«Переключить» болота и океаны: российские ученые на карбоновых полигонах заставляют природу поглощать углекислый газ
В России ученым выделили почти 40 тысяч гектаров, чтобы они изучали парниковый эффект, роль углекислого газа в глобальном потеплении, его баланс в атмосфере и возможности влиять на эти вещи в масштабах страны. Но ведь 40 тысяч гектаров — огромная площадь. Для сравнения — Красная площадь (или Кремль) не достигают и 30 гектаров. Если измерить в стандартных футбольных полях выделенные на уже 17 карбоновых полигонов территории, то их выйдет около 56 тысяч — это ещё более астрономическая цифра, но ее куда проще представить, чем безликие гектары. Теперь осталось лишь правильно понять термин «полигоны» — здесь нет ничего общего с армией. Это совсем не огражденные территории, на которых снуют туда-сюда люди в форме, расставлены палатки, зияют рвы-воронки после испытаний взрывчатки, простираются галереи-тиры для тяжелой техники. Хотя если сравнивать с военным аналогом, то эти места — действительно будущая передовая линия борьбы с глобальным потеплением и изменением климата.
Фото: Минобрнауки
Нет, «углекислый» полигон — это большая территория, на которой ученые могут вдоволь проводить исследования. Конечно же, подойдет не любое свободное от застройки пространство. Кроме того, на это нужны деньги. Потому за каждым карбоновым полигоном стоит какая-либо компания-шеф, вуз и специалисты высокого уровня. Чтобы полностью понять, зачем это все и чем занимаются ученые, нужно разобрать предысторию возникновения, Парижские соглашения, углеродный налог и вообще сам парниковый эффект.
Парниковый эффект
Первым об этом явлении догадался в 1827 году знаменитый ученый, физик и математик Джозеф Фурье. Но он ограничился лишь теорией, пусть и подробной. Позже ее научно доказал другой физик — Джон Тиндаль. Он создал инфракрасный спектрометр — прибор, который может регистрировать интенсивность и энергию (длина волны, частота) излучения, а иногда и прочие незаметные невооруженным глазом характеристики. Из своих опытов Тиндаль понял, что азот и кислород не поглощают инфракрасные лучи, а озон, метан, оксид азота и углекислый газ делают это в больших количествах. Водяной пар — самый крупный поглотитель инфракрасных лучей. Но человечеству не под силу контролировать испарение воды на планете, 70% которой покрыто ею. К тому же атмосфера стала сбалансированной задолго до человеческой цивилизации.
Упрощенно, но с важными деталями, парниковый эффект можно описать так. Солнечные лучи попадают на поверхность планеты и нагревают её. Земля поглощает видимое солнечное излучение. Затем нагретая поверхность излучает тепло в виде инфракрасного излучения в атмосферу. Вообще любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, «светится» в инфракрасном спектре. Некоторое излучение не зарегистрировать без специальных датчиков. А некоторое легко ощутить ладонью — достаточно поднести ее к отопительному радиатору в квартире. Даже в отсутствие солнечного света поверхность Земли продолжает излучать тепло, сохраняя тепловой баланс.
Важно понимать, что без парникового эффекта вряд ли существовало бы человечество — если бы жизнь на Земле и присутствовала, то была бы представлена совсем другими видами. Если «отключить» все отражающие и рассеивающие свойства земной атмосферы, благодаря которым и существует парниковый эффект, средняя температура поверхности оказалась бы на уровне 1-2 ℃. Но на деле она значительно выше — около 15 ℃.
Влияние парникового эффекта на климат можно оценить в планетарном масштабе. Венера — вторая от Солнца планета в нашей системе. Но температура ее поверхности — около 462 ℃. Это существенно больше, чем у Меркурия, который вдвое ближе к солнцу. Более того, Венера самая горячая планета в нашей солнечной системе. Воздух этой планеты на 96 % состоит из углекислого газа. Из-за высокого давления он находится в полужидком состоянии (на Земле в природных условиях углекислый газ не может быть жидким — при охлаждении он из газа сразу превращается в вещество, известное как «сухой лед»). Эти облака отражают обратно практически все тепло и без того горячей планеты.
Парижское соглашение и углеродный налог
Как промежуточный итог: человечество понимает, что парниковый эффект как таковой не просто неизбежен, но и в целом нужен планете. Но в определенных рамках. Увеличение содержания метана и углекислого газа увеличивается из-за индустриализации и технического прогресса. Города потребляют огромное количество электричества, большая часть которого добывается сжиганием углеводородов в разных установках. Узлы ТЭЦ и транспорт с двигателями внутреннего сгорания выделяют в атмосферу много газов. Разные формы сгоревшего углерода C: углекислый и угарный газы CO2 и CO соответственно — основные продукты горения.
В 2015 несколько стран приняли так называемое Парижское соглашение, направленное на максимально возможное сокращение выбросов парниковых газов. Бюрократическая машина работала целый год, пока в итоге оно не вступило в силу. Возможно, это было и к лучшему — за это время в проблему успели вникнуть правительства многих стран. Всего на данный момент к нему присоединились 194 страны.
Соглашение устроено таким образом, что страны не только обязуются сокращать выбросы газов в атмосферу, но и со временем укрепляют свои обязательства или берут на себя новые. Развитые страны помогают развивающимся, специальные комиссии оценивают прогресс и ставят новые цели для участников инициативы. Ученые подсчитали, что климат Земли стал в среднем на 1,1 ℃ теплее, чем в начале 19 столетия. В запасе у человечества осталось лишь 0,4 ℃. Если глобальное потепление не получится удержать в этих рамках, то последствия для человечества будут плачевные. Потому к 2030 году нужно сократить объем выбросов на 45%, а к 2050 — достичь нулевых выбросов.
