Влияние человеческой деятельности на природные углеродные циклы

Введение: Нежный баланс углеродного цикла Земли

Углеродный цикл является одним из самых фундаментальных биогеохимических процессов Земли. В нем описывается непрерывное движение атомов углерода между атмосферой, океанами, почвой, горными породами и всеми живыми организмами. В естественно сбалансированной системе углерод обменивается примерно равными темпами, поддерживая стабильную концентрацию углекислого газа (CO2), которая поддерживает жизнь и регулирует глобальные температуры. Однако после промышленной революции деятельность человека резко изменила это равновесие. Добывая и сжигая ископаемое топливо, очищая леса и интенсифицируя сельское хозяйство, мы вводили огромное количество углерода в атмосферу гораздо быстрее, чем естественные поглотители. В этой статье рассматривается, как человеческая деятельность нарушила естественные углеродные циклы, что привело к экологическим последствиям и стратегиям, доступным для восстановления баланса.

Понимание углеродного цикла: природные процессы и водохранилища

Чтобы оценить влияние человеческого вмешательства, важно понять, как углеродный цикл работает в естественных условиях. Углерод движется через четыре основных резервуара: атмосферу, земную биосферу, океаны и литосферу (осадки и породы). Каждый резервуар содержит углерод в различных формах и обменивается им с другими посредством ряда физических, химических и биологических процессов.

Фотосинтез и первичное производство

Растения, водоросли и цианобактерии поглощают CO2 из атмосферы или растворяются в воде и, используя энергию солнечного света, превращают его в органические соединения посредством фотосинтеза. Этот процесс не только образует основу большинства пищевых сетей, но и действует как основной естественный механизм удаления CO2 из воздуха. Ежегодно наземные экосистемы фиксируют примерно 120 петаграмм углерода (Pg C) посредством фотосинтеза, в то время как морской фитопланктон вносит еще 50 Pg C. Этот массивный поток держит атмосферный CO2 под контролем, но только до тех пор, пока углерод остается в живых или мертвых органических веществах, а не быстро возвращается в воздух.

Дыхание и разложение

Углерод, фиксируемый фотосинтезом, в конечном итоге высвобождается обратно в атмосферу посредством дыхания. Все живые организмы, включая сами растения, разрушают органические соединения для получения энергии, выдыхая CO2 в процессе. Когда растения и животные умирают, разлагатели, такие как бактерии и грибы, потребляют органическое вещество и дышат углеродом. В сбалансированной экосистеме скорость высвобождения углерода из дыхания и разложения примерно равна скорости поглощения углерода фотосинтезом. Однако действия человека могут нарушить этот баланс — например, ускоряя разложение через обработку почвы или уменьшая количество углерода, хранящегося в живой биомассе посредством обезлесения.

Океанический обмен углеродом

Океаны являются основным поглотителем углерода. Они поглощают CO2 из атмосферы на поверхности океана, процесс, регулируемый химическим равновесием и физическим смешиванием. После растворения CO2 может быть поглощен морскими организмами для образования карбонатные оболочки кальция и скелеты, или он может быть транспортирован в глубокий океан через циркуляцию и биологические насосы. Океаны в настоящее время поглощают около 2,5 миллиардов метрических тонн антропогенного углерода в год, что помогает умеренному росту CO2 в атмосфере, но также вызывает подкисление океана. Естественный углеродный цикл включает в себя долгосрочное хранение в глубоких отложениях и карбонатных породах, процесс, который работает в геологических масштабах времени - резкий контраст с быстрым высвобождением ископаемого углерода людьми.

Долгосрочное хранение углерода: ископаемые топлива и осадки

За миллионы лет органическое вещество, которое закапывают и подвергают воздействию тепла и давления, становится углем, нефтью и природным газом — ископаемым топливом, которое питает современную цивилизацию. Аналогично карбонат кальция, отложенный морскими организмами, образует известняк. Эти геологические резервуары содержат огромное количество углерода, который первоначально был удален из атмосферы путем фотосинтеза. В естественных условиях только очень небольшие количества этого углерода высвобождаются в результате вулканической активности или выветривания. Добыча и сжигание ископаемых видов топлива изменили этот медленный геологический процесс, вернув накопленный углерод в атмосферу в течение десятилетий.

