CC BY
50GLOBAL CARBON DIOXIDE MODELING AND THE PARIS CLIMATE AGREEMENT
Tarko A.
Chief Researcher of the Dorodnicyn Computing Centre of the Federal Research Center «Computer Science and Control» of Russian Academy of Sciences, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Mathematical Cybernetics
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА И ПАРИЖСКОЕ
КЛИМАТИЧЕСКОЕ СОГЛАШЕНИЕ
Тарко А.М.
Главный научный сотрудник, Вычислительный центр им. АА.Дородницына РАН Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН, Доктор физико-математических наук, профессор математической кибернетики
Abstract
The characteristics, causes, and mathematical methods of modeling the dynamics of carbon dioxide in the biosphere and global warming are given. Using a mathematical model of the global carbon cycle in the biosphere, predictions of the likely development of global warming are obtained. The plans and possibilities for reducing global warming during the implementation of the Paris Climate Agreement of 2015 are analyzed. It is shown that the reduction of CO2 emissions in developing countries cannot be carried out without high-tech development and reduction of pollution emissions in developing countries.
Аннотация
Даны характеристики, причины возникновения и математические методы моделирования динамики двуокиси углерода в биосфере и глобального потепления. С помощью математической модели глобального цикла углерода в биосфере получены прогнозы вероятных вариантов развития глобального потепления. Проанализированы планы и возможности уменьшения глобального потепления при реализации Парижского климатического соглашения 2015 года. Показано, что сокращение выбросов СО2 в развивающихся странах не может проводиться без высокотехнологичного развития и уменьшения выбросов загрязнений в развивающихся странах.
Keywords: global warming, carbon dioxide, mathematical modeling, environmental pollution, high-tech development, low-carbon economy.
Ключевые слова: глобальное потепление, двуокись углерода, математическое моделирование, загрязнение среды, высокотехнологичное развитие, низкоуглеродная экономика.
Глобальный биогеохимический цикл углерода
Индикаторами протекания как локальных, так и глобальных экологических процессов на суше и в океане являются биогеохимические циклы углерода, азота и других элементов. Цикл углерода имеет особое значение при анализе глобальных процессов. Углерод является главной частью органического вещества и, следовательно, он индикатор процессов в живом и мертвом веществе биосферы. С другой стороны, углерод, находясь в атмосфере в основном в виде двуокиси углерода и метана определяет парниковый эффект и, следовательно, климат Земли.
Парниковый газ двуокись углерода присутствует в атмосфере в очень малом количестве, ее современная объемная концентрация составляет 400 объемных частей на миллион (млн-1). Еще в середине XIX века М. Тиндал предположил, что повышение содержания двуокиси углерода в атмосфере приведет к росту температуры атмосферы. Хотя метан, водяной пар и другие парниковые газы также являются важными факторами, влияющими на климат, их влияние намного меньше по сравнению с атмосферным СО2.
Механизм парникового эффекта объясняется различием поглотительной способности атмосферы для приходящего к Земле излучения Солнца и излучения, уходящего от Земли. Земля получает излучение Солнца в широкой полосе спектра со
средней длиной волны около 0,5 мкм и это, коротковолновое излучение, почти все проходит атмосферу. Земля отдает полученную энергию почти как абсолютно черное тело в длинноволновом, инфракрасном диапазоне, со средней длиной волны около 10 мкм. В этом диапазоне у многих газов (двуокись углерода, метан, пары воды и др.) есть многочисленные полосы поглощения, эти газы поглощают излучение, в результате выделяют тепло и большей частью разогревают атмосферу. Углекислый газ интенсивно поглощает идущее от Земли излучение в диапазоне 12-18 мкм и является одним из основных факторов, обеспечивающих парниковый эффект.
Рост СО2 в атмосфере определяется, с одной стороны, ее выделением в результате экономической деятельности: сжиганием органических ископаемых топлив (индустриальные выбросы), согласно данным Евросоюза в 2016 г. [12] — 9,75 Гт С/год (С — здесь и далее означает массу, выраженную в углероде) , эрозией почв — около 1,2 Гт С/год, вырубкой лесов — около 1,6 Гт С/год, с другой стороны — поглощением этого газа экосистемами суши и океаном. В среднем годичный прирост рост СО2 в атмосфере составляет 0,5%/г.
Величины индустриальных выбросов за последние 156 лет и темпы их роста представлены на рис. 1.
