что делают деревья с углекислым газом
Биологи выяснили, что леса начали потреблять больше углекислого газа
Новое исследование биологов Университета Западной Вирджинии показывает, что деревья во всем мире потребляют больше углекислого газа, чем считалось ранее. Это открытие делает леса еще более важным звеном в регулировании атмосферы Земли.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, профессор Ричард Томас и его выпускник Джастин Матиас объединили данные наблюдений за кольцами деревьев.
Авторы работы обнаружили: увеличение содержания СО2 в атмосфере за последнее столетие привело к тому, что деревья стали «вдыхать» больший объем углекислого газа и больше «выдыхать» водяного пара.
Таким образом, говорят исследователи, уничтожение деревьев приведет к росту содержания углекислого газа в воздухе в геометрической прогрессии.
Ранее ученые предполагали, что в последнее столетие деревья при дефиците воды стремились использовать ее более эффективно за счет снижения устьичной проводимости — то есть, сохраняли больше влаги, когда поры на их листьях прикрывались при повышении уровня углекислого газа.
Однако анализ с использованием изотопов углерода и кислорода в кольцах деревьев показал, что в 83% случаев для повышения эффективности использования воды деревья ускоряли процесс фотосинтеза. Наблюдения велись с 1901 по 2015 год, изучались 36 видов деревьев на 84 участках по всему миру.
С 1901 года эффективность использования воды деревьями во всем мире выросла примерно на 40% в сочетании с увеличением примерно на 34% содержания двуокиси углерода в атмосфере. Обе эти характеристики с 1960-х годов увеличивались примерно в четыре раза быстрее, чем в предыдущие годы.
В глобальном масштабе это будет иметь серьезные последствия для углеродного цикла, если больше углерода будет переноситься из атмосферы в деревья, отмечают исследователи.
Деревья уже не помогут: что делать с выбросами СО2 и как извлечь из них пользу
Углекислый газ можно выкачать из воздуха, переработать или построить небоскреб, который будет делать это за людей. Из-за глобального потепления и высокого уровня загрязнения воздуха ученые придумывают необычные способы избавиться от СО2. «Хайтек» рассказывает о тех способах, которые уже используют, чтобы остановить изменение климата.
Читайте «Хайтек» в
Из углекислого газа можно сделать топливо, уголь и даже полиуретан для производства одежды, упаковки или частей автомобиля. Но увеличивать количество CO2 в атмосфере опасно — это ухудшает ситуацию с глобальным потеплением, климатом и качеством воздуха.
Как с помощью одной реакции сделать из СО2 полиуретан, топливо или уголь
Ученые из Киотского университета придумали реакцию, при которой СО2 превращается в полезный органический полимер.
Исследователи использовали главный компонент — пористый координационный полимер (ПКП), в его составе есть ионы металла и цинка. Они захватывают молекулы CO2 из атмосферы и делают это в 10 раз эффективнее аналогичных ПКП. Также авторы отметили, что этот полимер можно использовать даже несколько раз: во время эксперимента он был эффективен в течение 10 циклов.
По итогам работы остается ПКП с молекулами СО2 — его можно переработать в органический полимер, а дальше в полиуретан и использовать во многих сферах, например, для создания одежды, упаковки и при разработке частей автомобиля.
Сотрудники государственной физической лаборатории в Хэфэе, Китай, создали новый материал, с помощью которого можно сделать топливо из углекислого газа. По словам авторов, они получили муравьиную кислоту. Ее нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания, но можно применить как носитель водорода. Газообразный водород трудно сжать, зато в составе концентрата муравьиной кислоты его можно запасти в тысячу раз больше на единицу объема емкости.
Исследователи применили твердые электролиты и катализатор из висмута. Они использовали твердый электролит, так как в нем нет примесей. Ключевым элементом преобразования выступил металлический висмут. Авторы пропустили CO2 через многослойную решетку из висмута и сделали из него отрицательно заряженную молекулу — формиат. В итоге получился 30% концентрат муравьиной кислоты.
Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT) придумали, как превратить CO2 обратно в уголь при комнатной температуре.
