Гистерезисный характер отклика глобального углеродного цикла на антропогенные эмиссии СО2 в атмосферу

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С моделью Земной климатической системы Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (МЗС ИФА РАН) выполнены идеализированные численные эксперименты c увеличением антропогенных эмиссий СО2 в атмосферу и последующим их снижением. В указанных численных экспериментах выявлена инерционность различных компонент Земной климатической системы, приводящая к запаздыванию отклика различных составляющих углеродного цикла относительно интенсивности антропогенных эмиссий на несколько десятилетий. Инерционность компонент углеродного цикла приводит к гистерезисному отклику его характеристик на немонотонные во времени антропогенные эмиссии СО2 в атмосферу, заметному, в частности, для полной первичной продукции и дыхания растений и почвы. В свою очередь, гистерезисный отклик характеристик глобального углеродного цикла указывает на необратимость его изменений на масштабах (по крайней мере) в несколько десятилетий. Последнее должно учитываться при планировании мероприятий по предотвращению изменений климата и/или смягчению последствий этих изменений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Елисеев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; Казанский (Приволжский) федеральный университет; Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН; Институт прикладной физики РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: eliseev.alexey.v@mail.ru
Россия, Москва; Москва; Казань; Москва; Нижний Новгород

Р. Д. Гизатуллин

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: eliseev.alexey.v@mail.ru
Россия, Казань

