько сажи находится в воздухе и где находится черный углерод в атмосфере, он оказывает разное воздействие. Если он поглощает тепло на уровне, где формируются облака, они испаряются. Когда он находится над нижними слоисто-кучевыми облаками, закрывающими солнце, он стабилизирует их и, таким образом, оказывает охлаждающее действие.Поскольку черный углерод взаимодействует с другими компонентами твердых частиц, такими как сульфаты и нитраты, которые отражают солнечный свет и охлаждают атмосферу, ученые точно не знают, насколько сам черный углерод непосредственно способствует глобальному потеплению.

На Соединенные Штаты приходится около 8 процентов глобальных выбросов черного углерода, большая часть которых приходится на дизельные двигатели, сжигание биомассы, включая лесные пожары, отопление жилых помещений и промышленность. На развивающиеся страны Азии, Африки и Латинской Америки приходится более 75 процентов глобальных выбросов черного углерода, в основном от кухонных плит и сжигания твердого топлива, такого как уголь и древесина, для отопления, что особенно сказывается на здоровье женщин и девочек. Дизельные автомобили и открытое сжигание биомассы, крупнейшего глобального источника черного углерода, также вносят значительный вклад в выбросы.

Дизельное загрязнение. Фото: Адель Бойсен

Районы, покрытые снегом, являются наиболее уязвимыми для потепления черного углерода, и любые частицы, достигающие их, вызывают беспокойство, если они темнее снега, поскольку они могут снизить отражательную способность и ускорить таяние. Ледники тают в Андах, Скалистых горах, Канадских Скалистых горах, Альпах, Гималаях и по всему миру. По мере таяния и отступления ледников таяние льда, который в засушливый сезон питает реки, питающие ирригационные системы, будет уменьшаться. Ледники Гималаев и Тибетского нагорья поддерживают реки Китая и Индии и имеют решающее значение для снабжения пресной водой и продовольствием этих двух стран.

Выбросы судов в Германии. Фото: Йенс Руш

Поскольку арктические льды продолжают таять, в регионе будет больше судоходства, что повышает вероятность увеличения выбросов черного углерода от судов, работающих на тяжелом топливе, в будущем.

По данным Комитета по морской транспортной системе, к 2025 году судоходство в арктических водах США может увеличиться в пять раз.

Новое исследование показало, что лед и снег Гренландии темнели в течение последних 20 лет, и ожидается, что к концу века ее альбедо может уменьшиться на 10 и более процентов. В исследовании использовались спутниковые данные для сравнения летних изменений альбедо Гренландии с 1981 по 2012 год.

Марко Тедеско, профессор Земной обсерватории Ламонт-Доэрти, адъюнкт-ученый Института космических исследований имени Годдарда НАСА и ведущий автор исследования, объяснил, что на льду и снегу присутствуют сажа, пыль, бактерии и водоросли, переносимые туда дождем или снег. Они сидят на ледяных щитах и ​​концентрируются на поверхности из-за усиленного таяния.

«Таяние высвобождает все темные частицы, хранящиеся в снежном покрове», — сказал Тедеско. «Некоторые части смываются водой, но от 20 до 30 процентов, насколько нам известно, остаются на поверхности льда или снега по мере таяния».

Тедеско и его коллеги приняли во внимание потенциальное влияние сажи от лесных пожаров в Китае, Сибири и Северной Америке, но не обнаружили статистически значимого его увеличения в период с 1996 по 2012 год, соответствующего потемнению Гренландии. Обнаруженное ими повышенное потемнение происходило не из-за черного углерода в атмосфере, а из-за того, что уже хранилось в снежном покрове. «Когда таяние увеличивается так быстро, как это происходило в течение последних 20 лет, то, что хранится в снежном покрове, имеет большее значение, чем то, что поступает из атмосферы из-за скорости таяния», — сказал Тедеско.

Процесс интенсифицируется, потому что при таянии и повторном замерзании снега талая вода склеивает крупинки снега. По мере того, как снежинки становятся больше, поглощается больше солнечной радиации, увеличивая таяние и обнажая большее потемнение. Этот процесс, однако, невидим для нашего глаза — свет, отражающийся от снега, может выглядеть так же, однако поглощение и затемнение происходит в ближнем инфракрасном диапазоне, который человеческий глаз не может воспринять.

ледяная шапка Гренландии

То, как это явление проявится в будущем, имеет решающее значение, потому что оно может ускорить потерю Гренландией пресной воды и поднять уровень моря. «Даже если у нас не так много таяния, потому что в один год может быть холоднее, — сказал Тедеско, — поверхность более чувствительна к любому воздействию солнца из-за предыдущего цикла». Цикл может быть разорван, если будет много снега и меньше таяния, но глобальные температуры, вероятно, продолжат расти, что приведет к увеличению количества осадков, что также ускорит таяние. И по мере повышения температуры таяние распространяется на более высокие высоты.