Исследователи использовали катализатор из жидкого металла, который они получили из сплава галлия, индия и олова с добавлением церия. Потом этот катализатор соединили со смесью CO2 и жидкого электролита. После этого, под воздействием электрического заряда катализатор создавал из двуокиси углерода твердые углеродные хлопья. Они появляются на поверхности жидкого металла: их легко убрать с поверхности, а вещество использовать повторно.
Материал можно разместить под землей без риска утечки.
«Пылесос» для выкачивания CO2 из атмосферы
Но чтобы преобразовать углекислый газ в полезные вещества, нужно его сначала собрать. Этим занимаются специальные установки по улавливанию CO2 из атмосферы. Одни расположены около предприятий, работающих на ископаемом топливе, чтобы уменьшить ущерб, а другие нейтрализуют ранее образовавшиеся выбросы. Например, последний тип установки запустили в сентябре 2021 года в Исландии. По информации создателей предприятия — это самый большой завод по улавливанию CO2 из атмосферы. За год установка под названием Orca будет удалять за счет геотермальной энергии по 4 тыс. т CO2: газ закачают глубоко под землю, где примерно через два года он превратится в камень.
В августе 2021 года сотрудники института Пауля Шеррера PSI и Швейцарской высшей технической школы Цюриха опубликовали работу, где описали, как удалять углекислый газ из атмосферы. Они сделали вывод, что если правильно спланировать местоположение установки и обеспечить ее необходимой энергией, то CO2 можно улавливать без вреда для климата.
При обычном процессе выделения CO2 из атмосферы, воздух сначала прогоняют через абсорбент с помощью вентиляторов. Это связывает углекислый газ до тех пор, пока не исчерпается его способность поглощать парниковый газ. После этого, на этапе десорбции, углекислый газ опять высвобождается из абсорбента. Весь этот процесс проходит при температурах до 900 °C, либо при 100 °C.
Авторы выделили опыт швейцарской компании Climeworks: она работает с низкотемпературным процессом. Ученые проанализировали пять подходов к удалению CO2 из атмосферы, а также восемь локаций для размещения установки и выяснили, что этот процесс можно организовать с эффективностью 97%.
Работать в офисе и очищать окружающую среду
Руководители компании Skidmore, Owings & Merrill из США придумали как построить небоскреб, который будет удалять СО2 из воздуха. Они запустили проект Urban Sequoias («Городские секвойи») — это аналогия с небоскребами, которые, как и эти растения, выше обычных домов.
Как рассказали представители компании, один небоскреб будет поглощать до 1 000 т углерода в год. С аналогичным объемом справляются около 48 500 деревьев. Такого результата можно добиться с помощью сразу нескольких установок для удаления углекислого газа: в небоскребе используют специальные стройматериалы, которые сделаны из углеродопоглощающих веществ, например, конопляного бетона, древесины и биобетона. Еще в зданиях будут выращивать водоросли и другие растения, а в самом центре разместят установку, которая напрямую поглощает углерод.
Авторы создали модель функционирования такого здания и выяснили, что оно за 60 лет удалит из воздуха в четыре раза больше углерода, чем будет выделено при строительстве.
Все описанные открытия и работы — это важное дополнение к остальным мерам по сокращению выбросов и стабилизации климата. Исследования в этой сфере необходимы, так как они помогут добиться цели по ограничению глобального потепления на 2°C, эта задача изложена в Парижском соглашении.
Как лес меняет климат
Иллюстрации нарисовал Антон Марьинский
Людям очень повезло. Нам для жизни необходим кислород, и деревья в процессе фотосинтеза его вырабатывают. Эта удивительная способность деревьев бескорыстно давать нам необходимое впечаталась нам в память в виде клише про «лёгкие планеты». Но на самом деле лес защищает нас не только от недостатка кислорода, но и от необратимых и непредсказуемых изменений климата. Рассказываем как.
Зачем деревьям углекислый газ?
Для роста дереву необходим углерод, и дерево поглощает его из воздуха в виде углекислого газа. От семечки до столетних деревьев лес при помощи солнечной энергии превращает углекислый газ и воду в питательные вещества, накапливает углерод, а в атмосферу отдаёт кислород. Лес растёт, мы дышим.