Список литературы

  1. Аржанов М. М., Демченко П. Ф., Елисеев А. В. и др. Воспроизведение характеристик температурного и гидрологического режимов почвы в равновесных численных экспериментах с моделью климата промежуточной сложности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 5. С. 591–610.
  2. Будыко М. И. О происхождении ледниковых эпох // Метеорология и гидрология. 1968. № 11. C. 3–12.
  3. Володин Е. М. Воспроизведение современного климата моделью климатической системы INMCM60 // Известия РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2023. Т. 59. № 1. С. 19–26.
  4. Денисов С. Н., Елисеев А. В., Мохов И. И., Аржанов М. М. Модельные оценки глобальных и региональных эмиссий метана в атмосферу влажными экосистемами // Известия РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaна. 2015. Т. 51. № 5. C. 543–549.
  5. Елисеев А. В. Оценка изменения характеристик климата и углеродного цикла в XXI веке с учётом неопределённости значений параметров наземной биоты // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 2. C. 147–170.
  6. Елисеев А. В. Линейные и нелинейные аспекты отклика климата на внешние воздействия // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2023. Т. 66. № 2. С. 87–103.
  7. Елисеев А. В. Предотвращение изменений климата за счет эмиссии сульфатов в стратосферу: влияние на глобальный углеродный цикл и наземную биосферу // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 6. С. 467–474.
  8. Елисеев А. В., Демченко П. Ф., Аржанов М. М. и др. Гистерезис зависимости площади приповерхностной вечной мерзлоты от глобальной температуры // Доклады Aкадемии наук. 2012. Т. 444. № 4. C. 444–447.
  9. Елисеев А. В., Мохов И. И., Карпенко А. А. Вариации климата и углеродного цикла в XX–XXI веках в модели промежуточной сложности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. T. 43. № 1. С. 3–17.
  10. Елисеев А. В., Мохов И. И., Чернокульский А. В. Влияние низовых и торфяных пожаров на эмиссии СО2 в атмосферу // Доклады АН. 2014. Т. 459. № 4. С. 496–500.
  11. Елисеев А. В., Мохов И. И., Чернокульский А. В. Влияние молниевой активности и антропогенных факторов на крупномасштабные характеристики природных пожаров // Известия РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2017. Т. 53. № 1. С. 3–14.
  12. Елисеев А. В., Сергеев Д. Е. Влияние подсеточной неоднородности растительности на расчеты характеристик углеродного цикла // Известия РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2014. Т. 50. № 3. С. 259–270.
  13. Мохов И. И., Демченко П. Ф., Елисеев А. В. и др. Оценки глобальных и региональных изменений климата в XIX–XXI веках на основе модели ИФА РАН с учетом антропогенных воздействий // Известия РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2002. Т. 38. № 5. С. 629–642.
  14. Мохов И. И., Елисеев А. В. Моделирование глобальных климатических изменений в XX–XXIII веках при новых сценариях антропогенных воздействий RCP // Доклады Академии наук. 2012. Т. 443. № 6. C. 732–736.
  15. Мохов И. И., Елисеев А. В., Гурьянов В. В. Модельные оценки глобальных и региональных изменений климата в голоцене // Доклады Академии наук. 2020. Т. 490. № 1. С. 27–32.
  16. Мохов И. И., Елисеев А. В., Демченко П. Ф. и др. Климатические изменения и их оценки с использованием глобальной модели ИФА РАН // Доклады Академии наук. 2005. Т. 402. № 2. C. 243–247.
  17. Петухов В. К. Зональная климатическая модель тепло- и влагообмена в атмосфере над океаном // Физика атмосферы и проблема климата / Голицын Г. С., Яглом А. М. (ред.). M.: Наука, 1980. C. 8–41.
  18. Савина К. Д., Елисеев А. В., Мохов И. И. Временные масштабы отклика глобального углеродного цикла на внешние воздействия // Доклады Академии наук. Науки о Земле. 2024. Т. 514. № 1. C. 126–130.
  19. Archer D. Fate of fossil fuel CO2 in geologic time // J. Geophys. Res.: Oceans. 2005. V. 110. № С9. C09S05.
  20. Archer D., Eby M., Brovkin V. et al. Atmospheric lifetime of fossil fuel carbon dioxide // Annu. Rev. Env. Planet. Sci. 2009. V. 37. P. 117–134.
  21. Boucher O., Halloran P. R., Burke E. J., et al. Reversibility in an Earth System model in response to CO2 concentration changes // Environ. Res. Lett. 2012. V. 7. № 2. 024013.
  22. Budyko M. I. The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth // Tellus. 1969. V. 21. № 5. P. 611–619.
  23. Claussen M., Mysak L., Weaver A., et al. Earth system models of intermediate complexity: closing the gap in the spectrum of climate system models // Clim. Dyn. 2002. V. 18. № 7. P. 579–586.
  24. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. / eds. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., et al. Cambridge/New York: Cambridge University Press. 2021. 2391 p.
  25. Cox P. M., Betts R. A., Jones C. D., et al. Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model // Nature. 2000. V. 408. № 6809. Р. 184–187.
  26. Eliseev A. V., Demchenko P. F., Arzhanov M. M. et al. Transient hysteresis of near-surface permafrost response to external forcing // Clim. Dyn. 2014. V. 42. № 5–6. P. 1203–1215.
  27. Eliseev A. V., Mokhov I. I. Uncertainty of climate response to natural and anthropogenic forcings due to different land use scenarios // Adv. Atmos. Sci. 2011. V. 28. № 5. P. 1215–1232.
  28. Gidden M., Riahi K., Smith S. et al. Global emissions pathways under different socioeconomic scenarios for use in CMIP6: a dataset of harmonized emissions trajectories through the end of the century // Geosci. Model. Dev. 2019. V. 12. № 4. P. 1443–1475.
  29. Kim S.-K., Shin J., An S.-I. et al. Widespread irreversible changes in surface temperature and precipitation in response to CO2 forcing // Nature Clim. Change. 2022. V. 12. № 9. P. 834–840.
  30. Kug J. S., Oh J. H., An S. I., et al. Hysteresis of the intertropical convergence zone to CO2 forcing // Nature Clim. Change. 2022. V. 12. № 1. P. 47–53.
  31. Lasslop G., Brovkin V., Reick C. H. et al. Multiple stable states of tree cover in a global land surface model due to a fire-vegetation feedback // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. № 12. Р. 6324–6331.
  32. MacDougall A.H., Frölicher T. L., Jones C. D. et al. Is there warming in the pipeline? A multi-model analysis of the Zero Emissions Commitment from CO2 // Biogeosciences. 2020. V. 17. № 11. P. 2987–3016.
  33. Montenegro A., Brovkin V., Eby M., et al. Long-term fate of anthropogenic carbon // Geophys. Res. Lett. 2007. V. 34. № 19. L19707.
  34. Moss R., Edmonds J., Hibbard K. et al. The next generation of scenarios for climate change research and assessment // Nature.2010. V. 463. № 7282. Р. 747–756.
  35. Muryshev K. E., Eliseev A. V., Mokhov I. I., Timazhev A. V. Lead-lag relationships between global mean temperature and the atmospheric CO2 content in dependence of the type and time scale of the forcing // Glob. Planet. Change. 2017. Т. 148. P. 29–41.
  36. Petoukhov V. K., Mokhov I. I., Eliseev A. V., Semenov V. A. The IAPRAS Global Climate Model. Moscow: Dialogue-MSU. 1998. 110 p.
  37. Rahmstorf S., Crucifix M., Ganopolski A. et al. Thermohaline circulation hysteresis: A model intercomparison // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. № 23. L23605.
  38. Siegel D. A., DeVries T., Doney S. C., Bell T. Assessing the sequestration time scales of some ocean-based carbon dioxide reduction strategies // Env. Res. Lett. 2021. V. 16. № 10. 104003.
  39. Sitch S., Smith B., Prentice I. C. et al. Evaluation of ecosystem dynamics, plant geography and terrestrial carbon cycling in the LPJ dynamic global vegetation model // Glob. Change Biol. 2003. V. 9. № 2. P. 161–185.
  40. Volodin E. M., Mortikov E. V., Kostrykin S. V. et al. Simulation of the modern climate using the INM–CM48 climate model // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 2018. Т. 33. № 6. С. 367–374.
  41. Wu P., Ridley J., Pardaens A. et al. The reversibility of CO2 induced climate change // Clim. Dyn. 2016. V. 45. № 3. P. 745–754.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Временные зависимости концентрации qСО2 в атмосфере (а) и глобально осреднённой среднегодовой приземной температуры Tg (б) в численных экспериментах с МЗС ИФА РАН. Вертикальным серым пунктиром указан модельный год с максимальной интенсивностью ежегодных антропогенных эмиссий СО2 в атмосферу

