Daugiau

5.7: Šiltnamio efektą sukeliančios dujos ir Kilingo kreivė - geomokslai

5.7: Šiltnamio efektą sukeliančios dujos ir Kilingo kreivė - geomokslai


Šiltnamio efektas

Viena iš dažniausiai pasitaikančių klaidingų nuomonių apie pasaulinį klimatą yra ta, kad šiltnamio efektas yra tik hipotezė, kurios vaidmuo pastaruoju metu klimato kaitos srityje yra ginčytinas. Saulės spinduliuotė į Žemę perduodama per mūsų atmosferą. Tai sušildo planetos paviršių ir tai yra nepaprastai svarbus efektas, nes be jo planetoje būtų per šalta, kad galėtume joje gyventi. Mes taip pat susintetinome kai kurias šiltnamio efektą sukeliančias dujas, kurios nėra natūraliai, ir pridėjome jas prie atmosferos.

Kreditas: Tarpvyriausybinė klimato kaitos komisijos darbo grupė I.

Nors natūralus Žemės anglies ciklas natūraliai perkelia milžinišką anglies kiekį tarp sausumos, jūros ir atmosferos, pusiausvyra yra gana subtili ir žmonių pridedama prie atmosferos nuo tada, kai pramoninė revoliucija tvyro atmosferoje daugiau nei 100 metų. Tai reiškia, kad klimato kaitos padarinius, kuriuos jaučiame dabar, sukėlė praeities veikla. Tai, kad šiltnamio efektą sukeliančias dujas nuolat skleidžia žmogaus veikla, reiškia, kad mes jau įsipareigojome šiltesnei ateičiai.

Anglies dioksidas

„Kilingo kreivė“ gali būti garsiausias pasaulio klimato duomenų sklypas. Charlesas Keelingas pradėjo matuoti anglies dioksido koncentraciją atmosferoje Mauna Loa 1958 m. Šiandien iš stebėjimo bokštų Mauna Loa paimami keturi oro mėginiai per valandą ir matuojama kelių dujų koncentracija. NOAA stebi stebėjimus iš daugiau nei 50 stočių visame pasaulyje. Vidutinė CO koncentracija2 nuo tada, kai buvo pradėtas stebėjimas, atmosferoje nuolat didėjo.

Spustelėkite 5.8 paveikslo teksto aprašymą.

Anglies dioksido koncentracija atmosferoje, išmatuota Mauna Loa observatorijoje nuo 1974 iki 2008 m. Mėlynos spalvos duomenys buvo patikrinti, o pilkai atspalviai-preliminarūs. Vingiuojančios linijos rodo sezoninius anglies dioksido svyravimus, o tiesi linija yra bėgimo vidurkis, kuris veiksmingai pašalina sezoninius svyravimus.

Kreditas: NOAA Žemės sistemos tyrimų laboratorija

Pažvelkime į šį siužetą kartu (oi! Atkreipkite dėmesį, kad savo paaiškinime klaidingai sakau, kad y ašis yra anglies dioksido koncentracija milimoliais viename oro mole, nors iš tikrųjų tai yra mikromoliai vienam moliui.):

Be to, peržiūrėkite šią tikrai šaunią animaciją, kuri parodo, kaip per pastaruosius kelis dešimtmečius visame pasaulyje padidėjo anglies dioksido koncentracija. Vaizdo įraše x ašis yra platuma, o y ašis-CO2 koncentracija. Įvairūs skirtingi simboliai reiškia skirtingus įrašymo stočių tipus (bokštas, lėktuvas ir kt.), O linija yra vidutinė vertė.


5 skyrius: Šiuolaikinis CO2 Kaupimas

Šios medžiagos buvo peržiūrėtos ir suderintos su naujos kartos mokslo standartais, kaip aprašyta toliau.

Apžvalga

Mokslas ir inžinerijos praktika

Duomenų analizavimas ir aiškinimas: sukurkite, analizuokite ir (arba) interpretuokite grafinius duomenų ir (arba) didelių duomenų rinkinių vaizdus, ​​kad nustatytumėte tiesinius ir netiesinius ryšius. MS-P4.1:

Paaiškinimų kūrimas ir sprendimų kūrimas: Pateikite kiekybinį ir (arba) kokybinį teiginį apie priklausomų ir nepriklausomų kintamųjų ryšį. HS-P6.1:

Duomenų analizė ir aiškinimas: Įvertinkite naujų duomenų poveikį siūlomo proceso ar sistemos darbiniam paaiškinimui ir (arba) modeliui. HS-P4.5:

Duomenų analizavimas ir aiškinimas: palyginkite ir kontrastuokite įvairių tipų duomenų rinkinius (pvz., Savarankiškai sukurtus, archyvuojamus), kad ištirtumėte matavimų ir stebėjimų nuoseklumą. HS-P4.4:

Kryžminės sąvokos

Mastelis, proporcija ir kiekis: Reiškinio reikšmė priklauso nuo jo masto, proporcijos ir kiekio. HS-C3.1:

Mastelis, proporcija ir kiekis: Vienos skalės stebimi modeliai gali būti nepastebimi arba egzistuoja kitose skalėse. HS-C3.3:

Modeliai: modeliams nustatyti reikia empirinių įrodymų. HS-C1.5:

Šablonai: Kiekvienoje skalėje, kurioje tiriama sistema, galima pastebėti skirtingus modelius ir jie gali įrodyti priežastinį ryšį paaiškinant reiškinius HS-C1.1:

Priežastis ir pasekmė: Norint atskirti priežastį ir koreliaciją ir teigti apie konkrečias priežastis ir padarinius, reikia empirinių įrodymų. HS-C2.1:

Pagrindinės drausmės idėjos

Pasaulio klimato kaita: žmogaus veikla, pvz., Šiltnamio efektą sukeliančių dujų išsiskyrimas deginant iškastinį kurą, yra pagrindiniai veiksniai, lemiantys dabartinę vidutinės Žemės paviršiaus temperatūros kilimą (visuotinį atšilimą). Klimato kaitos lygio sumažinimas ir žmogaus pažeidžiamumo bet kokiems klimato pokyčiams mažinimas priklauso nuo klimato mokslo supratimo, inžinerinių galimybių ir kitų žinių, tokių kaip žmonių elgesio supratimas ir protingas šių žinių pritaikymas priimant sprendimus ir veiklą. MS-ESS3.D1:

Oras ir klimatas: Palaipsniui atmosferos pokyčius lėmė augalai ir kiti organizmai, kurie sulaikė anglies dioksidą ir išskyrė deguonį. HS-ESS2.D2:

Orai ir klimatas: atmosferos pokyčiai dėl žmogaus veiklos padidino anglies dioksido koncentraciją ir taip paveikė klimatą. HS-ESS2.D3:

Žemės medžiagos ir sistemos: geologiniai įrašai rodo, kad pasaulinio ir regioninio klimato pokyčius gali lemti saulės energijos ar Žemės orbitos pokyčių sąveika, tektoniniai įvykiai, vandenyno cirkuliacija, vulkaninė veikla, ledynai, augmenija ir žmogaus veikla. Šie pokyčiai gali atsirasti įvairiais laikotarpiais-nuo staigių (pvz., Ugnikalnių pelenų debesų) iki tarpinių (ledynmečių) iki labai ilgalaikių tektoninių ciklų. HS-ESS2.A3:

Veiklos lūkesčiai

Žemės sistemos: išanalizuokite geomokslų duomenis ir pareikškite teiginį, kad vienas Žemės paviršiaus pakeitimas gali sukelti grįžtamąjį ryšį, dėl kurio pasikeičia kitos Žemės sistemos. HS-ESS2-2:

  • komandinis kūrimas, siekiant užtikrinti, kad medžiaga būtų tinkama įvairiose švietimo įstaigose.
  • daug kartotinių peržiūrų ir grįžtamojo ryšio ciklų per medžiagos kūrimo eigą, kartu su projekto redaktorių ir išorės vertinimo komandos indėliu autorių komandai.
  • tikras medžiagų testavimas klasėje bent 3 institucijose, išoriškai peržiūrint mokinių vertinimo duomenis.
  • keletą peržiūrų, siekiant užtikrinti, kad medžiagos atitiktų „InTeGrate“ medžiagų rubriką, kurioje koduojama geriausia mokymo programų rengimo, mokinių vertinimo ir pedagoginių metodų praktika.
  • išorės ekspertų apžvalga dėl mokslo turinio tikslumo.

Ši veikla buvo pasirinkta peržiūrėtoje mokymo kolekcijoje

Ši veikla sulaukė teigiamų atsiliepimų per tarpusavio vertinimo procesą, apimantį penkias peržiūros kategorijas. Į procesą įtrauktos penkios kategorijos

  • Mokslinis tikslumas
  • Mokymosi tikslų, veiklos ir vertinimų derinimas
  • Pedagoginis efektyvumas
  • Tvirtumas (visų komponentų naudojimas ir patikimumas)
  • „ActivitySheet“ tinklalapio išsamumas

Norėdami gauti daugiau informacijos apie tarpusavio peržiūros procesą, žr. Https://serc.carleton.edu/teachearth/activity_review.html.

Šis puslapis pirmą kartą paviešintas: 2016 m. Liepos 15 d

Santrauka

Studentai išnagrinės duomenis, fiksuojančius šiuolaikinį anglies dioksido koncentracijos padidėjimą ir su tuo susijusią vidutinės temperatūros padidėjimą, ir ištirs anglies dioksido poveikį įvairiems Žemės sistemos komponentams (atmosferai, kriosferai, hidrosferai - vandenynams). Studentai taip pat sužino, kaip iškastinio kuro deginimas prisideda prie atmosferos anglies dioksido padidėjimo.


Jau dabar Žemė pasirodė gana jautri

Nuo pramonės revoliucijos pradžios vidutinė Žemės temperatūra pakilo 1,8 laipsnio Farenheito, arba 1 laipsnio Celsijaus.

Žemės vandens cikle jau buvo reguliariai stebimos pagrindinės pasekmės - padidėja kraštutinių potvynių ir sausros tikimybė. Lengviausiai prognozuojami rezultatai, rekordinės karščio bangos ir istoriniai miškų gaisrai, pasireiškia visame pasaulyje, taip pat sudėtingesni atmosferos pokyčiai.

„Tai [visuotinis atšilimas] kelia jūros lygį ir dar labiau pablogina audros bangas, daro atmosferą drėgnesnę, dėl to potvyniai kyla dėl ekstremalių kritulių, o atšilusi vandenyno temperatūra suteikia papildomos energijos atogrąžų audroms“, - sakė klimato mokslininkas Stefanas Rahmstorfas, Žemės sistemos analizės vadovas. rugsėjo mėn., Potsdamo poveikio klimatui tyrimų institute.

„Poliarinis ledas tirpsta, vandenyne Golfo srovės sistema silpnėja, o atmosferoje reaktyvinis srautas darosi keistas“, - pridūrė Rahmstorfas.

Skirtingai nuo ankstesnių geologinių epochų, šiandien lemiama aplinkybė yra ne tik tai, kad ore yra daug anglies, bet ir kaip greitai visa tai kaupiasi.

Gamtos pasaulis įkrauna ir pašalina anglį iš atmosferos per ilgus tūkstančių iki dešimčių tūkstančių metų laikotarpius.

Pavyzdžiui, šiltas laikotarpis, vadinamas „Eemian“, kuris baigėsi maždaug prieš 120 000 metų, lėtai ištirpdė didelę dalį Grenlandijos ledo sluoksnių - net ir esant labai mažai anglies koncentracijai, maždaug 280 ppm.

Tačiau šiais laikais klimatas dar nepasivijo.

„Mes taip greitai atšylame, kad net nepradėjome leisti Grenlandijai ištirpti“, - pažymėjo „UC Irvine's Prather“.

Kur civilizacija galiausiai baigiasi anglies dvideginio atžvilgiu, priklauso nuo to, kaip greitai pasaulinės visuomenės pereis prie švarios energijos ir gamins elektros energiją, nesiremdamos iškastiniu kuru.

„Aš ginčyčiausi, kad iš tikrųjų svarbu, kur stabilizuojamės“, - sakė Lachniet. „Per ateinančius šimtą metų mes tikrai nustatėme kitus 10 000 klimato istorijos metų“.


Staigaus klimato kaitos laikas jaunesnio Dryo intervalo pabaigoje nuo termiškai frakcionuotų dujų poliariniame lede

Greitas temperatūros pokytis suskaldo dujų izotopus nekonsoliduotame sniege, sukurdamas signalą, kuris išsaugomas įstrigusiuose oro burbuliukuose, kai sniegas formuoja ledą. Azoto ir argono izotopų frakcionavimas jaunesnio Dryo šalčio intervalo pabaigoje, užfiksuotas Grenlandijos lede, rodo, kad atšilimas šiuo metu buvo staigus. Šis atšilimas sutampa su pastebimu atmosferos metano koncentracijos padidėjimu, rodančiu, kad klimato kaita buvo sinchroniška (per kelis dešimtmečius) mažiausiai pusrutulio masto regione, ir šiuo metu apribojo anksčiau pasiūlytus klimato kaitos mechanizmus . Azoto izotopų signalo gylis, palyginti su ledo matricoje užfiksuotu klimato kaitos gyliu, rodo, kad jaunesnio sausumo metu Grenlandijos viršūnė buvo 15 ± 3 ° C šaltesnė nei šiandien.