Если всё упростить, то в среднем для дерева, для жизни одного его кубического метра, нужна примерно тонна углекислого газа. А из одной тонны захваченного деревьями углекислого газа в результате фотосинтеза в атмосферу поступает 0,7 тонны кислорода.
Где в лесу углерод?
Чрезмерное накопление в атмосфере парниковых газов — в том числе углекислого — ведёт к изменению климата. Но благодаря способности к фотосинтезу лес захватывает и хранит углекислый газ. Так он смягчает и замедляет климатические изменения.
Молодой растущий лес быстро накапливает углерод в древесине, ветвях и корнях деревьев. Однако не стоит забывать, что фотосинтез происходит только на свету, и деревья сами выделяют углекислый газ при дыхании. Как и все зелёные растения.
Углерод выделяется при дыхании всех организмов, входящих в экосистему, когда разлагается мертвая древесина, органические вещества. В какой-то момент, если с лесом не происходит никаких катаклизмов, отпад старых деревьев в лесу уравновешивается приростом новых и количество связанного углерода в живых деревьях более или менее стабилизируется.
Молодой лес быстрее поглощает углерод, зато старый хранит большие запасы того углерода, что был поглощен в течение жизни всей лесной экосистемы. Даже в немолодом лесу связанный углерод в больших количествах сохраняется в погибших деревьях, в лесной подстилке и почве. В течение десятилетий и даже столетий леса способны не только хранить, но и продолжать перерабатывать углекислый газ из атмосферы. Эту динамичную систему крайне важно сохранить во что бы то ни стало.
Все леса такие?
Леса — важнейший для климата поглотитель и накопитель углерода. Все леса важны по-своему, а самые преданные борцы с изменением климата — это дикие леса, те, что пережили наших бабушек и дедушек в десятом поколении, и которые ещё не изрезаны дорогами, нефтепроводами, не вывернуты наружу при добыче ископаемых, не покрыты шахматкой сплошных вырубок и язвами пожаров. Благодаря системе естественных связей дикие леса устойчивы и способны существовать неограниченно долго.
Для крупных массивов таких лесов, если их площадь не меньше 50 тысяч гектаров, есть специальный термин «малонарушенные лесные территории» и неофициальное прозвище — «углеродные консервы». Особенно большую роль в консервировании углекислого газа играют тропические леса в Южной Америке, Африке, Юго-Восточной Азии. И таёжные леса в России и Канаде.
В России площадь диких лесов стремительно сокращается. Уже сейчас их площадь меньше 250 миллионов гектаров, они гибнут со скоростью 1,6 миллиона гектаров в год. И неудивительно: махнув рукой на нормальное лесное хозяйство на освоенных землях, наши лесные деятели с особым цинизмом идут всё дальше вглубь диких лесов. Потому что зачем же выращивать лес ближе к людям, с ним работающим, зачем вкладываться в возобновление лесов, если можно освоить наследие тысячелетий. «А после нас хоть лес не расти», — думают они. Это не просто неправильный подход к лесу как к возобновляемому ресурсу, это преступление против человечества.
Что мешает лесам защищать нас от климатической катастрофы?
Важно забыть на минутку про образ с «лёгкими планеты» и вспомнить, что леса могут сами стать мощным источником того же самого углекислого газа. И речь сейчас не про дыхание деревьев по ночам, оно никак не усложняет нам выход из климатического кризиса. Делают это климатические катастрофы, пожары и вырубки. Лесные пожары катастрофически меняют лесной покров. Площади пожаров в России огромны даже в масштабах нашей огромной страны. В некоторых регионах пожары уничтожают больше органического вещества, чем его производят живые деревья. В такой ситуации лес из поглотителя углекислого газа превращается в его источник. По данным Института космический исследований РАН, в катастрофические по пожарам годы — 2012, 2016 и 2017 — леса больше выбрасывали углерода, чем поглощали. Грустнее всего дела обстоят в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.
