CC BY
44
МЕХАНИЗМ КИОТСКОГО ПРОТОКОЛА: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА УГЛЕРОДА*
1 2 А.И. Курбатова , А.М. Тарко
Экологический факультет Российский университет дружбы народов Подольское ш., 8/5, Москва, Россия, 113093
Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН ул. Вавилова, 40, Москва, Россия, 119333
В статье представлена математическая модель глобального цикла углерода, а также рассмотрена проблема зачета поглощения двуокиси углерода странами в Киотском протоколе.
Ключевые слова: Киотский протокол, глобальный цикл углерода, биосферные параметры, деградация окружающей среды, математическая модель.
Человеческая цивилизация всегда использовала природные ресурсы, во-первых, «по потребностям» — стремясь в наибольшей степени удовлетворять свои потребности в повышении уровня жизни, а во-вторых — «по способностям» — использование ресурсов на любой степени развития цивилизации было ограничено техническими и экономическими возможностями. С течением времени технологическая мощность увеличивалась, и увеличивалось использование ресурсов. На уровне руководителей стран необходимость коренного изменения экономической деятельности впервые в истории была признана на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в г. Рио-де-Жанейро в 1992 г. была принята в качестве базовой концепция устойчивого развития [1].
На конференции были утверждены два фундаментальных принципа, определяющие важные элементы экологической безопасности, актуальные для современной России [1]:
1) охрана окружающей среды должна стать неотъемлемой компонентой процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него;
2) следует руководствоваться принципом предосторожности. В случае существования серьезного или непоправимого ущерба природе недостаток полной научной информации не должен служить причиной для отсрочки эффективных по затратам мер по предотвращению деградации окружающей среды.
В практическом плане на конференции была принята Рамочная Конвенция «О стабилизации климата» [1]. Она вводит на государственном уровне добровольное ограничение воздействий на биосферу. Конвенция предполагает уменьшение государствами выбросов парниковых газов в атмосферу, в первую очередь, углекислого газа, образующегося при сжигании ископаемых органических топлив (каменного угля, нефти, газа). Эти меры должны затормозить глобальное потепление.
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 11-01-00575).
Курбатова А.И., Тарко А.М. Механизм Киотского протокола: математическое моделирование...
Вслед за Рамочной Конвенцией в 1997 г. в г. Киото был принят Киотский протокол, конкретизирующий сокращения выбросов парниковых газов частью стран. В Киотском протоколе было указано, что к 2010 г. страны должны сократить свои выбросы парниковых газов до величины на 5% меньше уровня 1990 г. Суммарный выброс странами Киотского протокола двуокиси углерода в 1990 г. составлял 61% от всех стран мира.
Недавно страны Европейского сообщества (ЕС) приняли решение начиная с 2020 г. дополнительно сократить на 20% выбросы СО2 в атмосферу. Этот результат они планируют получить в основном за счет разработки эффективных альтернативных источников электроэнергии.
Рассмотрим прогнозы различных ограничений выбросов двуокиси углерода и их влияние на глобальные биосферные процессы с помощью математической модели глобального цикла двуокиси углерода.
Для расчетов последствий тех или иных ограничений выбросов СО2 в атмосферу мы будем использовать пространственно-распределенную математическую модель цикла углерода в системе «атмосфера — экосистемы суши — океан» [2]. В модели территория всей планеты разделена на ячейки размером 0,5 х 0,5° географической сетки (приблизительно 50 х 50 км). Предполагается, что на территории каждой ячейки суши находится растительность одного типа согласно выбранной классификации типов растительных сообществ. Модель описывает процессы роста и отмирания растительности, накопления и разложения гумуса в терминах обмена углеродом между атмосферой, растениями и гумусом почвы в каждой ячейке суши. Климат в данной ячейке характеризуется среднегодовой температурой воздуха у поверхности земли и количеством осадков за год. Значения температуры и осадков для каждой ячейки суши в зависимости от количества углерода в атмосфере рассчитываются с помощью климатической модели общей циркуляции атмосферы и океана [3].
Моделировалась динамика биосферы с 1860 г. по 2100 г. Был принят следующий базовый сценарий. Антропогенное поступление СО2 в атмосферу происходит в результате индустриальных выбросов СО2 от сжигания ископаемых органических топлив (годичные выбросы которых в период 1860—2003 г. приведены в [4]), вырубки лесов, эрозии почв. После 2003 г. темпы роста индустриальных выбросов сохраняются такими же, какими они были предыдущее десятилетие (1,618% в год). С 1950 г. по 2100 г. идет вырубка и последующее уничтожение тропических лесов. В этот период масса тропических лесов каждый год уменьшается на 0,6%, соответствующее количество СО2 поступает в атмосферу. Эрозия почв связана прежде всего с неправильной сельскохозяйственной эксплуатацией земель, соответствующее количество СО2 также поступает в атмосферу. Эрозия начинается в 1860 г. и составляет в год 0,15%. Отдельный блок модели учитывал поглощения СО2 океаном.