Деятельность человека, влияющая на углеродный цикл

С начала индустриальной эры выбросы человека добавили в атмосферу около 2400 миллиардов метрических тонн CO2, при этом около половины оставшегося в воздухе, а остальные поглощаются наземными и океанскими поглотителями. Основные виды деятельности, вызывающие это нарушение, подробно описаны ниже.

Сжигание ископаемого топлива для энергетики и транспорта

Сжигание угля, нефти и природного газа для производства электроэнергии, отопления, промышленных процессов и транспорта является единственным крупнейшим источником антропогенных выбросов CO2, на которые приходится около 65% глобальных выбросов парниковых газов. Процесс сгорания окисляет углерод, который был заблокирован под землей в течение миллионов лет, выпуская его в виде CO2. Основные участники включают угольные электростанции, автомобили с бензиновым и дизельным двигателем, авиацию, судоходство и производство цемента (где известняк нагревается, выпуск CO2 в качестве побочного продукта). Согласно Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) , концентрации CO2 в атмосфере увеличились с примерно 280 частей на миллион (ppm) в доиндустриальные времена до более чем 420 ppm сегодня, рост почти полностью связан с сжиганием ископаемого топлива и изменением землепользования.

Только энергетический сектор отвечает примерно за три четверти глобальных выбросов CO2. Быстрая индустриализация в таких странах, как Китай, Индия и Соединенные Штаты, привела к этому росту, хотя выбросы на душу населения сильно различаются. Даже с расширением возобновляемых источников энергии глобальные выбросы CO2 из ископаемых видов топлива продолжают расти, хотя и с замедлением темпов в некоторых регионах. Для решения этой проблемы требуются не только технологические сдвиги, но и изменения в инфраструктуре, политике и поведении потребителей.

Вырубка лесов и изменение землепользования

Леса являются одними из самых эффективных поглотителей углерода на Земле, хранящими углерод в своей биомассе (уловки, ветви, листья, корни) и в почве. Когда леса очищаются для сельского хозяйства, лесозаготовок, урбанизации или добычи полезных ископаемых, этот углерод выбрасывается в атмосферу, часто быстро путем сжигания или распада. Обезлесение способствует примерно 10-15% глобальных антропогенных выбросов CO2, что делает его вторым по величине источником после ископаемого топлива. Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) По оценкам, мир потерял 178 миллионов гектаров леса в период с 1990 по 2020 год, площадь примерно равна площади Ливии.

Тропики являются главной горячей точкой: такие страны, как Бразилия, Индонезия и Демократическая Республика Конго, испытали массовое вырубка лесов для разведения крупного рогатого скота, соевого хозяйства и плантаций пальмового масла. Помимо прямых выбросов углерода, обезлесение также снижает будущую способность планеты поглощать CO2, создавая порочный круг. лесовозобновление и облесение могут помочь вернуть часть этого потерянного углерода, но восстановление лесов занимает десятилетия, чтобы достичь зрелых запасов углерода, и первоначальное биоразнообразие и экосистемные услуги могут никогда полностью не вернуться.

Сельскохозяйственная практика: потеря почвенного углерода и выбросы животноводства

Современное сельское хозяйство нарушает углеродный цикл несколькими способами. Во-первых, пахотная и паховая почва разрушает органическое вещество и подвергает его воздействию кислорода, ускоряя разложение и высвобождая CO2. Сельскохозяйственные почвы потеряли 50-70% своего первоначального органического углерода во многих регионах, согласно исследованию, составленному Проектом знаний о естественном образовании . Во-вторых, скот - особенно жвачные животные, такие как крупный рогатый скот, овцы и козы - производят метан (CH4) посредством энтеральной ферментации. Метан является мощным парниковым газом с потенциалом глобального потепления более чем в 80 раз больше, чем CO2 за 20-летний период. Сельское хозяйство составляет около 40% глобальных выбросов метана и 60% выбросов закиси азота (N2O), последний в основном из-за использования синтетических удобрений. Закись азота - еще один мощный парниковый газ, почти в 300 раз более эффективный при улавливании тепла, чем CO2 за столетие.

