Роль человеческой деятельности в ускорении изменения климата в городской среде

Городская среда стоит на переднем крае экономического роста, культурных инноваций и социального взаимодействия, но парадоксально, они стали доминирующими факторами глобального изменения климата. С более чем половиной населения мира, проживающего в городах, которые занимают всего 2-3% поверхности Земли, экологический след городских районов непропорционально велик. Города потребляют примерно 78% первичной энергии в мире и несут ответственность за более чем 60% глобальных выбросов парниковых газов (ПГ). По мере ускорения урбанизации, особенно в развивающихся регионах в Азии, Африке и Латинской Америке, неотложность решения климатических воздействий городской деятельности становится первостепенной. Эта статья посвящена многогранным способам, которыми деятельность человека в городах способствует изменению климата, исследует механизмы обратной связи, которые усугубляют потепление, и выделяет стратегии для устойчивой городской трансформации.

Основные источники выбросов парниковых газов в городских районах

Выбросы парниковых газов в городах обусловлены сложным взаимодействием различных секторов, на которые влияют такие факторы, как размер города, экономический статус, инфраструктура и местный климат.В то время как конкретные профили выбросов различаются, в большинстве городских условий доминируют три ключевых фактора: транспорт, потребление энергии в зданиях и управление отходами.

Транспорт и личная мобильность

Транспорт остается одним из крупнейших городских источников выбросов углекислого газа (CO2), особенно в городах, сильно зависящих от частных транспортных средств. Сгорание бензина и дизельного топлива в автомобилях, грузовиках, автобусах, такси и грузовых транспортных средствах выделяет значительный CO2 наряду с недолговечными загрязнителями климата (SLCPs), такими как черный углерод. Городские пробки усугубляют выбросы из-за неэффективных моделей вождения остановки-и-перехода, которые увеличивают потребление топлива и выбросы загрязняющих веществ.

Во многих разросшихся городах зависимость от частных транспортных средств укоренена неадекватными вариантами общественного транспорта и городского дизайна, которые отдают приоритет дорожным сетям над пешеходной или велосипедной инфраструктурой. И наоборот, города с надежными системами общественного транспорта - метро, трамваи, автобусный быстрый транзит - имеют более низкие транспортные выбросы на душу населения. Однако даже общественный транспорт способствует выбросам, если питается от электричества, генерируемого ископаемым топливом. Городская авиация и морское судоходство, хотя и менее заметны, чем автомобильный транспорт, вносят значительный вклад в портовые и аэропортовые города, добавляя к общему городскому углеродному следу.

В глобальном масштабе на транспорт приходится около 24% прямых выбросов CO2 от сжигания топлива, причем все большая доля приходится на городские районы. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), число пройденных в городах километров транспортных средств увеличилось быстрее, чем рост населения во многих регионах, что обусловлено экономическим развитием и увеличением автомобилизации. Переход на электромобили (EV), расширение электрифицированного общественного транспорта и поощрение активных видов транспорта, таких как ходьба и езда на велосипеде, имеют решающее значение для сокращения выбросов городского транспорта. Однако эти сдвиги требуют скоординированных политических рамок, значительных инвестиций в инфраструктуру и изменения поведения.

Для получения исчерпывающих данных о глобальных выбросах городского транспорта и переходе на электрическую мобильность, обратитесь к Глобальному прогнозу IEA по электромобилям на 2023 год.

Потребление энергии в зданиях

Здания, будь то жилые, коммерческие или институциональные, являются существенными потребителями энергии в городах. Энергия необходима для отопления, охлаждения, освещения, вентиляции и электроприборов. Во многих городских районах это потребление энергии в значительной степени зависит от ископаемого топлива, либо непосредственно через природный газ или отопительное масло, либо косвенно через электричество, вырабатываемое из угля, природного газа или нефтяных электростанций.

Эффект городского теплового острова (UHI), когда города испытывают более высокие температуры, чем окружающие сельские районы из-за плотной инфраструктуры и ограниченной растительности, усиливает требования к охлаждению в более теплые месяцы. Это приводит к увеличению потребления электроэнергии для кондиционирования воздуха, что, в свою очередь, генерирует дополнительное тепло и выбросы ПГ, создавая самоусиливающийся цикл.