Одно из самых неочевидных последствий — растительная еда станет менее полезной. При избытке углекислого газа растения содержат больше углеводов, сахаров и крахмалов, а белка, цинка, минералов и витаминов будет меньше. Ученые прогнозируют, что к середине 21 века в продуктах будет катастрофическая нехватка цинка и железа. Только через рис увеличение количества углекислого газа в воздухе подорвет здоровье 600 миллионов человек.
Есть и менее драматичные последствия — в Италии, Португалии, Испании и некоторых регионах Греции и Турции количество осадков к середине столетия уменьшится на 20 %. Специалисты прогнозируют засухи, которые могут длиться по полгода. Чувствительные к осадкам виноградные лозы просто не смогут расти там, где сейчас для них хорошие условия. Вино станет дорожать, а вкусовые качества сортов изменятся. С кофе все тоже будет плохо — через 30 лет пригодных для кофейных деревьев земель может стать вдвое меньше. Если тенденции не поменяются, то к 2080 году кофе перестанет расти в дикой природе. Но самое страшное — если растают льды на полюсах, то под водой окажутся Лондон, Венеция, Дублин, Брюссель, Стокгольм, Амстердам, Копенгаген, Хельсинки, Рига и Санкт-Петербург. Стамбул затопит частично, а Черное и Средиземное моря сольются.
Введение углеродного налога — один из пунктов парижской программы. Он уже действует в Дании, Германии, Индии, Китае и некоторых других странах. Это система налогообложения, которую Евросоюз собирается внедрить, чтобы уравнять продукцию, произведенную в ЕС с минимальными выбросами углекислого газа, и продукцию других стран, где используются далекие от экологически чистых технологии.
Переключить болота
Чем ученые занимаются на своих объектах и чего достигли, можно разобрать на примере карбонового полигона «Росянка» в Калининградской области. Его открыли в ноябре 2021 года на базе Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (БФУ) и при поддержке Минобрнауки. В рамках проекта специалистам выделили сразу две площадки — торфяник и акваторию Балтийского моря. Там, где сейчас находится Виттгирренский торфяник, раньше были болота, которые поглощали существенное количество углекислого газа. Когда там началась торфодобыча, болота осушили. Оказалось, что сухой торфяник выделяет много углекислого газа. Тогда, два года назад, ученые решили в тестовом режиме провести некую экологическую реабилитацию болота — подняли уровень грунтовых вод, провели повторное заболачивание. Главное, чтобы в болото вернулся сфагнум, который еще называют торфяным мхом. Сфагнумовые болота впитывают углекислый газ, метан, аммиак, азотоксиды и прочие вредные вещества лучше других болот.
Полигонные достижения
Вообще это один из мифов школьной программы — леса поглощают много углекислого газа, выделяют кислород. «Зеленые легкие» действительно фильтруют воздух, но глобально на углекислый баланс не влияют. Растения днем поглощают углекислый газ и выделяют кислород, но ночью процесс обратный — они, как и мы, «дышат» кислородом. Кроме того, при разложении отмершей органики, будь то растения или животные, в атмосферу тоже выделяется энное количество углекислого газа. Если суммировать и эти выделения, то за свою жизнь растения поглощают не так много СО2.
Тогда, два года назад, многие привлеченные к проекту карбоновых полигонов ученые решили сделать ставку на болота. Причин несколько. Одна из них — территориальные соотношения. Около 12% площади России занято болотами, что делает ее самой заболоченной страной мира. Еще одна причина — при осушении болото начинает выделять углекислый газ в больших количествах.
В «Росянке» есть и другой участок полигона — в Балтийском море находится метановая аномалия. В осадках на дне содержание этого газа в 10 раз больше, чем в соседствующих водах. По парниковому эффекту метан в 25 раз «сильнее» углекислого газа. Ученые изучают, как «заставить» воду поглощать метан в больших количествах. Попутно они осваивают технологию получения биотоплива из водорослей и морского мусора.
Этой осенью полномочия ученых на полигонах расширили на законодательном уровне. В рамках федеральной научно-технической программы и госзаданий специалисты получили большой объем работы, для выполнения которой могут применять свежие технологические идеи, отрабатывать практические задумки. Их задачи прежние — выяснять, как природа поглощает и хранит углекислый газ, а затем придумывать механизмы и воплощать эти технологии вживую. А представитель Министерства науки и высшего образования РФ по вопросам биологической и экологической безопасности в начале декабря сообщил, что Россия планирует расширить сеть полигонов в масштабах континентов: такие площадки планируются в Китае, Казахстане, ЮАР и Иране, и они будут созданы при глубоком сотрудничестве с правительствами этих стран. Есть вероятность, что количество международных полигонов тоже быстро приблизится к паре десятков — так уже было в самой России два года назад.
Сейчас страна находится на распутье, и первые шаги оптимистичны. Во-первых, технологии, обеспечивающие уменьшение вредных выбросов в атмосферу, на разных производствах постоянно совершенствуются. Это не только разные газоулавливатели и фильтры, но и принципиально новые подходы к, например, пиролизу метана — специалисты научились разлагать его на водород и углекислый газ с нулевыми выбросами в атмосферу. Во-вторых, за каждым полигоном стоит не только какой-либо вуз с опытными (и неравнодушными) учеными, но и промышленное предприятие. Индустрия будто самообучается и самосовершенствуется. В третьих, заявки на создание новых полигонов возникают каждые два-три месяца — интерес к ним возник во всей стране. Поскольку ученые из соседних стран уже признали, что проведенные на полигонах исследования имеют значимые результаты, Россия через несколько лет сможет стать государством с наименьшим углеродным следом.