Динамика и темпы роста индустриальных выбросов С02 в атмосферу
1860-2014 гг.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
-Выбросы С02
Темп роста С02
//
J* /г
>
10 8 6 4 2 0 -2
ололотоюоюолойолоюотошо^олоюоюол (DieNS»M«e»eerrNN«MTi4iirtifl<e(SNNMeefllCieerr вЗН09НСООЗСОП№б)9)б)9)91б)91№9)С)9)б)9)0)0)91П9]№0000
Рисунок 1. Индустриальные выбросы СО2 (Гт С/год) в атмосферу в 1860-2016 гг. (по данным [12, 15]) и темпы их роста (скользящее среднее за 5 лет) (% в год). Ось для темпов роста изображена справа. Штриховая линия представляет уравнение регрессии хода СО2 (квадратичный полином)
Видно, что индустриальные выбросы постоянно росли со спадами, связанными с I и II мировыми войнами, великой депрессией 30-х, годов, энергетическим кризисом 70-х годов и др. Темпы роста выбросов максимально составляли 6% в год. Судя по темпам роста, наиболее сильный спад выбросов во время великой депрессии 30-х годов. Также спад был в 80-е годы с резким подъемом по-
сле 1999 г. Следующий спад был в год начала мирового экономического кризиса 2009 г. Последний спад темпа роста выбросов происходил после 2011 г.
Одновременно с ростом концентрации СО2 в атмосфере происходит глобальное потепление -быстрый глобальной температуры атмосферы (рис. 2).
алия температуры (°С) О О О О Н1 о "го Ъ. О) 00 о к
р
1
м V
т
tlft
41 $
1/
1 У ту
k
ц
о-0,2 <-П4
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020
Рисунок 2. Изменение глобальной температуры атмосферы в 1880-2019 гг. Сглаженная линия - пятилетние скользящие средние значения. Данные ШМО (Всемирная метеорологическая организация)
По мнению МГЭИК1 до 1976 г. изменчивость климата не превышала естественных вариаций, оцененных на отрезке около 1000 лет, но после этого величина колебаний превысила их величину. Ход температуры за последнее тысячелетие по данным МГЭИК изображен на рис. 3. Данное обстоятельство дало основание провозгласить
наступление глобального потепления. Это потепление в настоящее время МГЭИК связывает с антропогенным происхождением - сжигание ископаемых топлив (каменный уголь, нефть, природный газ) приводит в выбросам парникового газа СО2 в атмосферу, что вызывает глобальный рост температуры атмосферы.
1 Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) (Intergovernmental Panel on Climate Change — IPCC) была учреждена в 1988 г. Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП).
Обязанность группы состоит в том, чтобы проводить оценку научно-технической и социально-экономической информации об изменении климата для мирового сообщества, она выпустила несколько многотомных докладов.
Моделирование глобального цикла углерода
Первой работой по математическому моделированию глобальных биогеохимических, геологических и климатических процессов является модель ученика и последователя В.И. Вернадского — В.А. Костицына [17]. Его книга «Эволюция атмосферы», вышедшая в 1935 г., может быть отнесена к классическим работам в области анализа биосферных процессов. Более того, именно В.А. Костицын — один из инициаторов применения математических методов в биологии и других естественных науках, он предложил способы описания, которыми мы пользуемся и сейчас. В модели В.А. Костицына рассмотрен глобальный цикл кислорода и углерода в замкнутой системе атмосфера — океан — биогенное звено — земная кора. Модель представляет собой систему обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений и исследуется аналитически. В математическом отношении она воспроизводит колебания типа «хищник- жертва».
Современные модели глобального биогеохимического цикла двуокиси углерода появились в начале 50-х годов после обнаружения Г.Е. Зюссом [19] значительных выбросов двуокиси углерода в атмосферу на основе измерений отношения изотопов углерода С14/С12 в годичных кольцах деревьев. Эти модели [11, 14, 21] учитывали и просто (мало «резервуаров») процессы в системе атмосфера -океан - растительность суши. В дальнейшем число резервуаров-переменных в моделях было увеличено, для идентификации параметров цикла С12 стали использовать данные радиоизотопных измерений С13 и С14 в атмосфере, пространственное разбиение увеличивалось от одной точки до нескольких десятков [10, 13, 16].
Работа по моделированию глобальных биосферных процессов в Вычислительном центре АН СССР была начата в конце 70-х годов по инициативе Н.Н. Моисеева [1]. В то время А.М. Тарко [5, 6] начал заниматься моделированием глобальных биосферных процессов.
Важным свойством моделей глобального цикла углерода является учет нелинейного характера зависимости годичной продукции растений суши от концентрации атмосферной СО2. Первым появилось уравнение зависимости годичной продукции Ч.Д. Килинга [16]. Годичная продукция в его модели нелинейно зависит от массы растительности. В моделях глобального цикла углерода
Тарко А.М. [3, 5, 6, 20] применяется альтернативное выражение - зависимость годичной продукции растительности линейная и не зависит от ее массы. Обе зависимости дают разный характер устойчивости моделей. Однако модельные расчеты показали, что динамические свойства и количественные характеристики параметров в обоих случаях близки. В диапазоне значений переменных и при сценариях, соответствующих реальности различие устойчивости не проявлялось.
Также нелинейными уравнениями описывается обмен между СО2 атмосферы и неорганическим углеродом океана и процессы в океане.
Вслед за точеными моделями, имеющими характерное время 1 год, в начале 80-х годов получили развитие глобальные пространственные модели, учитывающие сезонную динамику растительных сообществ на суше и динамические процессы в океане.