Помимо использования энергии, концепция воплощенного углерода приобрела известность. Воплощенный углерод относится к выбросам ПГ, связанным с добычей, производством, транспортировкой и сборкой строительных материалов, таких как цемент, сталь, стекло и изоляция. Эти выбросы могут составлять до 50% от общего углеродного следа жизненного цикла здания. Быстрое развитие городов, особенно в странах с развивающейся экономикой, часто включает в себя обширные строительные мероприятия, которые фиксируют высокие воплощенные выбросы углерода на десятилетия вперед.

Смягчение выбросов от зданий предполагает как повышение энергоэффективности в существующих структурах, так и внедрение строгих стандартов для нового строительства. Модернизация старых зданий с помощью передовых изоляционных, энергоэффективных окон, современных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и интеграция возобновляемых источников энергии, таких как солнечная фотоэлектрика на крыше, являются одними из наиболее экономически эффективных подходов к сокращению выбросов в городах.

Управление отходами и свалки

Управление отходами часто недооценивается, но вносит значительный вклад в выбросы парниковых газов в городах. Органические отходы, такие как пищевые отходы, обрезка двора и бумага, при утилизации в условиях анаэробных свалок разлагаются для производства метана (CH4), парникового газа, примерно в 28-34 раза более мощного, чем CO2 за 100-летний период. В глобальном масштабе выбросы метана на свалках составляют примерно 12% антропогенных выбросов метана.

Во многих городских центрах, особенно в странах с низким и средним уровнем дохода, системы управления отходами неадекватны, что приводит к открытому свалке и неконтролируемому сжиганию. Эта практика высвобождает метан наряду с черным углеродом и другими SLCP, способствуя не только изменению климата, но и серьезному загрязнению воздуха и проблемам общественного здравоохранения.

Улучшение управления городскими отходами путем внедрения разделения источников, содействия компостированию и анаэробному перевариванию и установки технологий улавливания свалочного газа может значительно сократить выбросы метана. По оценкам Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП), более эффективное управление отходами может сократить глобальные выбросы метана на 20-30% к 2030 году. Такие меры, как запреты на органические отходы на свалках, стимулы для переработки и поддержка моделей круговой экономики, являются критически важными компонентами стратегий устойчивых городских отходов.

Для углубленного обзора стратегий выбросов метана и смягчения их последствий см. Глобальную оценку метана ЮНЕП .

Эффект острова тепла в городах: усиление изменения климата

Эффект городского теплового острова (UHI) иллюстрирует, как изменения человека в физической среде могут усугубить местные и региональные последствия изменения климата. Городские поверхности, такие как асфальт, бетон и темные кровельные материалы, поглощают и сохраняют солнечное излучение более эффективно, чем природные ландшафты, в результате чего температура в городе повышается на 1-10 ° C относительно близлежащих сельских районов.

Эта повышенная температура увеличивает потребление энергии для охлаждения, ухудшает качество воздуха, способствуя образованию озона на уровне земли (вредного загрязнителя и парниковых газов), и повышает риск заболеваний, связанных с теплом, и смертности. Плотные городские структуры также уменьшают поток ветра, улавливая тепло и загрязняющие вещества вблизи уровня земли.

Эффект UHI взаимодействует синергетически с глобальным изменением климата, создавая петлю обратной связи: по мере повышения глобальных температур волны тепла становятся более частыми и интенсивными, что приводит к более высокому спросу на кондиционирование воздуха, что еще больше увеличивает потребление энергии, выбросы и городскую жару. Города, расположенные в тропических и засушливых регионах, сталкиваются с особенно острыми проблемами. Прогнозы показывают, что к 2050 году воздействие тепла в некоторых африканских и азиатских городах может утроиться, непропорционально затрагивая уязвимые группы населения.

Смягчение UHI включает в себя стратегии городского дизайна, такие как развертывание отражающих или прохладных кровельных материалов, увеличение городской зелени через парки, зеленые крыши и уличные деревья и включение проницаемых поверхностей, которые уменьшают удержание тепла. Улучшенные вентиляционные коридоры в городских планировках могут облегчить охлаждение ветров. Программа Агентства по охране окружающей среды США Остров тепла предоставляет обширные рекомендации по осуществлению этих вмешательств.

