Стальная мачта ZOTTO стала уникальной научной платформой по наблюдению за составом и динамикой парниковых газов и аэрозолей в атмосфере над тайгой Сибири. Уже более десяти лет такие исследования являются одним из самых перспективных направлений в изучении климата на планете.

История

«Таежное чудо», «монстр» и даже «сибирская Эйфелева башня», как только не называют международную обсерваторию ZOTTO с 304-метровой вышкой в центре сибирской тайги. ZOTTO – это акроним, образованный от заглавных букв Zotino Tall Tower Observatory. Ее построили на севере Красноярского края возле поселка Зотино для наблюдений за составом и изменением содержания парниковых газов и аэрозолей в атмосфере северной Евразии.

Следить за составом парниковых газов с помощью высотных мачт начали в 90-х годах прошлого века в США и Венгрии. Со временем сеть подобных станций значительно расширилась. В России ZOTTO – единственная измерительная платформа такого масштаба. Станцию начали устанавливать в 2003 году специалисты Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН при поддержке немецких коллег из Института биогеохимии общества Макса Планка. Первые измерения на нижних уровнях мачты сделали уже в 2005 году. После завершения строительства осенью следующего года пробы воздуха стали отбирать на всех высотах – от нижнего яруса на 4 метрах до верхней отметки в 301 метр.

Зачем же понадобилось устанавливать мачту в центре Северной Евразии на расстоянии более 600 километров от Красноярска? По словам ученых эта территория достаточно удалена от антропогенных источников, а наблюдаемые на планете погодные и климатические изменения проявляются здесь наиболее ярко. Немаловажно, что в конце 90-ых годов прошлого века здесь уже проводились измерения газообмена в сосновом лесу с помощью небольшой микрометеорологической вышки. Ученые знали, как добраться до этого места и завезти нужный груз. Предварительные исследования и понятная логистика стали основными аргументами при выборе места для обсерватории.

В 2015 году у ZOTTO появился близнец, находящийся в Бразилии – Amazonian Tall Tower Observatory ATTO с мачтой высотой 320 метров. Пятая часть поглощаемого всеми лесами планеты углерода хранится в бореальной зоне, что превышает его запасы в дождевых лесах. Однако, климатические изменения могут серьезно нарушить жизнь бореальных лесов, превратив их из поглотителя углерода в источник. Поступление огромного количества углерода в атмосферу может привести к «хаосу» в глобальной климатической системе. Не все безоблачно и с дождевыми лесами. В последние десятилетия отмечаются все большие масштабы их обезлесения и деградации, что сказывается на способности поглощать и удерживать углекислый газ. «Сравнение отклика двух крупнейших резервуаров углерода планеты с помощью обсерваторий ZOTTO и ATTO на изменения климата и окружающей среды – вопрос глобальной значимости», – подчеркнул кандидат биологических наук, научный координатор обсерватории ZOTTO и старший научный сотрудник Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН Алексей Панов.

Как устроена обсерватория и что она измеряет

На разных высотах стальной мачты ZOTTO размещены воздухозаборники и метеорологические датчики. По системе трубопроводов воздух поступает к анализаторам лабораторного бункера, который расположен у основания мачты. Современные приборы непрерывно регистрируют концентрации и изотопный состав парниковых газов (углекислый и угарный газы, метан, озон и окислы азота), микрофизические, оптические и химические свойства атмосферного аэрозоля. Измерения проводятся на высоте пограничного, хорошо перемешиваемого слоя атмосферы. Это позволяет получать обобщенный сигнал о концентрациях и составе парниковых газов и аэрозолей в атмосфере над континентальной территорией Сибири площадью до четырех миллионов квадратных километров.

Почему же анализируются именно эти газы и чем так важны атмосферные аэрозоли? Углекислый газ и метан объявлены Межгосударственной группой экспертов по изменению климата наиболее значимыми антропогенными факторами, ответственными за парниковый эффект и изменение климата. Леса являются одними из крупных резервуаров углерода и, в значительной мере, определяют состояние биосферы.

Атмосферный аэрозоль или частицы в размерном диапазоне от тысячных до десятых долей микрона также играют важную роль в климатологии. Во многом благодаря аэрозольным частицам образуются облака и увеличивается количество осадков, что снижает количество приходящей солнечной радиации. С другой стороны, они удерживают отраженное от поверхности земли тепловое излучение, способствуя еще большему нагреванию приземной атмосферы.

Измерения изотопного состава газов позволяют установить их источники. Углекислый газ и метан различного происхождения содержат и углерод разного изотопного состава. Например, зимой в парниковых газах тяжелого изотопа углерода С¹³ меньше, а летом больше. Источник углекислого газа и метана зимой – выбросы, связанные с деятельностью человека. Это добыча и сжигание нефтепродуктов и природного газа. Летом появляются природные источники. Углекислый газ в теплое время в основном содержит более тяжелый изотоп углерода характерный для биомассы растений. Метан летом выделяется в результате деятельности микроорганизмов из торфяных болот. Таким образом, обсерватория помогает разделять антропогенные и биогенные источники углекислого газа и метана в атмосфере.