Pasaulinis anglies dioksido lygis netoli nerimą keliančio etapo

Šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija netrukus viršys 400 promilių.

Netoli Mauna Loa ugnikalnio viršūnių viršūnių Havajuose, infraraudonųjų spindulių analizatorius netrukus padarys istoriją. Tikimasi, kad kitą mėnesį atmosferoje bus užfiksuota daugiau nei 400 milijonųjų dalių (ppm) paros anglies dioksido koncentracija, o tai nėra reikšminga stebėjimo vieta keletą milijonų metų.

Renginiui švęsti nebus nei balionų, nei triukšmautojų. Mokslininkai, stebintys šiltnamio efektą sukeliančias dujas, laikys tai labiau nerimą keliančiu žmonijos galios rodikliu keisti atmosferos chemiją ir kartu planetos klimatą. Esant 400 ppm, tautoms bus sunku kontroliuoti visuotinį atšilimą, sako Corinne Le Quéré, klimato tyrinėtoja iš Rytų Anglijos universiteto Noridže, JK, sakydama, kad poveikis „labai pavojingai artėja prie 2 ° C tikslo, kurio vyriausybės visame pasaulyje pažadėjo neviršyti “.

Praeis šiek tiek laiko, galbūt keli metai, iki pasaulinio CO2 koncentracija, vidutiniškai išreikšta ištisus metus, praeina 400 p.p. „Atėjo laikas įvertinti, kur esame ir kur einame“, - sako Ralphas Keelingas, „Scripps“ okeanografijos instituto La Džoloje, Kalifornijoje, geochemikas, prižiūrintis šio centro CO2 stebėdama Mauna Loa pastangas. Tą dujų rekordą, žinomą kaip Kilingo kreivė, pradėjo jo tėvas Charlesas Keelingas.

Prasidėjus stebėjimui, CO2 lygis buvo 316 ppm, ne daug didesnis nei 280 ppm. kuris apibūdino sąlygas prieš pramonės revoliuciją. Tačiau nuo tada, kai buvo pradėti Havajų matavimai, vertės pakilo aukštyn, o tai nerodo jokių išlyginimo požymių (žr. „Kylantis“). Taip pat didėja kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimas, o tai lemia bendrą ekvivalentinę CO koncentraciją2 atmosferoje iki maždaug 478 p.p. balandį, teigia Ronaldas Prinnas, Kembridžo Masačusetso technologijos instituto atmosferos mokslininkas.

„Le Quéré“ ir kitų „Global Carbon Project“ narių surinkti duomenys rodo, kad 2011 m. Žmonės į atmosferą įnešė apie 10,4 mlrd. sausuma, likusi dalis lieka atmosferoje ir padidina pasaulinę CO koncentraciją2.

„Tikrasis klausimas dabar yra: kaip kriauklės elgsis ateityje? sako Gregas Marlandas, Apalačų valstijos universiteto Boone, Šiaurės Karolinoje, aplinkosaugos mokslininkas, padedantis surinkti išmetamųjų teršalų duomenis.

Nuo tada, kai Keelingas pradėjo matuoti, kriauklės labai išaugo, kai per metus išmetama apie 2,5 milijardo tonų anglies. Tačiau klimato modeliai rodo, kad žemė ir vandenynas ilgai neatsiliks.

„Tam tikru momentu planeta negali mums daryti malonės, ypač sausumos biosfera“, - sako Jimas White'as, Kolorado Boulderio universiteto biogeochemikas. Kadangi kriauklės sulėtėja ir išmetama daugiau CO2 išlieka atmosferoje, lygis kils dar greičiau.

Kai kurie tyrinėtojai teigė, kad kriauklės jau pradėjo užsikimšti, todėl sumažėjo jų gebėjimas sugerti daugiau CO2 (J. G. Canadell ir kt. Proc. Natl Acad. Sci. JAV 104, 18866–18870 2007). Kiti nesutinka.

Ashley Ballantyne, biogeochemikė iš Montanos universiteto Misūloje, kartu su White'u ir kitais tyrė išmetamų teršalų bei CO2 matavimai, atlikti visame pasaulyje. Jie nerado jokių kriauklių lėtėjimo požymių (A. P. Ballantyne ir kt. Gamta 488, 70–72 2012). Tačiau sunku būti tikram, sako Inez Fung, Kalifornijos universiteto Berklyje klimato modeliuotojas. „Mes neturime tinkamų stebėjimo tinklų“. Didžiausias pasaulinis tinklas, kurį valdo JAV Nacionalinė vandenynų ir atmosferos administracija, 2012 m. Turėjo sumažinti 12 stočių dėl biudžeto mažinimo.

Kai kurios svarbiausios sritys, pavyzdžiui, tropikai, taip pat yra mažiausiai stebimos, nors tyrėjai siekia užpildyti spragas. Mokslininkai iš Vokietijos ir Brazilijos stato 300 metrų bokštą, kad galėtų stebėti Amazonę (žr. Gamta 467, 386–387 2010). Integruota Europos anglies stebėjimo sistema steigia stotis visame žemyne ​​ir kai kuriose jūrų vietose, kad išmatuotų CO2 ir kitos šiltnamio efektą sukeliančios dujos.

Palydovai taip pat galėtų stebėti anglies šaltinius ir absorbentus. Du orbitai jau teikia tam tikrus duomenis, o NASA planuoja kitais metais paleisti labai laukiamą „Orbiting Carbon Observatory-2“ (žr. 5 puslapį). Ankstesnė to palydovo versija nepavyko paleidžiant 2009 m.

Net ir tada, kai internete atsiranda naujų išteklių, mokslininkai stengiasi išlaikyti Mauna Loa stotį. „Pinigų suma, kurią galiu gauti už programą, laikui bėgant sumažėjo“, - sako Keelingas, kurio grupė stebi CO2 koncentracija 13 vietų visame pasaulyje.

„Tai kvaila, kad pasirinkome atrodyti kaip stručiai“,-apie finansavimo sunkumus sako White. „Mes nenorime žinoti, kiek CO2 yra atmosferoje, kai turėtume dar labiau stebėti “.