Социально-экономические различия и неравенство в городских выбросах

Исследования показывают, что самые богатые 10% городских жителей вносят непропорционально большой вклад в выбросы, такие как большие дома с более высоким потреблением энергии, несколько транспортных средств, частые авиаперелеты и диеты, богатые продуктами с высоким уровнем выбросов, такими как мясо и молочные продукты.

И наоборот, общины с низким уровнем дохода часто подвергаются большему воздействию загрязнения и климатических опасностей. Они, как правило, живут вблизи автомагистралей, промышленных зон и мест захоронения отходов и имеют ограниченный доступ к ресурсам для адаптации или смягчения последствий, таким как кондиционирование воздуха, зеленые насаждения или эффективный общественный транспорт.

Плотность городов представляет собой сложную динамику. Районы высокой плотности могут снизить выбросы на душу населения за счет использования пешеходных, велосипедных и транзитных перевозок. Однако высотные здания могут увеличить потребление энергии для лифтов, освещения и систем HVAC. В городах с низкой плотностью, как правило, более высокие транспортные выбросы из-за зависимости от автомобиля, но могут иметь более низкое потребление энергии на квадратный метр. Создание компактных, смешанных районов с интегрированными транзитными системами имеет важное значение для балансировки этих факторов.

В отличие от этого, быстрая, незапланированная урбанизация, характеризующаяся неформальными поселениями и слабым институциональным надзором, приводит к увеличению выбросов и повышению уязвимости к воздействию климата. Поэтому решение социально-экономических проблем и укрепление городского управления являются жизненно важными климатическими императивами.

Краткосрочные климатические загрязнители (SLCP) в городских условиях

В то время как углекислый газ остается доминирующим долгосрочным фактором изменения климата, недолговечные загрязнители климата (SLCP), такие как метан, черный углерод, тропосферный озон и гидрофторуглероды (ГФУ), оказывают мощное краткосрочное потепление, особенно в городских условиях.

Черный углерод, продукт неполного сгорания дизельного топлива, биомассы и угля, является основной составляющей загрязнения воздуха в городах. Он может иметь потенциал потепления в сотни раз больше, чем CO2 на единицу массы в течение коротких временных рамок. Городские источники включают дизельные транспортные средства, промышленные процессы, такие как кирпичные печи, жилые кухонные плиты и открытое сжигание отходов.

Выбросы метана в городах возникают в результате свалок, очистных сооружений и утечек сточных вод из инфраструктуры природного газа. Тропосферный озон образуется в результате фотохимических реакций, включающих городские загрязнители и солнечный свет, что еще больше повышает температуру и наносит ущерб здоровью дыхательных путей. ГФУ, обычно используемые в качестве хладагентов, являются мощными парниковыми газами с высоким потенциалом глобального потепления.

Целевая деятельность по СКП обеспечивает двойную выгоду от быстрого замедления изменения климата и улучшения общественного здравоохранения за счет сокращения загрязнения воздуха. Многие города участвуют в таких инициативах, как Коалиция по климату и чистому воздуху, которая объединяет смягчение последствий СКП с более широкими климатическими стратегиями.

Политика и инфраструктурные подходы к декарбонизации городов

Решение проблемы изменения климата в городах требует многогранного подхода, сочетающего в себе нормативную политику, развертывание технологий, инвестиции в инфраструктуру и поведенческие сдвиги. Ниже приведены критические пути преобразования городских районов в низкоуглеродные, устойчивые к изменению климата пространства.

Содействие низкоуглеродной мобильности и транзитно-ориентированному развитию

Сокращение зависимости от частных транспортных средств на ископаемом топливе является основополагающим. Города могут внедрять схемы ценообразования на перегруженность, как это успешно продемонстрировано в Лондоне, Стокгольме и Милане, чтобы препятствовать использованию автомобилей в перегруженных районах. Создание зон с низким уровнем выбросов ограничивает транспортные средства с высоким уровнем загрязнения. Субсидирование и расширение общественного транспорта, включая электрифицированные автобусные парки и железнодорожные системы, повышает доступность и устойчивость.