Кроме того, преобразование местных экосистем (грассленды, водно-болотные угодья, леса) в пахотные земли или пастбища высвобождает углерод, хранящийся в растениях и почвах. Рисовые поля, которые затоплены, производят метан из-за анаэробного разложения. А транспортировка, переработка и охлаждение продуктов питания добавляют дополнительные выбросы. Устойчивые сельскохозяйственные практики, такие как возделывание без дождевого периода, покрытие сельскохозяйственных культур, ротационное выпасы и агролесоводство, могут уменьшить выбросы и даже секвестрировать углерод в почвах, но принятие остается ограниченным.

Промышленные процессы и производство цемента

Промышленная деятельность помимо производства энергии также выделяет CO2. Производство цемента является одним из крупнейших — когда известняк (карбонат кальция) нагревается для производства клинкера, CO2 выделяется в качестве химического побочного продукта. Производство цемента составляет около 8% глобальных выбросов CO2. Аналогичным образом, производство стали, химических веществ, аммиака и алюминия высвобождает CO2 либо из использования ископаемого топлива в качестве сырья, либо из химических реакций. Хотя повышение энергоэффективности и альтернативные материалы могут снизить эти выбросы, многие промышленные процессы в основном требуют химических преобразований, которые выделяют углерод. Улавливание и хранение углерода (CCS) часто предлагается в качестве решения для таких «трудноизвлекаемых» секторов, но технология остается дорогостоящей и еще не развернута в масштабе.

Последствия измененных углеродных циклов

Нарушение естественного углеродного цикла деятельностью человека привело к каскаду изменений окружающей среды, многие из которых усиливают друг друга через петли обратной связи.

Изменение климата: повышение температуры и экстремальная погода

Наиболее известным последствием является глобальное потепление. Увеличение концентрации CO2 и других парниковых газов улавливает больше инфракрасного излучения в атмосфере, вызывая повышение средней глобальной температуры. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) сообщает, что температура Земли прогрелась примерно на 1,2 ° C с конца 19-го века, причем последнее десятилетие было самым теплым за всю историю наблюдений. Это потепление приводит к таянию ледников и ледяных щитов, повышению уровня моря, более частым и интенсивным волнам тепла, засухам, наводнениям и изменению структуры осадков. Сам углеродный цикл влияет: более высокие температуры могут ускорить разложение в почвах, выпуская больше CO2 и метана в петле положительной обратной связи. Аналогичным образом, лесные пожары, вызванные более жаркими, более сухими условиями, высвобождают огромное количество углерода, хранящегося в лесах и торфяниках, еще больше ускоряя потепление.

Подкисление океана и разрушение морской экосистемы

Около четверти выбрасываемого человеком CO2 растворяется в океане, где он реагирует с морской водой, образуя углекислую кислоту, снижая рН. С индустриальной эпохи рН поверхности океана снизился примерно на 0,1 единицы, что представляет собой увеличение кислотности на 30%. Это изменение особенно вредно для кальцифицирующих организмов, таких как кораллы, моллюски и некоторые виды планктона, которые полагаются на ионы карбоната для создания своих раковин и скелетов. Подкисление океана снижает доступность карбоната, затрудняя рост и выживание этих организмов. Коралловые рифы, уже подчеркнутые потеплением вод, сталкиваются с двойной угрозой. Исследование 2021 года, опубликованное в Природа , прогнозирует, что к 2100 году 70-90% тепловодных коралловых рифов могут исчезнуть, если выбросы CO2 продолжатся. Коллапс рифовых экосистем будет иметь серьезные последствия для рыболовства, защиты прибрежных районов и биоразнообразия.