Пространственная модель глобального цикла углерода
На основе пространственной математической модели А.М. Тарко [3, 6, 20] глобального цикла углерода в биосфере рассчитаны изменения концентрации двуокиси углерода, температуры атмосферы, параметров биоты суши в результате выбросов двуокиси углерода, вырубки лесов и эрозии почв.
Модель описывает биогеохимический цикл углерода в системе атмосфера - экосистемы суши -океан. Модель описывается системой обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Территория всей планеты разделена на ячейки размером 0,5°x0,5° географической сетки (приблизительно 50x50 км). Предполагается, что в каждой ячейке суши находится растительность одного типа согласно мировой классификации. Процессы роста и отмирания растительности, а также накопления и разложения гумуса описываются как процессы обмена углеродом между СО2 атмосферы, растениями и гумусом почвы в каждой ячейке. 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. Каждая ячейка характеризуется количеством углерода в массе растительности, в гумусе почвы. Общее количество углерода в виде СО2 в атмосфере также является переменной. Единица времени - 1 год. За-
висимость годичнои продукции описывается выражениями Ч.Д. Килинга [16] и А.М. Тарко [3, 6]. Блок круговорота углерода в системе атмосфера -океан описывается моделью [13]. Значения изменении температур и осадков для каждой ячейки в зависимости от концентрации СО 2 в атмосфере (парниковый эффект) рассчитываются на основе данных модели общей циркуляции атмосферы и океана М. Шлесинжера [18]. Модель содержит более 100 тысяч дифференциальных уравнений и реализована на ЭВМ.
Прогнозы динамики СО2 и глобального потепления
Моделировалась динамика биосферы с 1860 г. по 2100 г. Был принят следующий базовый сценарий. Антропогенное поступление СО2 в атмосферу начинается в 1860 г., оно происходит в результате индустриальных выбросов СО2 от сжигания ископаемых органических топлив (каменный уголь, нефть, газ), вырубки лесов и эрозии почв, связанной с неправильным землепользованием. Были использованы данные СБ1ЛС об индустриальных выбросах в странах мира до 1970 г. [12] и данные Евросоюза [15] вплоть до 2016 г. После 2016 г. строились прогнозы выбросов, для которых применялась новая методика расчета - отдельного прогноза для каждой страны. К этому времени применяемый до сих пор метод на основе «суммарного показателя стран» устарел в данной тематике и дает большие ошибки для прогнозов. Причина в том, что вариабельность выбросов стран с годами становится все
больше, все большее значение приобретают не сами значения, а скорость и направление их изменения. Через несколько лет слабые выбросы стран, например, могут стать большими и обогнать сильные выбросы прежних стан. «Суммарный подход» не позволяет учесть это обстоятельство.
Высокое пространственное разрешение применяемой модели позволяет выделять и анализировать почти все станы мира. Рассмотрим выделение и поглощение двуокиси углерода на территории стран, крупнейших мировых выделителей СО2 в 2016 г. (рис. 5). Данные индустриальных выбросов и поглощения экосистемами стран за 2016 г., имеющих наибольшие выбросы, таковы: наибольшие индустриальные годичные выбросы были с территории Китая (2,85 Гт С), США (1,37 Гт С), Индии (0,69 Гт С), России (0,45 Гт С) и Японии (0,34 Гт). В этом году поглощение экосистемами на территории России на 5,3% превышало выбросы СО2, в то время как Китай, США Япония и Индия были сильными выделителями СО2. Таким образом, можно заключить, что в настоящее время наибольшее возмущение естественной атмосферы происходит от двух наиболее промышленно развитых стран (США, Япония) и двух стран с наибольшим населением (Китай, Индия). Согласно расчетам в 2016 г. эти страны выделили 54% от всех выбросов СО2. Поэтому именно эти страны несут главную ответственность за современный рост СО2 в атмосфере. Россия является наибольшим поглотителем СО2 в мире.
Рисунок 5. Сравнение индустриальных выбросов СО2 крупнейшими странами - выделителями СО2 (Гт С/год) и рассчитанного поглощения углерода экосистемами этих стран в 2016 г.
Согласно планам Парижского соглашения 2015 года выдвинута задача стабилизации температуры атмосферы к 2100 г. [2]. Это предполагается достичь за счет перехода всех стран на низкоуглеродную экономику и альтернативные источники энергии. Всем станам мира необходимо уменьшить выбросы СО2 так, чтобы средняя глобальная температура атмосферы стала к 2100 г. на 20 С (а еще лучше, на 1,50 С) меньше ее доиндустриального
значения. Допускается временное превышение указанных значений.
Построим две группы прогнозов. Первая - рассматриваются все станы мира, после 2016 г. для каждой страны строится индивидуальный прогноз на основании 1) экспоненциальной регрессии, 2) параболической (полином 2-й степени) регрессии 3) линейной регрессии. Прогнозы строятся на основании данных 5 лет, предшествующих 2016 году.