Развитие комплексной велосипедной инфраструктуры и пешеходных улиц способствует активной мобильности. Интеграция этих мер с ориентированным на транзит развитием (TOD) - проектирование компактных районов, сгруппированных вокруг транзитных узлов - сокращает расстояния для поездок и зависимость от автомобилей. Такие подходы не только сокращают выбросы, но и улучшают городскую пригодность для жизни и здоровье.

Декарбонизация зданий и энергетических систем

Внедрение строгих строительных норм, которые предписывают нулевые энергетические показатели для нового строительства, имеет важное значение. Это включает требования к высокоэффективной изоляции, энергоэффективному остеклению, герметичным оболочкам и готовым к использованию солнечной энергии конструкциям. Для существующего строительного фонда глубокие модернизация, включающая модернизацию HVAC, улучшение изоляции и интеллектуальные системы управления энергией, могут обеспечить значительную экономию энергии.

Районные энергетические системы, которые эффективно распределяют отопление и охлаждение в нескольких зданиях, обеспечивают экономию за счет масштаба и облегчают интеграцию возобновляемых источников энергии.Переход городских электрических сетей на возобновляемую генерацию - солнечную, ветряную, гидроэлектростанцию и геотермальную - является наиболее эффективной долгосрочной стратегией для сокращения косвенных выбросов от зданий и электрификации транспорта.

Реализация «зеленой» инфраструктуры и природных решений

Мероприятия в области зеленой инфраструктуры, такие как городские парки, уличные деревья, зеленые крыши, вертикальные сады и проницаемые тротуары, обеспечивают многогранные преимущества. Они смягчают эффект UHI затенением и эвапотранспирацией, улучшают качество воздуха путем фильтрации загрязняющих веществ, управляют стоком ливневых вод и улавливают углерод. Они также повышают биоразнообразие и обеспечивают места для отдыха, которые улучшают психическое и физическое здоровье.

Города по всему миру приняли эти стратегии. Медельин, Колумбия, инвестировал в обширные зеленые коридоры и городские леса, снижая температуру и повышая устойчивость. Подход Сингапура «Город в саду» включает вертикальные сады и зеленую поверхность на крыше во всех городских районах высокой плотности, демонстрируя, как природные решения могут сосуществовать с городским развитием.

Продвижение принципов циркулярной экономики и устойчивое управление отходами

Переход к экономике замкнутого цикла предполагает минимизацию образования отходов за счет сокращения, повторного использования и переработки, тем самым снижая выбросы в течение жизненного цикла продукта. Политика, запрещающая одноразовые пластмассы, поощряющая ремонт продукции и обеспечивающая расширенную ответственность производителей, смещает экономические стимулы в сторону устойчивого потребления.

Для неизбежных отходов разделение органических веществ на компостирование или анаэробное переваривание предотвращает выбросы метана со свалок. Захват свалочного газа для получения энергии еще больше снижает выбросы ПГ и обеспечивает возобновляемые источники энергии. Интеграция управления отходами с рекуперацией энергии и переработкой материалов создает замкнутые системы, которые повышают устойчивость городов.

Вывод: к устойчивым к изменению климата и устойчивым городам

Городские районы являются как основными участниками процесса изменения климата, так и ключевыми аренами для инновационных решений по смягчению последствий и адаптации. Сложная взаимосвязь транспорта, энергетики, отходов, социально-экономических факторов и городского дизайна формирует траекторию городских выбросов и воздействия на климат. Решение этих проблем требует комплексной, всеобъемлющей и дальновидной политики, которая привлекает заинтересованные стороны в различных секторах и общинах.

Приоритетное внимание уделяется устойчивой мобильности, энергоэффективным зданиям, зеленой инфраструктуре, справедливому управлению и циркулярным экономическим моделям, города могут уменьшить свой углеродный след, одновременно повышая пригодность для жизни и устойчивость.По мере того, как население планеты продолжает урбанизироваться, превращение городов в двигатели климатических действий является не только экологическим императивом, но и возможностью построить более здоровые, более справедливые и процветающие общества.