Anotacija

Amžinasis įšalas ir metano hidratai yra dideli, klimatui jautrūs seni anglies rezervuarai, galintys išmesti didelį metano kiekį-stiprias šiltnamio efektą sukeliančias dujas, nes Žemė toliau šyla. Pateikiame ledo šerdies izotopinius metano (Δ 14 C, δ 13 C ir δD) matavimus nuo paskutinio degliacijos, kuris yra dalinis šiuolaikinio atšilimo analogas. Mūsų rezultatai rodo, kad metano išmetimas iš senų anglies rezervuarų, reaguojant į deglacialinį atšilimą, buvo nedidelis (& lt19 teragramų metano per metus, 95% patikimumo intervalas) ir prieštarauja panašiam metano išmetimui reaguojant į būsimą atšilimą. Mūsų rezultatai taip pat rodo, kad metano išmetimas iš biomasės deginimo ikipramoninio holoceno metu buvo 22–56 teragramai metano per metus (95% pasikliautinasis intervalas), tai yra palyginama su šiandien.

Metanas (CH4) yra svarbus šiltnamio efekto veiksnys, turintis visuotinio atšilimo potencialą

28 kartus didesnis nei anglies dioksido (CO2) 100 metų laikotarpiu (1). Natūralus CH4 išmetamų teršalų

40% visų išmetamųjų teršalų (2) ir yra daug neaiškumų, kaip jie reaguoja į būsimą atšilimą (3). Nors pelkės yra pagrindinis natūralus CH šaltinis4, padidėjęs išmetimas iš didelių, klimatui jautrių senų anglies saugyklų, tokių kaip amžinasis įšalas (4) ir drėkina po ledo sluoksniais (5) gali tapti svarbiu ateinančiame amžiuje. Jūros hidratai taip pat gali išskirti didelį kiekį CH4 į atmosferą reaguojant į atšilimą (6), tačiau jūrų hidratų disociacijos laiko skalė yra gana ilga (nuo šimtų iki tūkstančių metų). Be to, vis labiau sutariama, kad CH4 išsiskiriančių jūrinių hidratų išmetimas į atmosferą bus apsaugotas efektyviu CH4 oksidacija nuosėdose ir vandens stulpelyje (3, 7).

Paskutinis degradacija [18–8 kilogramai per metus iki dabar (ka BP)] suteikia galimybę įvertinti šių senų anglies telkinių (jūrinių hidratų, amžino įšalo ir hidratų po ledo sluoksniais) ilgalaikį jautrumą besikeičiančiam klimatui. Yra daug įrodymų apie jūrų hidratų destabilizaciją (8, 9), žemės amžinojo įšalo degradacija (10) ir termokarstinio ežero (amžino įšalo atšildymo ežero) susidarymas (11) paskutinio degliacijos metu. Tačiau CH4 išmetimas iš šių senų anglies saugyklų į atmosferą nėra pakankamai ribojamas. Paleoatmosferos CH4 Molių frakcija ir jos izotopinė sudėtis iš įstrigusio oro ledo šerdyse suteikia istorinę perspektyvą, kaip natūralus CH4 šaltiniai reaguoja į klimato kaitą (pvz. 12, 13). CH anglies-14 (14 C) matavimai4 (14 CH4) iš ledo šerdžių suteikia vienareikšmišką apribojimą iš viršaus į apačią visame pasaulyje integruotame 14 C be CH4 išmetamų teršalų iš visų senų anglies saugyklų.

14 C radioaktyviai suyra ir todėl yra labai išeikvotas anglies rezervuaruose, kurie buvo izoliuoti nuo atmosferos ilgesnį laiką nei jo pusinės eliminacijos laikas

5730 metų. Dėl mažo 14 C gausos (maždaug 10–12, palyginti su 12 C), 14 CH matavimai4 ledo šerdyse yra sudėtingas, reikalaujantis

1000 kg ledo vienam mėginiui. Mes surinkome ledo šerdis iš gerai datuojamos ledo abliacijos vietos Tayloro ledyne, Antarktidoje (14), kuri leidžia lengvai pasiekti didelius seno ledo kiekius sekliame gylyje. Petrenko ir kt. (15) neseniai pristatė paleoatmosferos 14 CH matavimus4 iš Taylor ledyno, skirto pereiti prie jaunesnių sausų ir priešborealinių (YD-PB) (11,7–11,3 ka BP), ir padarė išvadą, kad 14 C neturinčių CH4 emisijos buvo nedidelės [& lt7,7% viso CH4 išmetamųjų teršalų kiekį, 95% patikimumo intervalą (PI)]. Tačiau jų rezultatai apėmė tik trumpą laiko tarpą deglacialiniame perėjime. Šiame tyrime pateikiame 11 papildomų paleoatmosferos 14 CH matavimų4 (1A pav.) Kartu su stabiliais izotopų matavimais (δ 13 CH4 ir δD-CH4) (1, C ir D pav.) Per 15–8 ka BP intervalą, suteikiant išsamesnį vaizdą apie deglacialinį CH4 biudžetą.

(A) 14 CH4 iš Taylor Glacier (mėlyni deimantai šis tyrimas), ∆ 14 C amžino CO2 iš IntCal13 [žalia linija (19)], „IntCal13“ neapdoroti duomenys [pilki kryžiai (19)] ir anksčiau ∆ 14 CH4 rezultatai [šviesiai mėlyni deimantai (15)]. Du ∆ 14 CH4 2014–2015 m. lauko sezono mėginiai (esant 17,8 ir 12,8 ka BP) buvo atmesti, nes įtariama, kad buvo pridėta pašalinių 14 ° C [žr. medžiagų ir metodų 3 skirsnį (20)]. (B) CH4 apgamų frakcija iš atskirų WAIS Padalinkite ledo šerdies matavimus [raudoni taškai (39)], Taylor Glacier (mėlyni deimantai šiame tyrime) ir ankstesnis Taylor Glacier tyrimas [šviesiai mėlyni deimantai (15)]. (C) δ 13 CH4 iš TALDICE (raudoni kvadratai), EDML [geltoni kvadratai (13)] ir Taylor Glacier (mėlyni kvadratai šiame tyrime). (D) δD-CH4 iš EDML [žali trikampiai (13)] ir Taylor Glacier (mėlyni trikampiai šiame tyrime). (E) Sudėtinė NH temperatūros krūva (raudona linija) ir jos 95% PI (tamsiai oranžinė zona) (16). (F) Pasaulinis RSL, padarytas iš koralų duomenų (32). Visi pagrindiniai ledo duomenys yra pavaizduoti atsižvelgiant į WD2014 amžiaus skalę (40) IntCal13, RSL ir NH temperatūros kaminai pavaizduoti atitinkamose amžiaus skalėse. Visos klaidų juostos rodo 95% PI.