При заготовке леса часть углерода из деревьев высвобождается почти сразу: порубочные остатки жгут, а что не сожгли — разлагается и выделяет наш «любимый» углекислый газ. Другая часть накопленного углерода превращается в различную древесную продукцию — и когда этот углерод вновь окажется в атмосфере, зависит от того, как предметы из дерева будут использовать и утилизировать. Например, дрова быстро вернут углерод обратно в атмосферу при растопке печи.
Это ещё не всё. Во время вырубки техника нарушает лесную подстилку, перемешивает валежник и почву — так они стремительнее разлагаются и быстрее обычного возвращают углерод в атмосферу. Ещё быстрее это происходит, если место вырубки поджигают, чтобы его очистить.
Общая площадь сплошных вырубок в нашей стране составляет сейчас чуть больше миллиона гектаров в год, всех видов рубок — около двух миллионов. Пожары полностью уничтожают до 4 миллионов гектаров леса каждый год. Ежегодные потери диких лесов — 1,6 миллиона гектаров.
Изменение климата ускоряет многие процессы в лесных экосистемах, и фотосинтез, и выделение углекислого газа. Сильнее всего это ускорение происходит в лесах на вечной мерзлоте. Кроме того климатические изменения создают благоприятные условия для вредителей и болезней леса, которые ослабляют или убивают деревья, то есть снижают способность экосистемы связывать углекислый газ, но увеличивают его выделение.
Все эти три фактора во многих случаях действуют совместно — и это быстро превращает огромные лесные территории из поглотителя углекислого газа в его мощный источник. Превращают лес из друга во врага.
Значит, надо сажать больше лесов?
Хороший вопрос. Самое простое решение, которое предлагают маркетологи: «посадите дерево — спасите климат». На самом деле выращивание леса сложнее, и тут есть нюансы, о которых мало кто упоминает, когда собирают деньги и людей на посадки или когда на
«восстановление лесов» выделяются миллионные федеральные бюджеты.
Увы, почти 90 процентов посадок гибнет. В огне, из-за отсутствия ухода за молодым лесом или от того, что при посадке были допущены ошибки. На месте погибших посадок что-то всё равно вырастет, но этот лес будет непригодным в хозяйственном отношении. А спрос на древесину никуда не исчезает. И когда за многие десятилетия хозяйственно ценных лесов становится все меньше, лесозаготовители идут во все более далекие и труднодоступные и дикие леса, либо всеми правдами и неправдами залезают в леса, близкие к людям и имеющие тот или иной защитный статус.
Как помочь лесам в борьбе с изменением климата?
Чтобы помочь лесам – особенно диким и труднодоступным – нужна нормальная система лесного хозяйства. Лесам нужна защита от пожаров и вырубок, а для этого сейчас нет ни людей, ни денег. И эту систему нужно менять.
Кроме того десятая часть лесов вырастает на землях, которые формально предназначены для сельского хозяйства. А неформально – сельским хозяйством, которое было бы эффективным и приносило прибыль, там заниматься невозможно. А вот выращивать леса – можно вполне. Но выращивать там лес нельзя, а если он вырос сам – нужно его уничтожить, иначе хозяина земли серьезно оштрафуют, а то и землю отберут.
Если бы можно было выращивать леса на сельскохозяйственных землях, это помогло бы удовлетворить спрос на древесину, а значит не было бы потребности вырубать старые дикие леса, и вот это очень бы помогло в борьбе с изменением климата.
Правительство разрешило было выращивать такие леса, но Минприроды собирается внести такие поправки, которые всё это разрешение сведёт на нет. И мы призываем этихпоправок не принимать. Вы тоже можете присоединиться к нам и подписать петицию.
Как деревья очищают воздух
Всем известно, что деревья очищают воздух. Находясь в лесу или парке, можно почувствовать, что воздух совсем другой, не такой, как на пыльных городских улицах. В тенистой прохладе деревьев дышится намного легче. Почему так происходит?