Во всех случаях исключаются выбросы, за которые принимаются слишком большие темпы роста выбросов. На приведенном графике прогнозов (рис. 6) отмечены моменты достижения кривыми концен-
трации СО2 значений, соответствующих прохождению через температуру атмосферы 1,50 С и 20 С, то есть внимание обращалось на достижение критических значений температуры, заданных в Парижском соглашении.
Прогнозы роста концентрации СО2 относительно 1860 г. в 2000-2100 гг. от действия выбросов всех стран мира. После 2016 г. рост выбросов каждой страны задан линией регрессии. Прямые линии - указывают положение желаемых пределов роста СО2 для температуры Парижского соглашения: 2о и 1,5° С
3.00 2.75 2.50 2.25 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00
ооооооооооооооооооооооооо <0|-~000>0т-см<0тгю<0|-~000>0т-см<0тгю<0|-~000>0 сосососостстстстс)стстстстстоооооооооо^
т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-СМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМ
Рисунок 6. Прогнозы относительного роста концентрации СО2 в 1860-2100 г. После 2016 г. рост выбросов каждой страны задан указанной линией регрессии. Отмечены моменты достижения кривыми концентрации СО2 значений, соответствующих прохождению через температуру атмосферы 1,50 и 20 С
Как видно, переход через значение температуры 1,50 С будет в случае Парабола в 2045 г., а через 20 С - в 2061 г. В случае Линейный переход через 1,50 С будет в 2059 г. а через 20 С в 2087 г. То есть, моделирование показывает, что переход через критические значения температуры Парижского соглашения может наступить довольно скоро.
Отметим, что, по мнению автора, полученные прогнозы наиболее надежные из имеющихся. Данные прогнозы имеют ясное происхождение, основаны на реальных измерениях. Прогнозы, публикуемые МГИК (1РСС), составлены исходя из принципа политкорректности, их смысл и происхождение мало понятны.
Вторая группа прогнозов - расчеты проводились для каждого случая, но с помощью встроенного в модель метода оптимизации решалась задача: начиная с каждого последующего десятилетия рассчитать, каким должно быть уменьшение выбросов СО2 для достижения к 2100 г. значений температуры атмосферы 1,50 С и 20 С. Отметим, что при консервации СО2 в атмосфере биосфера будет успешно развиваться, сохранится рост фитомассы лесов, и органического вещества почвы. Так, если оптимизация проводилась сразу после достижения
1,50 С (2045 г.) (рис. 7), то необходимо сначала за 12 года сократить выбросы СО2 с 18,5 до 8,8 Гт С/год, а затем в течение 35 лет более плавно сокращать их до 5 Гт С/год. Это означает, что к 2100 г. необходимо будет сократить выбросы в 3,7 раз или в 2,2 раза от современного значения. Можно заключить, что если брать для сокращения и оптимизации более поздние годы, то потребуется значительно более сильное и быстрое сокращение.
Результаты расчетов означают, что выполнение условий сокращения индустриальных выбросов СО2 невозможно. Анализ показывает, что главную проблему составляет невозможность сокращения выбросов СО2 большинством развивающихся стран. Согласно [4] снижение выбросов СО2 в развивающихся странах возможно только, если страна выполняет высокотехнологичное развитие, а подобное развитие [9] не может происходить для одной его составляющей, как требуют авторы Соглашения. Такой тип развития стоит очень дорого, занимает несколько десятков лет, требует решающего участия в нем руководства страны, и поэтому развивающихся стран, готовых к такому сложному развитию очень мало.
Рисунок 13. Расчет оптимального управления. В результате сокращения выбросов СО2 после критической достижения температуры атмосферы 1,50 С его концентрация остается постоянной. Представлены значения выбросов СО2 и относительных значений углерода в фитомассе лесов и органическом веществе почв. Координатная ось выбросов СО2 находится права
Развитие природопользования и экономическое развитие мира
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. В глобальном плане емкость биосферы долгое время считалась бесконечной.
Важным этапом для понимания глобального характера воздействия на биосферу стали 70-е годы, годы энергетического кризиса. Достижение достойного и высокого уровня жизни стало подразумевать возможность жить в среде с чистым воздухом, чистой водой, находиться на природе, не изуродованной урбанизацией. В развитом мире проблемы рационального природопользования и сохранения окружающей среды стали одними из первостепенных. Были усилены и объединены разработка и совершенствование высоких технологий с восстановлением природы.
Произошедшее к 70 годам прошлого века сильное загрязнение среды в развитых странах было преодолено. Жесткое законодательство по сохранению природной среды, разработка новых технологий, приводящее к минимизации производства загрязнений на единицу продукции привели к 1990-м годам к восстановлению локальных и региональных параметров среды. Значительно сократились вредные выбросы, выделяющиеся при сжигании органических ископаемых топлив - соединений азота и серы, являющихся, в частности, главным компонентом кислотных дождей и вредящие природе и здоровью людей. Удалось добиться значительного сокращения выбросов тяжелых металлов.