Seniausias Dryas – Bølling (OD-B) perėjimas (14,6–14,45 ka BP) yra pirmasis didelis ir staigus CH4 pakilti per paskutinę deglacialinę įvykių seką (1B pav.) tuo metu, kai buvo jūros lygis

100 m žemiau nei šiandien. Tai staigus CH4 kilimas buvo sinchroniškas su Šiaurės pusrutulio (NH) atšilimo spartėjimu (16) (1E pav.), Ledo sluoksnio atsitraukimas ir greitas jūros lygio kilimas (17). Šis klimato perėjimas taip pat galėjo sutapti su pirmuoju jūrų hidratų destabilizacijos atveju per paskutinį degradaciją, kurią sukėlė hidrostatinio slėgio sumažėjimas nuo NH ledo sluoksnio atsitraukimo ir šilto tarpinio vandenyno vandens patekimo į seklias, hidratų turinčias Arkties nuosėdas (8). Destabilizuojant jūrų hidratų rezervuarus, staigūs įvykiai, tokie kaip povandeniniai nuošliaužos (18) arba jūrinių hidratinių pingų žlugimas (8) gali sukelti didelį ir greitą CH4 išsiuntimai, kurie galėjo prisidėti prie greito atmosferos CH4 pakilti (9) jei jie galėjo apeiti oksidaciją vandens stulpelyje.

Skirtingai nuo senų anglies rezervuarų, tuo pačiu metu CH4 šaltiniai, tokie kaip pelkės ir biomasės deginimas, išskiria CH4 su 14 C parašu, kuris atspindi tuo pačiu metu Δ 14 CO2 tuo metu (15). Mūsų Δ 14 CH4 visi OD-B perėjimo matavimai yra 1σ neapibrėžtyje tuo pačiu metu esančioje atmosferoje Δ 14 CO2 (19) (1A pav.), Rodantis dominuojantį amžinojo CH vaidmenį4 šaltiniai. Mes naudojome vieno langelio modelį (žr. Medžiagų ir metodų 4.2 skirsnį) (20) apskaičiuoti 14 C neturinčio CH kiekį4 išmetimas į atmosferą (1 lentelė, S9 pav. ir S10 lentelė) (20). Mūsų dėžutės modelis rodo, kad iš viso 14 CH be C4 išmetimas per OD-B perėjimą buvo nedidelis [vidutiniškai <13 teragramų (Tg) CH4 per metus, 95% PI viršutinė riba]. Kartu su ankstesniu Δ 14 CH4 duomenys iš YD-PB perėjimo (15), mūsų rezultatai griežtai prieštarauja hipotezei, kad seni anglies rezervuarai yra svarbūs greito CH šaltiniai4 padidėjimas, susijęs su staigiais atšilimo įvykiais (Dansgaardo – Oeschgerio įvykiai) (9). Ši išvada atitinka ankstesnius tyrimus (13) nerodo didelio CH praturtėjimo4 deuterio/vandenilio santykis (δD-CH4) kartu su staigiu CH4 perėjimai (CH4 iš jūrinių hidratų yra santykinai praturtintas δD). Įrodyta, kad net esant santykinai nedideliam vandens gyliui

90% 14 C neturinčio CH4 išlydytas požeminis amžinasis įšalas buvo oksiduotas vandens stulpelyje (21). Manome, kad perėjimo OD-B metu santykinai spartus jūros lygio kilimas, susijęs su tirpstančio vandens impulsu 1-A (17), kartu su CH4 oksidacija vandens storymėje (22), galėjo užkirsti kelią CH4 išmetamų teršalų iš skilimo jūrų hidratų ir povandeninio amžinojo įšalo patekimo į atmosferą.

Mėginių amžius buvo nustatytas pagal visame pasaulyje gerai sumaišytų dujų (CH4 ir δ 18 O atmosferos deguonies) pagal WD2014 chronologiją [žr. medžiagų ir metodų 1 skirsnį (20)]. Šioje lentelėje pateikti imties amžiai atspindi „geriausią“ (didžiausios tikimybės) amžių pagal tikimybių pasiskirstymą (S3 pav.) (20) atsižvelgiant į WD2014 chronologiją (40).

Mūsų 14 CH matavimai4 tarp Bølling – Allerød interstadialinio (14,45–13 ka BP) ir ankstyvojo holoceno (10–8 ka BP) šiltu laikotarpiu (1A pav.) suteikia galimybę įvertinti CH uždelsimo tikimybę.4 išmetamų teršalų iš senų anglies saugyklų, reaguojant į atšilimą. Jūros hidrato disociacijos pradžia gali atsilikti nuo pradinio atšilimo signalo dešimtmetį (23), šimtmečio ar net tūkstantmečio (18) laiko skalės. Amžinojo įšalo degradacija taip pat gali atsilikti nuo atšilimo signalo dešimtmečio ir šimtmečio laiko skalėse (24), priklausomai nuo vietinių aplinkos sąlygų, tokių kaip amžino įšalo gylis, dirvožemio tipai ir drėgmės kiekis (4). Kai kuriose ankstyvojo holoceno dalyse Arkties temperatūra tikriausiai buvo šiltesnė nei šiandien (25), kuris yra geras analogas Arkties sąlygoms ateinančiais dešimtmečiais. Tarpinė termokarstinio ežero inicijavimo rekonstrukcija (11) ir sausumos amžinojo įšalo degradacija (10, 24) pasiūlė galimą CH padidėjimą4 išmetamųjų teršalų iš šių procesų tiek tarp Bølling – Allerød interstadialinio, tiek ankstyvojo holoceno šiltojo laikotarpio. Tačiau mūsų Δ 14 CH4 matavimai (1A pav. ir 1 lentelė) nerodo jokių įrodymų apie uždelstą 14 C be CH4 emisijos po atšilimo. Šie rezultatai atitinka dabartinius pastebėjimus, kad anglis iš termokarstinių ežerų ir amžinojo įšalo daugiausia išsiskiria CO pavidalu2 o ne CH4 (4, 26), ir kad CH4 išmetamųjų teršalų iš amžino įšalo sistemų vyrauja palyginti tuo pačiu metu esanti anglis (26, 27).