Скачать (130KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Подобно рис. 1, но для глобальных характеристик углеродного цикла: интенсивности потоков СО2 из атмосферы в океан FO и в наземные экосистемы FL (а и б соответственно), интенсивностей фотосинтеза наземной растительности FGPP, разложения углерода опада и почвы RS и эмиссий СО2 в атмосферу из-за природных пожаров Ef (в, г и д соответственно), запасов углерода в наземной растительности CV и почве/опаде CS (е и ж соответственно) и отклонения запаса углерода в океане от начального значения ΔCO (з)

Скачать (488KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Гистерезисные кривые в зависимости от глобально осреднённой среднегодовой температуры Tg для концентрации углекислого газа в атмосфере qСО2 (а), аномалии запаса углерода в океане ΔCO (б), запасов углерода в наземной растительности CV и в почве CS (в и г соответственно), интенсивностей потоков СО2 из атмосферы в океан FO и наземные экосистемы FL, фотосинтеза наземной растительности FGPP и потока СО2 в атмосферу из-за разложения органики почвы RS (д, е ж и з соответственно). Серым прямоугольником показаны интервалы осреднения по гистерезисным кривым для сценария В.3, на основании которых получен рис. 4

Скачать (481KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Различие значений характеристик наземного углеродного цикла между восходящей и нисходящей ветвями гистерезисных кривых при сценарии В.3 для модельных лет, указанных в табл. 1: запасов углерода в наземной растительности HcV и почве/опаде HcS на единицу площади (а и б соответственно), интенсивности на единицу площади для полного потока СО2 из атмосферы в наземные экосистемы HfL, фотосинтеза наземной растительности HfGPP, автотрофного дыхания HrV и разложения органики почвы и опада HrS (в, г, д и е соответственно). Ненулевые значения характеристик наземного углеродного цикла над океаном связаны с неточностью распределения суши и океана в модели

Скачать (750KB)
Метаданные


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».