Если раньше в странах Западной Европы и Северной Америки от кислотных дождей в сухое, жаркое лето гибли крупные массивы лесов, то после мер, принятых в 1980-х и 1990-е годы, это явление практически исчезло. Ранее сильно загрязненные Великие озера на американском континенте и почти погибшие озера в Скандинавии ожили, вода, растения и запасы рыбы в них пришли в норму.
Следующим этапом стало сохранение природы в глобальном масштабе. Были приняты меры по уменьшению озонового слоя атмосферы (Монреальский протокол 1987 г. по веществам, разрушающим озоновый слой, к Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 г.). Также по сокращению выбросов парниковых газов, в первую очередь, двуокиси углерода (Рамочная конвенция ООН об изменении климата 1992 г., Киотский протокол 1997 г.). В 1992 г. была также принята Конвенция ООН о биологическом разнообразии. Наконец, в 2015 г. было принято Парижское климатическое соглашение, призванное на новом уровне решить проблему глобального потепления [2].
К сожалению, количественная реализация Ки-отского протокола оказалась не выполненной, но его пользу отрицать было бы неправильно. Оно вдохновило страны для развития, причем не только по сокращению выбросов СО2, но и обыкновенных загрязнений. Развитые страны привели к заметным результатам по совершенствованию технологий и повышению эффективности производства. Сейчас в большинстве развитых стран по данным [15] выбросы СО2 сокращаются (рис. 8), а развивающихся - растут (рис. 9). В России при все более слабом технологическом уровне происходит спад темпов выбросов СО2, он связан с усилением кризисных явлений в экономике.
Рисунок 8. Динамика относительных значений индустриальных выбросов СО2 стран с преимущественным спадом выбросов в 2000-2016 гг.
Рисунок 9. Динамика относительных значений индустриальных выбросов СО2 стран с преимущественным ростом выбросов в 2000-2016 гг.
В то же время, рост концентрации СО2 в атмосфере и ее глобальной температуры продолжается. В связи с этим в 2015 году было принято Парижское климатическое соглашение [2], которое по замыслу должно привести к уменьшению глобального потепления.
С чем мир «встречает» сегодня глобальное потепление? К настоящему времени пришло понимание, что потепление вызвано экономической деятельностью человечества, и оно развивается как лесной пожар - само не остановится. Отличие состоит в том, что убежать и спрятаться «где-нибудь» на другом острове не получится - на глобальной Земле природные процессы тоже глобальные, в новом месте через несколько лет может оказаться еще хуже, чем было дома. Процесс необходимо затормозить или уменьшить. Причем уменьшение выбросов не должно снизить уровень жизни ни в развитых, ни в развивающихся странах - лидеры стран знают, что их население не любит ничего получать за счет самоограничения и самопожертвования.
В целом, эффектом глобализации в большей части развивающихся странах стало ускорение раз-
вития экономики. Однако это привело и сейчас приводит к увеличению роста загрязнений в этих странах, т.к. в условиях бедности они не хотят сдерживать развитие новых производств и, как и развитые страны, не хотят снижать уровень жизни населения. Одна из особенностей здесь - технологии, перенятые у развитых стран, часто уже не применяются по причинам, связанным с охраной здоровья населения и сохранением окружающей среды. Однако они годятся для менее развитых стран.
Более совершенные технологии или слишком дороги для большинства развивающихся стран, или уровень производственной культуры населения слишком низок для работы с ними. Примером тут является авария на химическом заводе в индийском городе Бхопал в 1984 году, повлёкшая смерть 18 тысяч человек.
Как уже говорилось, мировыми рекордсменами по выбросам СО2 являются страны с большими территориями - первые места принадлежат самым большим и экономически развитым странам - Китай, США, Индия, Россия, Япония. Но их те-
перь догоняют другие крупные и малые развивающиеся страны -Индонезия, Бразилия, Мексика, Судан.
Следует отметить, что США хоть и являются одним из самых больших выделителей загрязнений и СО2, но темпы роста загрязнений у них стремятся к сокращению, и выбросы СО2, как говорилось, сокращаются. Нет сомнений, что это связано с ее высокотехнологичным прогрессом. То же происходит в большей части стран Европы.
Иная ситуация в России, Китае, в Индии и в большинстве активно развивающихся стран. В
большинстве этих стан происходит сильный рост загрязнений и выбросов СО2. Это обстоятельство показано на примере развития нескольких групп стран, учитываемых Всемирным банком [22] (рис. 10). Видно, что самый быстрый относительный рост выбросов СО2 происходит в наименее развитых странах (терминология ООН), в более богатой Южной Азии рост выбросов слабее. В странах с высоким доходом, Северной Америке и в Евросоюзе выбросы СО2 в большей частью уменьшаются.
Выбросы СО2 в группах стран 2000-1014 гг.
2.75 2.50 2.25 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75
Южная Азия
—А—Арабский мир
— ¿V - Высокий доход
Северная Америка
- Евросоюз
смсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсм
Рисунок 10. Выбросы СО2 в группах стран в 2000- 2014 гг.