Сокращение выбросов черного углерода является одной из наиболее эффективных стратегий замедления изменения климата из-за его короткого существования в атмосфере. Климат быстро отреагирует на сокращение выбросов черного углерода, особенно в таких регионах, как Арктика и Азия, где можно замедлить потепление и таяние снега и льда и обратить вспять изменения в характере осадков.

В отчете EPA Конгрессу по черному углероду за 2012 год прогнозируется, что Соединенные Штаты сократят выбросы черного углерода от транспорта на 86 процентов к 2030 году из-за стандартов выбросов для новых двигателей в транспортных средствах и программ модернизации дизельных двигателей. Другие развитые страны имеют аналогичные стандарты выбросов для транспортных средств, но ожидается, что выбросы черного углерода от транспортных средств в развивающихся странах увеличатся.

Во всем мире три миллиарда человек готовят пищу и отапливают свои дома, сжигая биомассу или уголь в примитивных печах или открытом огне. В отчете EPA утверждается, что в глобальном масштабе лучшие стратегии по сокращению выбросов черного углерода включают нацеливание на печи для обжига кирпича и коксовые печи в Азии, а также на кухонные плиты и дизельные автомобили повсюду.

Старые плиты и новые

Цель Глобального альянса за чистые кухонные плиты, государственно-частного партнерства, организованного Фондом ООН, состоит в том, чтобы к 2020 году побудить 100 миллионов домохозяйств использовать чистые и более эффективные кухонные плиты и топливо.Альянс повышает осведомленность о преимуществах чистых кухонных плит и пытается облегчить их финансирование и распространение. Он пытается привлечь доноров и инвесторов для инвестирования 1 миллиарда долларов в сектор чистой кулинарии и устраняет препятствия на пути к принятию новых плит, такие как традиционные кулинарные привычки и даже религиозные убеждения.

Предпринимаются и другие усилия по сокращению выбросов черного углерода. На декабрьских переговорах по климату в Париже Коалиция за климат и чистый воздух, состоящая из правительственных и отраслевых групп, согласовала планы по борьбе с выбросами «короткоживущих загрязнителей климата», включая черный углерод, ГФУ, метан и приземный озон. Чтобы сократить выбросы черного углерода, компания работает над тем, чтобы к 2018 году увеличить число стран, участвующих в Планах действий по экологически безопасным перевозкам, до 40.

Следы судов над Тихим океаном, образующиеся при конденсации водяного пара вокруг выбросов судов. Фото: НАСА

План действий Green Freight направлен на повышение осведомленности о выбросах черного углерода, разработку методов отслеживания и отчетности о выбросах черного углерода и стимулирование внедрения технологий и передового опыта для их сокращения.

Дополнительное мероприятие на конференции по климату было посвящено инициативам Арктического совета по ограничению выбросов черного углерода и метана, в основном связанных с приготовлением пищи, отоплением, транспортом, включая судоходство, и сжиганием метана, вытекающего из нефтяных и газовых скважин в регионе.

Он подчеркнул усилия по борьбе с источниками черного углерода, сокращению выбросов от сжигания древесины для отопления и преобразованию дизельного транспорта. Государства Арктического совета (страны с территорией в Арктике — Канада, Дания, Финляндия, Исландия, Норвегия, Россия, Швеция и США) и наблюдатели Арктического совета, по оценкам, несут ответственность примерно за 50 процентов глобальных антропогенных выбросов черного углерода. и метан.

В составе делегации Калифорнии на климатической конференции сенатор от Демократической партии США.Рикардо Лара предложил закон, который сократит выбросы черного углерода на 50 процентов по сравнению с уровнями 2013 года, а выбросы метана и фторсодержащих газов на 40 процентов к 2030 году в Калифорнии. Закон требует от Калифорнийского совета по воздушным ресурсам утвердить стратегии по сокращению выбросов к 1 января 2018 года.

Сложный аспект разработки стратегий по сокращению выбросов черного углерода заключается в том, что когда что-то горит, образуется не только черный углерод, но и загрязняющие вещества, такие как двуокись серы и двуокись азота, обладающие охлаждающим эффектом. Знание относительного количества этих загрязняющих веществ в каждом источнике имеет ключевое значение. Например, дизельные двигатели производят в основном черный углерод, как и сжигание угля, но лесные пожары и открытое сжигание биомассы также производят органический углерод, который создает дымку, охлаждающую атмосферу. Чтобы быть максимально эффективными, стратегии, направленные на сдерживание изменения климата, должны учитывать конкретный состав загрязняющих веществ, производимых каждым источником. Источники, которые выделяют больше черного углерода, чем другие загрязнители, являются лучшими мишенями для действий.