Нарушение наземных экосистем и утрата биоразнообразия

Изменение углеродных циклов и климатических условий приводит к смещению ареалов видов растений и животных, иногда подталкивая их к вымиранию. Например, потепление позволяет вредителям, таким как горный сосновый жук, выживать в более высоких широтах, опустошая обширные лесные массивы в Северной Америке и превращая их из поглотителей углерода в источники углерода. Измененные модели осадков могут превращать леса в луга или пустыни, уменьшая углеродные запасы. Потеря биоразнообразия еще больше ослабляет устойчивость экосистем, затрудняя приспособляемость природных систем к изменениям. Углеродный цикл и биоразнообразие тесно связаны: здоровые экосистемы хранят больше углерода, а богатые углеродом экосистемы, такие как тропические леса и торфяники, обеспечивают огромное биоразнообразие. Защита одного помогает защитить другой.

Обратная связь Loops и Tipping Points

Возможно, наиболее важным аспектом нарушения углеродного цикла является потенциал для петли положительной обратной связи, усиливающей потепление.

Оттаивание вечной мерзлоты:] Арктическая вечная мерзлота содержит огромное количество замороженного органического углерода. По мере повышения температуры вечная мерзлота тает, позволяя микробам разлагать это органическое вещество и выделять CO2 и метан, что еще больше нагревает климат.
Отмирание лесов: Засуха и тепловой стресс могут вызвать крупномасштабную отмирание лесов в Амазонии и других регионах, высвобождая углерод и уменьшая будущее поглощение.
Ослабление суши и океанских поглотителей: Ослабление суши и океанских поглотителей: Ослабление суши и океанических поглотителей: Ослабление суши и океанов:1 По мере нагревания планеты эффективность естественных поглотителей углерода может снижаться. Например, более теплые океаны содержат меньше CO2, а леса, испытывающие стресс, поглощают меньше углерода. Это означает, что большая часть будущих выбросов останется в атмосфере, ускоряя изменение климата.

Если будут преодолены определенные пороги, такие как широко распространенный коллапс тропических лесов Амазонки или необратимая оттепель вечной мерзлоты, система Земли может перейти в новое состояние, которое гораздо менее гостеприимно для человеческой цивилизации.

Стратегии смягчения последствий: восстановление баланса в углеродном цикле

Для того чтобы обратить вспять влияние человека на углеродный цикл, требуется двоякий подход: резкое сокращение выбросов в результате деятельности человека и усиление естественных и инженерных поглотителей углерода для удаления CO2 из атмосферы.

Переход на возобновляемую энергию и электрификацию

Переход от ископаемых видов топлива к возобновляемым источникам энергии — солнечному, ветровому, гидроэлектрическому, геотермальному и приливному — является единственным наиболее эффективным способом сокращения выбросов CO2. Возобновляемые источники энергии в настоящее время составляют около 29% мировой выработки электроэнергии, и затраты резко упали. В сочетании с электрификацией транспорта (электрические транспортные средства), отоплением (тепловые насосы) и промышленностью полностью возобновляемая энергетическая система может устранить до 70% глобальных выбросов. Технологии хранения энергии (батареи, гидронасос, зеленый водород) имеют решающее значение для управления прерывистостью солнечной и ветровой энергии. Такие меры политики, как ценообразование на углерод, стандарты портфеля возобновляемых источников энергии и удаление субсидий на ископаемое топливо, могут ускорить переход.

Защита и восстановление природных углеродных тонущих

Защита существующих лесов от обезлесения и деградации зачастую является более рентабельной, чем посадка новых деревьев, поскольку зрелые леса хранят больше углерода и поддерживают большее биоразнообразие. В результате лесовосстановления (восстановление лесов в районах, которые были недавно очищены) и облесения (посадка деревьев на землях, которые не были засажены исторически) можно улавливать значительные количества углерода, но необходимо тщательно избегать вытеснения местных экосистем или сокращения доступности воды. По оценкам МГЭИК, смягчение последствий наземного воздействия (лесное хозяйство, сельское хозяйство, биоэнергетика) может обеспечить до 30% сокращения выбросов, необходимого к 2050 году.