Результаты

Работу обсерватории ZOTTO координирует консорциум академических институтов и университетов России и Германии. У каждой группы исследователей своя программа наблюдений. Красноярцы изучают газообмен углерода в экосистемах, воздействие пожаров на атмосферно-экосистемный обмен, проводят лесобиологические исследования. Московские и санкт-петербургские коллеги изучают динамику окислов азота и озона, характеристики атмосферного аэрозоля, а немецкие ученые – содержание углекислого газа и метана.

На состав и концентрацию газов и аэрозольных частиц в атмосфере большое влияние оказывают лесные пожары. С помощью наблюдений ученые выяснили их вклад в атмосферный сигнал, что регистрируется мачтой ZOTTO. Более того, проанализировав содержание лигнина и фенольных соединений в дыме от пожаров исследователи поняли, какие группы и ткани растений отвечают за эти выбросы.

За десять лет наблюдений ученые отметили, что каждый год концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается примерно на пол процента от его общего содержания. Чтобы понять причину этого роста, необходимы более длительные исследования. Проект ZOTTO рассчитан минимум на 30 лет. Ученые предполагают, что за такой срок они смогут разделить долгосрочные тренды и межгодовые колебания содержания парниковых газов в атмосфере.

«Наши многолетние наблюдения показывают, что концентрация углекислого газа в конце июля-начале августа достигает минимальных значений, а в зимнее время вырастает до относительно постоянных значений. Разница между зимней и летней концентрациями – показатель того, сколько углекислого газа поглощается растительным покровом в течение вегетационного сезона. Эти величины меняются в зависимости от того, влажный или сухой был год, холодный или теплый», – поделился результатами Алексей Панов.

Будущее

Обсерватория ZOTTO предоставляет общую информацию об изменении содержания парниковых газов в атмосфере над территорией Сибири. Чтобы оценить сколько углерода поглощается и выделяется лесом, нужно напрямую измерить газообмен между атмосферой и разными экосистемами. Первые подобные замеры специалисты красноярского Института леса совместно с учеными японского Института лесоводства и лесных продуктов провели в Эвенкии еще в 2004 году.

В 2012 году в районе поселка Зотино в лишайниковом сосняке и на торфяном болоте появились две микрометеорологические мачты. Спустя три года в темнохвойном пихтарнике выросла третья мачта. Через год при содействии сотрудников Игарской геокриологической лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН на болоте лесотундры в окрестностях города Игарка установили еще одну мачту. Так красноярские ученые совместно с коллегами создали сеть станций непрерывных наблюдений KrasFLUX в экосистемах северных широт.

Высокочастотные газоанализаторы и метеорологическое оборудование сети KrasFLUX размещены на микрометеорологических мачтах высотой от 6 до 35 м. В перспективе, на основе этих измерений ученые оценят способность лесов и болот бассейна реки Енисей поглощать углерод, и поймут, как они реагируют на изменение климата.

«На данный момент можно сказать, что на всех участках наблюдается поглощение углекислого газа из атмосферы, а вот плоскобугристое болото лесотундры, в зависимости от влажности и температуры, балансирует на грани поглотитель/источник. Продолжение наблюдений позволит нам лучше понять, как конкретная экосистема ведёт себя при разных погодных условиях, и сделать прогноз её реакции на изменение климата», – озвучил предварительные результаты Алексей Панов.

До последнего времени «белым пятном» в проводимых исследованиях оставалась оценка вклада парниковых газов, которые поступают с акватории Северного Ледовитого океана, в сигнал, регистрируемый обсерваторией ZOTTO. В 2018 году красноярские исследователи при содействии специалистов Объединенной дирекции заповедников Таймыра разместили систему круглогодичного мониторинга парниковых газов на побережье Енисейского залива. Новая мини-обсерватория DIAMIS (Dikson Atmospheric Measurement Integration Station) расположена в районе Диксона – самого северного поселения России. Станция DIAMIS будет работать в связке с обсерваторией ZOTTO, расширяя зону охвата ее измерений. В планах ученых – размещение системы измерения газообмена в арктической тундре.

В 2016 году обсерваторию ZOTTO включили в реестр уникальных научных установок России. Вопреки ожиданиям ученых, это не привело к получению целевого финансирования. До настоящего времени обсерватория ZOTTO и сеть KrasFLUX существуют за счет проектов и грантов. Поддержку исследователям оказывают Красноярский краевой фонд науки, Российский фонд фундаментальных исследований, Российский научный фонд и Общество научных исследований имени Макса Планка (Германия). Проводимые работы являются уникальным примером продуктивного международного научного сотрудничества и организации современных высокотехнологичных исследований в труднодоступном районе Сибири.