Сейчас развитые страны достигли значительных успехов в сокращении загрязнений, а задача сокращения выбросов СО2. решена лишь частично. В развивающихся странах идет бурный рост как загрязнений, так и выбросов СО2. То есть, одни страны имеют одну серьезную нерешенную проблему, другие - две.
Рассмотрим развитие альтернативных источников энергии [22], мощное развитее которых предусмотрено в Парижском соглашении 2015. На
рис. 11 показана динамика их развития (проценты от общего энергопотребления) в нескольких странах с наиболее эффективно развивающейся энергетикой этого типа, а также в России в 1971-2015 гг. Мы видим, что с 1971 до 80-х годов для части стран, и 1971-2000 гг. для другой части, происходил быстрый рост этого вида энергетики. Однако после 2000 г. произошла относительная стабилизация прироста. Главным препятствием здесь является трудность повышения кпд данного вида энергетики.
Рисунок 11. Динамика развития альтернативной и ядерной энергетики в 1971-2015 г.
Быстрые успехи развития в развитии производства, требующего мощного научного исследования часто через несколько лет резко сменяются замедлением. При этом нельзя определенно сказать,
через сколько лет будут достигнуты решительные успехи. Примером здесь является развитие термо-
ядерной энергетики, разработки которой значительно затормозились после первых лет больших надежд.
В настоящее время кпд используемых подобных устройств составляет около 10%, однако теоретически может быть доведено до 85%. При современном значении кпд альтернативных источников энергии они могут лишь частично, но не полностью заменить углеродную энергетику. Самое главное -неизвестно, когда появятся кпд, способные решить желаемые проблемы мировой энергетики. Поэтому в этой части Соглашение, следовательно, пока содержит только набор призывов.
Парижское климатическое соглашение 2015
Перейдем к Парижскому соглашению 2015 г., идущему на смену Киотскому протоколу. Авторы Соглашения выдвигают новую цель - стабилизацию температуры атмосферы и, тем самым, прекращение развития глобального потепления. Это предполагается достичь за счет перехода всех стран на низкоуглеродную экономику и альтернативные источники энергии. Если в Киото было установлено количественное ограничение на общую величину выбросов главного парникового газа - СО2, то в Парижском соглашении появился новый критерий -все страны вместе должны добиться к концу этого века устойчивого достижения средней глобальной температуры атмосферы 20 С (а еще лучше, на 1,50 С) превышающей доиндустриальное значение, за которое принимается среднее значение температуры атмосферы Земли в период конца XIX века. Допустимо, что температура сначала достигнет значения, превышающего эту величину, а затем опустится до указанного предела. Развивающиеся станы смогут получать дотации для осуществления сокращений в размере 100 млрд. долл. в год от развитых.
По замыслу авторов Соглашения выдающимся финалом этого проекта должен быть переход всех стран мира на использование только альтернативной энергии.
Автор статьи в целом положительно оценивая идею Парижского соглашения, считает, что сокращение выбросов СО2, рациональное природопользование и сохранение окружающей среды по-прежнему будет поддерживаться и развиваться человечеством, и это в течение долгого времени будет положительным ориентиром для развития стран мира. Однако заложенные в Соглашении условия не дают оснований в оптимизме о его количественном выполнении.
Отметим, что если бы в этом Соглашении идея о сокращении выбросов СО2 сохранилась в том же виде, как и в Киотском протоколе (только сокращение выбросов), то это, несомненно, было бы вос-
принято негативно руководством стран и их населением. Ведь это условие не достигло результатов. Поэтому авторы нового проекта должны были найти новые формы выражения задачи. Они нашли их в виде оригинальной и амбициозной идеи. В такой форме предложенный подход идейно полностью решает проблему роста глобального потепления.
Однако, по мнению автора, главную проблему Соглашения составляет невозможность сокращения выбросов СО2 большинством развивающихся стран, и в этом состоит невозможность его выполнения. Причина - в документе нет реального подхода к прогнозированию экономического развития.
Первое обстоятельство, которое не даст выполнить Соглашение состоит в том, что оно дает приоритет только сокращению выбросов СО2, не давая его другим вредным выбросом - загрязнениям. Видимо, авторы Соглашения, вдохновленные своими успехами в борьбе с загрязнениями, забыли, что в развивающихся странах эти проблемы стоят сильнее, чем СО2. В развивающихся странах опасных загрязнений очень много: это частицы ПМ 2,5, и окислы азота и серы, тяжелые металлы и многие другие. Более того, частицы ПМ 2,52 явно более вредны, чем СО2, население это знает, а вред от СО2 для населения многих развивающихся стран пока «бумажный тигр», в которого оно может верить или нет. Что, например, предпочтет выбрать руководитель развивающейся страны в таких условиях для себя или его партии в условиях приближающихся выборов?