Базовый расчет динамики биосферных параметров показан на рис. 1. Происходил рост СО2 в атмосфере. Биосферная реакция на рост концентрации СО2 в ат-
мосфере и связанное с этим изменение климата приводили к росту продуктивности растений суши и увеличению их биомассы. Количество гумуса почвы сначала снижалось, а затем по мере проявления компенсаторных свойств биосферы увеличивалось. Оба эти фактора приводили к тому, что в целом часть СО2 из атмосферы поглощалась экосистемами суши. Также часть СО2 поглощалась океаном. В результате рост атмосферного СО2 замедлялся.
2,2
2,0
1,8
1,4
1,2
1,0
0,8
4£
Ж
: 2 ¿Г
Й^—Гт--3 ^
- - -1-1-1-1-1-1-1- -
^ / ^ / / ^ ^
Рис. 1. Расчет динамики относительных значений углерода (по отношению к 1860 г.): 1 — в атмосфере; 2 — в фитомассе растений; 3 — в гумусе почв;
4 — в годичной продукции в 1860—2100 гг.
Согласно расчету к 2100 г. следует ожидать роста концентрации углекислого газа в атмосфере Земли в среднем в 2,15 раза и средней температуры атмосферы на 1,77 °С по сравнению с их значениями в 1860 г.
Одной из проблем при обсуждении зачетов или незачетов факторов в Киото и на последующих переговорах был учет поглощения двуокиси углерода экосистемами стран мира. До сего времени идея учета поглощения странами атмосферных выбросов СО2 отвергалась.
Рассмотрим подробно данное обстоятельство. В 2003 г. было выброшено 7,3 Гт С (млрд т двуокиси углерода в пересчете на углерод) индустриальных выбросов. В этом году согласно расчетам все страны поглотили 2,37 Гт С, т.е. 32% выбросов. При этом 71 страна из 172 имела положительный баланс СО2 (т.е. поглощения экосистемами страны было больше индустриальных выбросов), они поглотили 0,65 Гт С, т.е. 9% выбросов.
Казалось бы, в качестве основного фактора, по которому следует определять вклад страны, является баланс — разность поглощения СО2 экосистемами и индустриальными выбросами СО2. Однако, как мы видели, эти страны погло-
Курбатова А.И., Тарко А.М. Механизм Киотского протокола: математическое моделирование...
тили всего 9% выбросов. В то же время поглощение СО2 всеми странами составляет 32% — заметную часть уходящего из атмосферы СО2.
На рис. 2 показаны страны наибольшие поглотители (и выделители) двуокиси углерода.
Рис. 2. Сравнение индустриальных выбросов и поглощения углерода экосистемами стран крупнейших поглотителей СО2 (Гт углерода/год) в 2003 г.
Выбросы СО2 на территории США и Китая выходят за пределы графика
Оказывается, пять стран — Россия, Канада, США, Бразилия и Австралия — поглотили в 2003 г. 1,2 Гт С в 2003 г., т.е. 16% индустриальных выбросов СО2 или 51% всего поглощенного СО2. Указанная величина поглощения значительно больше величины всего положительного баланса СО2. Таким образом, очевидно, что для зачета поглощения больше всего подходит величина поглощения СО2 экосистемами страны, а не величина баланса. Отметим, что указанные пять стран являются наибольшими выделителями, причем за исключением Канады они выделяют СО2.
К сожалению, до сих пор обсуждение возможности учета поглощения СО2 экосистемами стран отвергалось. Возможно, именно тот факт, что страны — наибольшие поглотители СО2 одновременно являются и его наибольшими выделителями, является камнем преткновения для решения проблемы зачета поглощения.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Доклад Конференции Организации Объединенных Наций по окружающей среде и развитию. Рио-де-Жанейро, 3—14 июня 1992 года. Т. 1. Резолюции, принятые на Конференции. Приложение 1 A/CONF. 151/26/REV.l (VOL. I).
[2] Пархоменко В.П. Верификация климатической модели. — М.: ВЦ АН СССР, 1988.
[3] Тарко А.М. Антропогенные изменения глобальных биосферных процессов. Математическое моделирование. — М.: Физматлит, 2005.
KYOTO MECHANISMS: MATHEMATICAL MODELING OF THE GLOBAL CO2 EMISSIONS
A.I. Kurbatova1, A.M. Tarko2
'Ecological Faculty People's Friendship University of Russia
Podolskoye shosse, 8/5, Moscow, Russia, 113093
Dorodnitsyn Computing Center, Russian Ac.Sc.
Vavilov str., 40, Moscow, Russia, 119991
In article have been presented the mathematical model of a global cycle of carbon, and also have been analyzed the problem of offset of absorption of dioxide of carbon by the countries in the Kyoto Protocol.
Key worlds: Kyoto Protocol, global cycle of carbon, parameters of biosphere, environmental degradation, mathematic model.