Фотосинтез
Деревья очищают воздух, поглощая загрязняющие вещества
Поверхность листьев способна захватывать находящиеся в воздухе частицы и удалять их из воздуха (по крайней мере, временно). Микроскопические частицы, находящихся в воздухе, могут попасть в легкие, что может привести к серьезным проблемам со здоровьем или к раздражению тканей. Так что очень важно снижать их концентрацию в воздухе, что деревья с успехом и делают. Деревья могут удалять как газообразные загрязняющие вещества (диоксид серы, диоксид азота и оксид углерода), так и твердые частицы пыли. Очищение в основном происходит при помощи устьиц. Устьица – это небольшие окошки или поры, находящиеся на листе, через которые происходит испарение воды и газообмен с окружающей средой. Таким образом, пылевые частицы, не достигнув земли, оседают на листьях деревьев, и под их пологом воздух намного чище, чем над кронами. Но не все деревья могут переносить запыленные и загазованные условия: ясень, липа и ель очень сильно страдают от них. Пыль и газы могут приводить к закупорке устьиц. Однако дуб, тополь или клен более устойчивы к вредному влиянию загрязненной атмосферы.
Деревья снижают температуру в жаркое время года
Когда идешь под палящим солнцем, всегда хочется найти тенистое дерево. И как бывает приятно прогуляться в прохладном лесу в жаркий день! Находиться под кроной деревьев комфортнее не только из-за тени. Благодаря транспирации (то есть процессу испарения воды растением, который происходит в основном через листья), меньшей скорости ветра и относительной влажности опавшим листьям под деревьями создается определенный микроклимат. Деревья высасывают из почвы много воды, которая затем испаряется через листья. Все эти факторы совокупно влияют на температуру воздуха под деревьями, где она обычно на 2 градуса ниже, чем на солнце.
Но каким образом более низкая температура влияет на качество воздуха? Многие загрязняющие вещества начинают выделяться активнее с ростом температуры. Прекрасный тому пример – машина, оставленная летом на солнце. Горячие сиденья и дверные ручки создают удушающую атмосферу в машине, так что быстрее хочется включить кондиционер. Особенно в новых автомобилях, где запах еще не выветрился, он становится особенно сильным. У особо чувствительных людей он может даже привести к астме.
Деревья выделяют летучие органические вещества
Деревья жизненно необходимы для сохранения чистоты воздуха и всей экосистемы на Земле. Это понимают все, даже маленькие дети. Однако вырубка лесов не снижает свои темпы. Мировые леса уменьшились на 1,5 млн. кв. км за 2000-2012 гг. по неантропогенным (естественными) и антропогенным причинам. В России особенно страдает от вырубки лесов Дальний восток. Карту обезлесенья сейчас можно посмотреть при помощи сервиса от Google и увидеть реальное положение вещей в лесном хозяйстве, которое внушает сильное беспокойство.
Деревья уже не помогут: что делать с выбросами СО2 и как извлечь из них пользу
Углекислый газ можно выкачать из воздуха, переработать или построить небоскреб, который будет делать это за людей. Из-за глобального потепления и высокого уровня загрязнения воздуха ученые придумывают необычные способы избавиться от СО2. «Хайтек» рассказывает о тех способах, которые уже используют, чтобы остановить изменение климата.
Читайте «Хайтек» в
Из углекислого газа можно сделать топливо, уголь и даже полиуретан для производства одежды, упаковки или частей автомобиля. Но увеличивать количество CO2 в атмосфере опасно — это ухудшает ситуацию с глобальным потеплением, климатом и качеством воздуха.
Как с помощью одной реакции сделать из СО2 полиуретан, топливо или уголь
Ученые из Киотского университета придумали реакцию, при которой СО2 превращается в полезный органический полимер.
Исследователи использовали главный компонент — пористый координационный полимер (ПКП), в его составе есть ионы металла и цинка. Они захватывают молекулы CO2 из атмосферы и делают это в 10 раз эффективнее аналогичных ПКП. Также авторы отметили, что этот полимер можно использовать даже несколько раз: во время эксперимента он был эффективен в течение 10 циклов.
По итогам работы остается ПКП с молекулами СО2 — его можно переработать в органический полимер, а дальше в полиуретан и использовать во многих сферах, например, для создания одежды, упаковки и при разработке частей автомобиля.