К тому же в Соглашении обоснования причинной связи глобального потепления от СО2 не существует. Именно на этом основании США вышли из Соглашения. На конференции Рио-де-Жанейро 1992 г. был принят ясный принцип предосторожности, который все объяснял, но в Соглашении его нет, вместо него бездоказательно стоит утверждение, что связь есть.
Другое обстоятельство состоит в том, что, как уже говорилось, едва ли о стоит ждать, что снижение выбросов СО2 можно будет получить за счет снижения уровня жизни, следовательно, снижение может быть достигнуто только в процессе высокотехнологичного развития, схожего с тем, как это удается достичь в развитых странах. Но такая акция не может быть проведена в развивающихся странах. Становится понятным, что для выполнения Соглашения развивающиеся страны должны одновременно улучшать и технологии для сокращения выбросов СО2, и технологии для других вредных выбросов - загрязнений. Отметим, что развитые страны не смогли решить эту задачу - они добились высокотехнологичного уровня сначала, сокращая
2 Частицы РМ 2,5, в основном техногенного происхождения, диаметром 2,5 микрона и меньше - они попадают на поверхность легких человека, и при таких малых размерах реснички на поверхности не могут их захватывать и вычищать из легких. Из легких эти частицы распространяются с кровью по внутренним органам. При больших концентрациях в воздухе у людей развиваются стойкие
дефекты на поверхности легких, недостаточность дыхательной системы. Возникают пневмонии и другие болезни. Одними из составляющих частиц РМ 2,5 являются полициклические ароматические углеводороды, которые оказывают сильное канцерогенное и токсическое воздействие на клетки организма, вследствие чего возникают онкологические заболевания, в частности, рак легких.
загрязнения, а потом перешли на уменьшение выбросов СО2. Развивающиеся страны не могут выполнять эти процедуры по очереди, а проводить их одновременно - совсем безнадежно.
Подчеркнем, что улучшать какую-то одну составляющую высокотехнологичного развития практически нереально. Автор помнит, что в начале 90-х годов, когда была надежда на скорый технологический прогресс, в России появились специалисты, которым Евросоюз дал поручение построить на Дальнем Востоке несколько электростанций с передовыми технологиями. К сожалению, ничего из этого не вышло. Новые объекты или не были совсем построены, или быстро вышли из строя в условиях отсутствия обслуживания новой «техники». Вспомним довоенную индустриализацию в СССР. Тогда строились новые отрасли экономики, только они могли стать устойчивыми экономическими субъектами.
Если необходимо технологическое улучшение, то оно должно проводиться во всех секторах экономики, например, в энергетике, металлургии и машиностроении. Строительство и поддержание новых производств требует не только больших расходов, но и квалифицированной рабочей силы, и это еще одно обоснование необходимости совершенствования отраслей (а к этому можно добавить и современное образование). Указанные процессы не могут развиваться быстро, ведь это элементы высокотехнологичных модернизаций [9]. Поэтому не следует думать, что уменьшение выбросов СО2 в развивающихся странах может проходить без перестройки всей экономики и что обещаемые 100
млрд. долл. даже каждой бедной стране спасут мир от глобального потепления в указанные Соглашением сроки. Высокотехнологичные модернизации растут медленно, требуют больших затрат не только денег, но и труда, их нельзя купить в другой стране [9].
Рассмотрим более детально ситуацию в части сокращения или увеличения выбросов СО2 к 2016 г. На рис. 12 представлены полигоны количества стран, в которых в течение 2010-2016 гг. произошло увеличение или уменьшение количества выбросов СО2. В целом в 153 странах мира количество выбросов в течение последних 5 лет увеличивалось, а в 59 - уменьшилось, т.е. в 45% стран выбросы уменьшились. В странах с диапазоном доходов 35-65 тыс. долл. наблюдается превосходство уменьшения выбросов над их увеличением: выбросы уменьшились в 20 странах, а увеличились - лишь в шести. Уменьшения в указанном диапазоне произошли большей частью в результате улучшения технологий в странах Евросоюза (Швейцария, Норвегия, Нидерланды, Австрия, Дания, Германия, Швеция, Бельгия, Финляндия, Великобритания, Франция, Италия, Мальта) и ряде других (США, Австралия, Канада, Новая Зеландия, Пуэрто-Рико, Израиль). Среди богатых стран с доходами выше 65 тыс. долл. уменьшили выбросы только европейские страны Люксембург 102 389 долл. и Ирландия 71 389 долл. Другие богатые страны, такие как это Катар, Макао, Сингапур подобной активности не проявили.
Рисунок 12. Сравнение количества стран (полигоны), увеличивших и уменьшивших выбросы СО2 в 2010-2016 гг. в зависимости от ВВП на душу населения. В каждом диапазоне чисел указывается большее (правое) значение диапазона, т.е. 1000 долл. на графике означает количество стран со значениями меньше 1000 долл.