Nes tikimasi, kad amžinajame įšale laikoma anglis neturės 14 C (28), mes taip pat bandėme naudoti savo 14 CH4 rezultatus, kad būtų galima apskaičiuoti galimą CH dydį4 išmetamų teršalų kiekis, atšildžius seną amžinojo įšalo anglį (4.3 skirsnis) (20). Šis skaičiavimas padarė prielaidą, kad amžino įšalo CH 14 C aktyvumas4 išmetamųjų teršalų kiekis atitinka išankstinį terrigeninių biomarkerių amžių, išsiskiriantį iš atitirpusio amžinojo įšalo (7500 ± 2500 metų amžiaus, palyginti su mūsų mėginio amžiumi) (10). Rezultatas CH4 išmetamųjų teršalų kiekis iš seno amžinojo įšalo anglies yra nuo 0 iki 53 Tg CH4 per metus (S10 lentelė) (20) per paskutinį degradaciją ir galėjo sudaryti iki 27% viso CH4 emisijos į atmosferą (95% PI viršutinė riba) OD-B perėjimo pabaigoje (14,42 ka BP). Tačiau mes manome, kad šis skaičiavimas yra spekuliacinis (žr. Medžiagų ir metodų 4.3 skirsnį) (20).

Kai pasaulinis jūros lygis buvo žemesnis, kontinentinių šelfų poveikis galėjo sukelti didesnį CH4 emisija, atsirandanti dėl natūralių geologinių nuotėkių (29). Neseniai atliktas tyrimas taip pat padarė išvadą apie CH egzistavimą4 hidrato nuosėdas po ledo lakštais ir pasiūlė, kad proglacialinis tirpstančio vandens išleidimas greičiausiai yra svarbus CH šaltinis4 prie atmosferos (5). Ledo sluoksnio atsitraukimas paskutinio degliacijos metu galėjo destabilizuoti subglacialines hidratų nuosėdas, kuriose yra senas, 14 C išeikvotas CH4. Tačiau mūsų duomenys, apimantys didžiąją dalį ledynmečio atsitraukimo ir jūros lygio kilimo (1F pav.), Tvirtai prieštarauja abiem hipotezėms. 14 C neturintis CH4 išmetamųjų teršalų kiekis per paskutinį degradaciją buvo nedidelis (1 lentelė) ir atrodo nejautrus tiek pasauliniam jūros lygiui, tiek ledo kiekiui.

Biomasės deginimas yra svarbi pasaulinio anglies ciklo dalis ir yra glaudžiai susijusi su anglies monoksido (CO), azoto oksidų (NO) išmetimu.x), nemetaniniai angliavandeniliai ir aerozoliai, kurie daro didelį poveikį atmosferos chemijai ir spinduliavimo energijos srautams. Palyginti su kitais ankstesnio biomasės deginimo įpėdiniais, CH4 turi pranašumą, nes yra gerai sumaišytos dujos atmosferoje ir gali atspindėti visame pasaulyje integruotą biomasę deginantį išmetimą. Bockas ir kt. (13) pateikė naujausią stabilų izotopų pagrindu (δ 13 C ir δD) atliktą ledynmečio ir tarpslankstelinio CH tyrimą.4 biudžeto, tačiau jie negalėjo atskirti santykinių įmokų nuo CH4 šaltinių, praturtintų sunkesniais izotopais (biomasės deginimas ir natūralus geologinis išmetimas). Patobulinus natūralių geologinių išmetimų įvertinimus, mūsų rezultatai leidžia geriau suvaržyti bendrą CH4 biudžetą. Mes panaudojome stabilius izotopų duomenis (1, C ir D pav.) Vieno langelio modelyje (žr. Medžiagų ir metodų 5 skirsnį) (20) apskaičiuoti CH4 išmetamų teršalų iš deginamos biomasės (CH4 bb) ir mikrobų šaltiniai (CH4 mikrofonas, sudarytas iš pelkių, atrajotojų ir termitų išmetamų teršalų) ankstyvajam holocenui (1 lentelė ir S11 pav.) (20). Mes išplėtėme savo skaičiavimus iki vėlyvojo holoceno (

2 ka BP) (1 lentelė), kad galėtumėte tiesiogiai palyginti mūsų CH4 šaltinio stiprumo įvertinimai su ankstesniais tyrimais (30, 31). Ši prielaida gali būti pateisinama, nes didelis natūralių geologinių išmetimų pokytis tarp ankstyvojo holoceno ir 2 ka BP atrodo mažai tikėtinas, nes po 8 ka BP pasaulinis jūros lygis ir ledo tūris pastebimai nepasikeitė (32). Tačiau mes neatlikome šio skaičiavimo prieš holoceno mėginius, nes buvo apskaičiuoti CH4 tarppolinis skirtumas, atmosferos pasaulinis vidurkis CH4 stabilios izotopų vertės ir stabilūs šaltinių izotopų parašai yra neaiškūs (5 skirsnis) (20).

Mes apskaičiavome palyginti aukštą CH4 bb ankstyvojo holoceno metu (33–56 Tg CH)4 per metus, 95% PI) esant 10 ka BP ir šiek tiek sumažėjus CH4 bb išmetamųjų teršalų (22–42 Tg CH4 per metus, 95% PI) link vėlyvojo holoceno (1 lentelė). Tačiau biomasę deginančių išmetamųjų teršalų sumažėjimo mastas (

7 Tg CH4 per metus) yra mažas, palyginti su abejonėmis tiek CH4 bb ir CH4 mikrofonas emisija (± 11 ir ± 18 Tg CH4 per metus atitinkamai 95% PI neapibrėžtumo). Mūsų apskaičiuota nuo 22 iki 42 Tg CH4 per metus (95% PI) CH4 bb išmetamųjų teršalų kiekiai vėlyvajam holoceno laikotarpiui (

2 ka BP) yra viršutiniame ankstesnių ledo šerdies tyrimų įvertinimų diapazone (13, 30, 31). Atsižvelgiant į tai, kad pagal mūsų 14 C duomenis buvo atliktas didelis natūralių geologinių išmetamųjų teršalų mažėjimas, pirogeninio CH padidėjimas4 tikimasi, kad išmetamieji teršalai subalansuos CH4 stabilus izotopų biudžetas. CH padidėjimas4 bb Tikimasi, kad sumažės natūralus geologinis išmetimas, iš dalies kompensuoja atmosferos peržiūra nuo –0,5 iki –14 reikšmės (12, 30, 31), nes δ 13 CH4 ankstesnių tyrimų vertės (30, 31) tikriausiai buvo šališki dėl kriptono (Kr) trukdžių (33). Mūsų CH4 bb įvertinimai taip pat sumažėja, nes, skirtingai nei ankstesni tyrimai, mes atsižvelgėme į CH izotopinių parašų laiko pokyčius4 bb ir CH4 mikrofonai tarp ikipramoninio holoceno ir šiuolaikinio laikotarpio, kurio tikimasi dėl antropogeninių pokyčių δ 13 CO2 pirmtakas ir žemės naudojimas (žr. medžiagų ir metodų 5.2 skirsnį) (20). Mūsų geriausias CH4 bb estimates for the late Holocene (22 to 42 Tg CH4 per year, 95% CI) are comparable to the present-day estimates of combined pyrogenic CH4 emissions from anthropogenic biomass burning and wildfires (2). This result is supported by some (34, 35), but not all (36), independent paleoproxies of biomass burning.