Сотрудники государственной физической лаборатории в Хэфэе, Китай, создали новый материал, с помощью которого можно сделать топливо из углекислого газа. По словам авторов, они получили муравьиную кислоту. Ее нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания, но можно применить как носитель водорода. Газообразный водород трудно сжать, зато в составе концентрата муравьиной кислоты его можно запасти в тысячу раз больше на единицу объема емкости.
Исследователи применили твердые электролиты и катализатор из висмута. Они использовали твердый электролит, так как в нем нет примесей. Ключевым элементом преобразования выступил металлический висмут. Авторы пропустили CO2 через многослойную решетку из висмута и сделали из него отрицательно заряженную молекулу — формиат. В итоге получился 30% концентрат муравьиной кислоты.
Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT) придумали, как превратить CO2 обратно в уголь при комнатной температуре.
Исследователи использовали катализатор из жидкого металла, который они получили из сплава галлия, индия и олова с добавлением церия. Потом этот катализатор соединили со смесью CO2 и жидкого электролита. После этого, под воздействием электрического заряда катализатор создавал из двуокиси углерода твердые углеродные хлопья. Они появляются на поверхности жидкого металла: их легко убрать с поверхности, а вещество использовать повторно.
Материал можно разместить под землей без риска утечки.
«Пылесос» для выкачивания CO2 из атмосферы
Но чтобы преобразовать углекислый газ в полезные вещества, нужно его сначала собрать. Этим занимаются специальные установки по улавливанию CO2 из атмосферы. Одни расположены около предприятий, работающих на ископаемом топливе, чтобы уменьшить ущерб, а другие нейтрализуют ранее образовавшиеся выбросы. Например, последний тип установки запустили в сентябре 2021 года в Исландии. По информации создателей предприятия — это самый большой завод по улавливанию CO2 из атмосферы. За год установка под названием Orca будет удалять за счет геотермальной энергии по 4 тыс. т CO2: газ закачают глубоко под землю, где примерно через два года он превратится в камень.
В августе 2021 года сотрудники института Пауля Шеррера PSI и Швейцарской высшей технической школы Цюриха опубликовали работу, где описали, как удалять углекислый газ из атмосферы. Они сделали вывод, что если правильно спланировать местоположение установки и обеспечить ее необходимой энергией, то CO2 можно улавливать без вреда для климата.
При обычном процессе выделения CO2 из атмосферы, воздух сначала прогоняют через абсорбент с помощью вентиляторов. Это связывает углекислый газ до тех пор, пока не исчерпается его способность поглощать парниковый газ. После этого, на этапе десорбции, углекислый газ опять высвобождается из абсорбента. Весь этот процесс проходит при температурах до 900 °C, либо при 100 °C.
Авторы выделили опыт швейцарской компании Climeworks: она работает с низкотемпературным процессом. Ученые проанализировали пять подходов к удалению CO2 из атмосферы, а также восемь локаций для размещения установки и выяснили, что этот процесс можно организовать с эффективностью 97%.
Работать в офисе и очищать окружающую среду
Руководители компании Skidmore, Owings & Merrill из США придумали как построить небоскреб, который будет удалять СО2 из воздуха. Они запустили проект Urban Sequoias («Городские секвойи») — это аналогия с небоскребами, которые, как и эти растения, выше обычных домов.
Как рассказали представители компании, один небоскреб будет поглощать до 1 000 т углерода в год. С аналогичным объемом справляются около 48 500 деревьев. Такого результата можно добиться с помощью сразу нескольких установок для удаления углекислого газа: в небоскребе используют специальные стройматериалы, которые сделаны из углеродопоглощающих веществ, например, конопляного бетона, древесины и биобетона. Еще в зданиях будут выращивать водоросли и другие растения, а в самом центре разместят установку, которая напрямую поглощает углерод.
Авторы создали модель функционирования такого здания и выяснили, что оно за 60 лет удалит из воздуха в четыре раза больше углерода, чем будет выделено при строительстве.
Все описанные открытия и работы — это важное дополнение к остальным мерам по сокращению выбросов и стабилизации климата. Исследования в этой сфере необходимы, так как они помогут добиться цели по ограничению глобального потепления на 2°C, эта задача изложена в Парижском соглашении.