В диапазоне стран с доходами меньше 30 тыс. долл. количество увеличивших выбросы стран превышало количество уменьшивших: 110 стран против 23. То есть в 80% диапазона этих стран выбросы увеличивались, особенно это проявилось среди бедных стран. Зона доходов меньше 30 тыс. долл. это зона почти сплошного невыполнения Киот-
ского протокола. В данном случае уменьшение выбросов СО2 страны в данном диапазоне не означает, что оно произошло благодаря росту доходов. По крайней мере, в этом можно не сомневаться в случае бедных стран с доходами до 10 тыс. долл. - в них произошло ухудшение экономического положения.
Заключение
На основании полученных результатов можно заключить, что Парижское климатическое соглашение настраивает на улучшение природной среды жизни человека, но это, по сути, документ о намерениях. Главным его недостатком является неверный учет путей экономического развития развивающихся стран и отсутствие комплексного подхода к их развитию, заключающееся в полном пренебрежении к мощно развивающимся в этих странах загрязнениям.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 17-01-00693.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Моисеев Н.Н., Александров В.В., Тарко А.М. Человек и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с моделями. // М.: Наука. -1985. - 272 с.
2. Парижское соглашение. FCCC/CP/2015/L.9 -https://unfccc.int/resource/docs/2015/cop21/rus/l09r.p df (дата обращения: 20.09.2019)
3. Тарко А. М. Антропогенные изменения глобальных биосферных процессов. Математическое моделирование. — М: Физматлит. 2005.
4. Тарко А.М. О настоящем и будущем России и мира. - Тула. Изд-во Промпилот. - 2016. - 196 с.
5. 6 Тарко А.М. Глобальная роль системы атмосфера - растения - почва в компенсации воздействий на биосферу. // ДАН СССР. - 1977. - Т. 237. -№ 1. - с. 234-237.
6. 7 Тарко А.М. Моделирование глобальных биосферных процессов в системе атмосфера - растения - почва. // Динамическое моделирование в агрометеорологии. Под ред. Ю.А. Хваленского. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1982. - с. 8-16.
7. 8 Тарко А.М. Устойчивость биосферных процессов и принцип Ле-Шателье. // Доклады Академии наук, 1995, т. 343,№3, стр. 393-395.
8. Федеральная служба государственной статистики (Росстат). Единая межведомственная информационно - статистическая система (ЕМИСС) http://www.gks.ru (дата обращения: 20.09.2019)
9. Эксперт. - 2010. - № 1 (Специальный выпуск).
10. Bjorkstrom A. A model of CO2 interaction between atmosphere, ocean and land biota. // The Global Carbon Cycle. SCOPE 13. - N.Y.: Willey. - 1979. - pp. 403-458.
11. Bolin B., Eriksson E. Changes in the carbon content of the atmosphere and the sea due to fossil fuel
combustion. // The atmosphere and the sea in motion. Rossby Memorial Volume. Ed.: Bolin B., Rockfeller Inst. Press, N. Y. 1959. pp. 130-143.
12. Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC), U.S. Department of Energy. https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/ftp/ndp030/ (дата обращения: 20.09.2019)
13. Chan Y.H., Olson J.S., Emanuel W.R. Simulation of land-use patterns affecting the global carbon cycle. // Environmental Sciences Division. Publication N 1273, Oak Ridge National Laboratory, 1979.
14. Eriksson E., Welander P. On a mathematical model of the carbon cycle in nature. // Tellus. - 1956. -V. 8. - pp. 155-175.
15. European Commission. Emissions Database for Global Atmospheric Research. Fossil CO2 & GHG emissions of all world countries, 2017 - https://ed-gar.jrc.ec.europa.eu/over-
view.php?v=CO2andGHG1970-2016&dst=TO2emi# (8: 20.08.2019)
16. Keeling C.D. The carbon dioxide cycle: reservoir models to depict the exchange of atmospheric carbon dioxide with the ocean and land plants. // Chemistry of the lower atmosphere. - N.Y.: Plenum-Press. -1973. - pp. 251-329.
17. Kostizin V.A. Evolution de l'atmosphere: circulation organique, epoques glaciares. - Paris: Hermann. - 1935.
18. Schlesinger M.E. Simulating CO2-induced climatic change with mathematical climate models: Capabilities, limitations and prospects. Proceedings: Carbon Dioxide Research Conference: Carbon Dioxide, Science and Consensus. Coolfont Conference Center, Berkeley Springs, 1983.
19. Suess H.E. Radiocarbon concentration in modern wood. // Science. - 1955. - V. 122. - pp. 415417.
20. Tarko A.M. Analysis of Global and Regional Changes in Biogeochemical Carbon Cycle: A Spatially Distributed Model. - Interim Report, IR-03-041, IIASA, Laxenburg, Austria, 2003, 28 pp.
21. Welander P. On the frequency response of some different models describing the transient exchange of mattter between the atmosphere and sea. // Tellus. - 1959. - V. 11. - pp. 348-354.
22. World Bank Open Data. World Development Indicators - https://data-bank.worldbank.org/data/home.aspx (дата обращения: 20.09.2019)