The last deglaciation serves only as a partial analog to current anthropogenic warming, with the most important differences being the much colder baseline temperature, lower sea level, and the presence of large ice sheets covering a large part of what are currently permafrost regions in the NH. Although Arctic temperatures during the peak early Holocene warmth were likely warmer than today (25), they were still lower than the Arctic temperature projections by the end of this century under most warming scenarios (37). However, there are also many similarities between the last deglaciation and current anthropogenic warming. Both deglacial and modern warming include strong Arctic amplification, and the magnitude of global warming (

4°C) (16) during the last deglaciation was comparable to the expected magnitude of equilibrium global temperature change under midrange anthropogenic emission scenarios (37). Because the relatively large global warming of the last deglaciation (which included periods of large and rapid regional warming in the high latitudes) did not trigger CH4 emissions from old carbon reservoirs, such CH4 emissions in response to anthropogenic warming also appear to be unlikely. Our results instead support the hypothesis that natural CH4 emissions involving contemporaneous carbon from wetlands are likely to increase as warming continues (38). We also estimated relatively high CH4 bb emissions for the pre-Industrial Holocene that were comparable to present-day combined pyrogenic CH4 emissions from natural and anthropogenic sources. This result suggests either an underestimation of present-day CH4 bb or a two-way anthropogenic influence on fire activity during the Industrial Revolution: reduction in wildfires from active fire suppression and landscape fragmentation balanced by increased fire emissions from land-use change (deforestation) and traditional biofuel use (burning of plant materials for cooking and heating).


Anotacija

A newly developed isotope ratio laser spectrometer for CO2 analyses has been tested during a tracer experiment at the Ketzin pilot site (northern Germany) for CO2 saugykla. For the experiment, 500 tons of CO2 from a natural CO2 reservoir was injected in supercritical state into the reservoir. The carbon stable isotope value (δ 13 C) of injected CO2 was significantly different from background values. In order to observe the breakthrough of the isotope tracer continuously, the new instruments were connected to a stainless steel riser tube that was installed in an observation well. The laser instrument is based on tunable laser direct absorption in the mid-infrared. The instrument recorded a continuous 10 day carbon stable isotope data set with 30 min resolution directly on-site in a field-based laboratory container during a tracer experiment. To test the instruments performance and accuracy the monitoring campaign was accompanied by daily CO2 sampling for laboratory analyses with isotope ratio mass spectrometry (IRMS). The carbon stable isotope ratios measured by conventional IRMS technique and by the new mid-infrared laser spectrometer agree remarkably well within analytical precision. This proves the capability of the new mid-infrared direct absorption technique to measure high precision and accurate real-time stable isotope data directly in the field. The laser spectroscopy data revealed for the first time a prior to this experiment unknown, intensive dynamic with fast changing δ 13 C values. The arrival pattern of the tracer suggest that the observed fluctuations were probably caused by migration along separate and distinct preferential flow paths between injection well and observation well. The short-term variances as observed in this study might have been missed during previous works that applied laboratory-based IRMS analysis. The new technique could contribute to a better tracing of the migration of the underground CO2 plume and help to ensure the long-term integrity of the reservoir.


Įvadas

Forests, Carbon, and the Additional Benefits of Woodlands

Global forests store about a trillion tons of carbon [1]. Forests—whether temperate or tropical, and with closed or open canopy—are the largest terrestrial sink of carbon, comprising about 25% of the planetary carbon budget [2]. This is roughly equivalent to the carbon sequestered, or kept out of the atmosphere, by the oceans [3]. The 2015 Paris Climate Agreement among 196 countries calls for achieving a balance between the anthropogenic emissions by sources and removal by sinks in the second half of this century. Most temperate zone and developed world strategies focus on cutting carbon emissions through changes in technology and energy consumption in order to “bend the curve” of climate change below the projected 2+ degrees centigrade. However, to achieve the Paris goals, enhancement of forest-based carbon (C) removals to mitigate emissions in other sectors will be a critical component of any collective global strategy for achieving carbon neutrality [4,5]. Any attempt at carbon neutrality must have significant forest and landscape dimensions. Forests cover a large area of the planet, especially in comparison to the 3% of the Earth’s surface occupied by cities. In the short term, carbon uptake by vegetation and storage in biotic systems is one of the most rapid and promising strategies for addressing emissions.

In the United States (US), Carbon sequestration in forests offsets about 10–15% of emissions from transportation and energy sources and may help to significantly reduce the overall costs of achieving emission targets set by the Paris Agreement [1]. Without improving the extent, health, and productivity of these forests, the sequestration capacity may reduce because of climate change and increasing disturbance [6]. Many climate change adaptation enterprises will certainly involve enhancing tree landscapes at many scales. Such improvements provide additional “ecosystem services,” or positive impacts for people, from shading buildings and buffering cities against storms to making agricultural and grazing landscapes more productive.

With the recent prominence of Reduced Emissions from Deforestation and Degradation (REDD+), more than sixty, mostly tropical, countries place forests at the center of their climate strategies as part of the 2015 Paris Climate Accords, which make special provision “to conserve and enhance sinks and reservoirs of greenhouse gases through results based payments”—which is more generally known as REDD+. While many discussions of climate solutions focus on technological change, energy demand, and reactivating energy resources such as nuclear power, there are significant and rapid carbon uptake gains to be made through managing landscape systems. Changes in landscape management are generally more decentralized than changes in technology and energy, especially in the tropics where most of this sequestration and storage takes place [7,8,9]. We also emphasize that there are gains to be made “at the margins” through improvement of secondary, agricultural, and urban forests with positive mitigation and adaptation outcomes.

Many technological solutions to climate change define the benefits by human gains and goals. These approaches usually require rarified knowledge systems and complex technologies such as electric cars and solar panels they have narrowly specified outcomes and are often highly monetized. In contrast, forest and landscape improvement provides many additional benefits for humans, non-humans, and biophysical processes with relatively low entry and management costs. These co-benefits—or environmental services—improve the health of the biosphere as well as the hydrological and microclimatic systems that play an important role in the maintaining the carbon sequestration capacity of the Earth. This “broad spectrum” quite direct enhancement, in addition to GHG uptake and storage, is unmatched by any other intervention to avoid climate disruption.