Секвестрация почвенного углерода — посредством таких практик, как возделывание без дождевых лесов, покрытие посевов, компостное применение и агролесоводство — также может снизить выбросы CO2 при одновременном улучшении состояния почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Аналогичным образом, защита и восстановление торфяников и мангровых зарослей (которые хранят углерод со скоростью, во много раз превышающей дождевые леса) предлагает огромный потенциал. По оценкам Глобальной торфяниковой инициативы, торфяники хранят вдвое больше углерода, чем все леса мира, но они сливаются для сельского хозяйства и сжигаются с угрожающей скоростью.

Улавливание, использование и хранение углерода (CCUS)

Технологические решения могут дополнять естественные поглотители. Улавливание и хранение углерода включает в себя улавливание CO2 из точечных источников, таких как электростанции или промышленные объекты, сжатие его и впрыскивание его глубоко под землю в геологические образования (солевые водоносные горизонты, истощенные нефтяные и газовые месторождения). Прямой улавливание воздуха (DAC) удаляет CO2 непосредственно из атмосферы, хотя в настоящее время он энергоемкий и дорогой. Утилизация углерода (преобразование улавливаемого CO2 в топливо, химикаты или строительные материалы) может создавать экономические стимулы, но редко приводит к постоянному хранению. В настоящее время только около 40 миллионов метрических тонн CO2 захватываются в год во всем мире - крошечная доля ежегодных выбросов (более 36 миллиардов тонн). Масштабирование CCUS потребует значительных инвестиций и политической поддержки, но это, вероятно, необходимо для таких секторов, как цемент и сталь, которые имеют ограниченные альтернативы.

Устойчивое сельское хозяйство и диетические изменения

Сокращение выбросов в сельском хозяйстве включает в себя сочетание улучшенных методов и изменений в структуре потребления. Метан из скота может быть уменьшен за счет кормовых добавок, улучшенного управления навозом и практики разведения. Выбросы оксида азота могут быть ограничены за счет оптимизации использования удобрений (точное сельское хозяйство, составы с медленным высвобождением). С точки зрения спроса, переход к богатой растениями диете уменьшает площадь земли и выбросы от производства продуктов питания. Комиссия EAT-Lancet рекомендует глобальный переход к здоровым, устойчивым диетам, которые включают больше фруктов, овощей, бобовых и орехов и меньше красного мяса и молочных продуктов. Такой сдвиг может сократить выбросы парниковых газов, связанные с пищевыми продуктами, до 50%.

Политика, инновации и индивидуальные действия

Ни одна стратегия смягчения последствий не будет успешной без сильного правительственного и международного сотрудничества. Парижское соглашение представляет собой основу для стран, чтобы установить цели по сокращению выбросов, но текущих обязательств недостаточно, чтобы ограничить потепление до 1,5 ° C. Амбициозная политика - например, налоги на выбросы углерода, системы ограничения и торговли, запреты на новую инфраструктуру ископаемого топлива и инвестиции в общественный транспорт и зеленые технологии - имеют важное значение. На индивидуальном уровне такие действия, как сокращение потребления энергии, выбор возобновляемой электроэнергии, использование общественного транспорта или велосипедов, сокращение пищевых отходов и поддержка политики, благоприятной для климата, могут коллективно изменить ситуацию. Изменение системы и индивидуальные действия не являются взаимоисключающими; они усиливают друг друга.

Вывод: призыв восстановить баланс углерода

Влияние человеческой деятельности на природные углеродные циклы глубоко и далеко идущее. Выпустив углерод, который накапливался в геологических резервуарах миллионы лет, и уничтожив те самые экосистемы, которые обычно поглощали бы его, мы привели в движение изменения, которые будут влиять на планету в течение тысячелетий. Тем не менее, ситуация не безнадежна. Та же изобретательность, которая привела нас к промышленной революции, теперь может быть направлена на создание низкоуглеродного, устойчивого будущего. Каждый год задержки сокращает наш оставшийся углеродный бюджет и увеличивает риск пересечения необратимых переломных моментов. Понимая углеродный цикл и способы его нарушения, мы можем сделать осознанный выбор - как граждане, потребители и политики - восстановить баланс. Задача огромна, но инструменты доступны. Что необходимо, так это коллективная воля действовать, пока не стало слишком поздно.