We frame this paper by exploring the multifunctionality of arboreal systems, including their carbon uptake (or sequestration) and storage. We emphasize the importance not only of dense tropical forests, but also of inhabited landscapes shaped by people—such as secondary forests, mixed agricultural systems, and cities and their environs—and discuss where such landscapes fit in climate policy and practices. We begin by introducing the ideas of multifunctionality and climate justice, but then move to specific contributions to carbon uptake in a range of forest types, including “agroforests,” or forests people use to grow food, as well as urban and peri-urban forests. We conclude with the question of GHG uptake in urban areas and how researchers are rethinking the greenhouse gas footprint of cities, including urban waste. We emphasize that “bending the curve” of climate change below 2+ degrees centigrade is not simply a technical issue of planting more trees, although that is part of it. “Bending the curve” also involves reassessing our relationship to nature and creating political economies, institutions, and practices that support biotic processes as one of the central responses to climate change.

Forest Multifunctionality

Woodlands ranging from the high biomass forests of the humid tropics to the peri-urban and urban arborizations, especially in the developing world, all provide ecosystem services that go well beyond carbon. Many of these are summarized in the Table 1.

The Multifunctionality and Co-Benefits of Woodlands.

1. Biodiversity benefits, including

ecological and habitat connectivity

ecological services such as pollination, commensal support, predation, seed distribution, and food supply.

2. Agricultural benefits, including

soil fertility improvements in some cases

3. Soil benefits, including

increasing organic matter in the soil and improving soil structure.

buffering the impacts of rainfall

transpiration (taking up moisture through the roots and releasing it through the leaves)

recharging the moisture in the soil

moderating the flow of streams

5. Microclimate improvements, especially for

moderating urban heat island effects [16,17,18]

reduction of heat stress in agroforestry and silvo-pastoral systems [16,19]

6. Local weather defense, including

shoreline protection via mangroves

7. Economic benefits, such as

producing timber and posts

producing non-timber products, such as resins, latexes, medicines, oil seeds, and stimulants like coffee and teas

producing commercial commodities, such as coffee, tea, cacao, and so on

potential REDD derivatives or other offset initiatives pertaining to carbon.

8. Subsistence benefits, such as

providing food to people who live in or near forests

providing fodder for livestock

providing construction materials

9. Survival benefits and complex livelihood “insurance,” such as

10. Human symbolic meaning, including

1. Biodiversity benefits, including

ecological and habitat connectivity

ecological services such as pollination, commensal support, predation, seed distribution, and food supply.

2. Agricultural benefits, including

soil fertility improvements in some cases

3. Soil benefits, including

increasing organic matter in the soil and improving soil structure.

buffering the impacts of rainfall

transpiration (taking up moisture through the roots and releasing it through the leaves)

recharging the moisture in the soil

moderating the flow of streams

5. Microclimate improvements, especially for

moderating urban heat island effects [16,17,18]

reduction of heat stress in agroforestry and silvo-pastoral systems [16,19]

6. Local weather defense, including

shoreline protection via mangroves

7. Economic benefits, such as

producing timber and posts

producing non-timber products, such as resins, latexes, medicines, oil seeds, and stimulants like coffee and teas

producing commercial commodities, such as coffee, tea, cacao, and so on

potential REDD derivatives or other offset initiatives pertaining to carbon.

8. Subsistence benefits, such as

providing food to people who live in or near forests

providing fodder for livestock

providing construction materials

9. Survival benefits and complex livelihood “insurance,” such as

10. Human symbolic meaning, including

This impressive list of additional benefits provided by tree systems helps explain why between 800,000 and 1.4 billion people on the planet are at least periodically dependent on forest resources for their livelihoods, labor markets, agricultural inputs, building and artisanal materials, subsistence, and survival “insurance” in difficult times [20,21,22,23,24,25,26]. North American mainstream views of the environment that strongly segment land uses have difficulty “seeing” such heterogeneous systems in part because of the conceptual construction (and constriction) of “types” of nature into wild, agricultural, and urban systems which are assumed to have little overlap. This perception is far less prevalent in the developing world, but these separations, which have a venerable history, have led to many policy distortions [27]. The fact that human use of woodlands can be periodic, seasonal, dispersed, or indirect further obscures the importance of forested landscapes.

Forests reflect biotic, social, and symbolic systems. Forests occur in wild landscapes, in inhabited and working landscapes of varying forms and intensities, and in highly “unnatural landscapes” like cities. The ubiquity and extent of forests also contributes to their invisibility. Woodlands are culturally complex they have rich social and ecological capacities as well as social and ecological vulnerabilities. Forests embody ideologies, knowledge regimes, institutional approaches to land control and land access, human symbolic meaning, sensitivity to economic signals, and diverse power relations among local, national, and international stakeholders. While woodlands and pastures are generally viewed as parts of wild or distant nature, in this chapter we emphasize the pervasive arboreal nature of even urban areas as critical sites of woody and other biota-based “carbon plus” environmental services. Just as an example, in a survey of over a thousand miesto households in South Africa, non-timber forests products contributed 20% of household income [28,29,30], a finding hardly unique to South Africa [25,31,32,33]. Animal production is also often a considerable part of urban food production in cities, both in the developing world and the US [34,35,36].

Peri-urban areas—or areas surrounding cities—are also increasingly important in this regard as intersections between wildlands, agricultural lands, and cities. Peri-urban areas often host complex agronomic systems with tree components on the urban fringes, in landscapes through which people migrate to the city [35,37,38,39,40,41,42,43].

Far more than any other climate mitigation or adaptation “technology,” forest systems of multiple types engage large portions of the planet’s residents. People of many cultures, backgrounds, and material capacities are, in fact, already taking part in global woodland dynamics as part of formal and informal systems of management and access, as well as through consumption of forest products, economic activity, and aesthetic and symbolic practices. Landscape systems are by far the most inclusive forms of intervention for “bending the curve” of climate change below 2+ degrees centrigrade. This helps explain why wooded landscapes from wildlands to urban regions produce faster results for GHG uptake and at larger scales than most other technological interventions in carbon mitigation, as we will show later in this paper.

Our own Western enchantment with technology blinds us to the importance of living landscapes and the contributions of their “soft technologies.” In part, this is because the management and stewardship of woodlands is imbricated in a vast set of social relations, institutions, socio-political forces, economic imperatives, and global pressures that are not especially amenable to reductionist analysis, uniform scales, or even necessarily classic forms of scientific inquiry. Further, these systems are ubiquitous, although very under-appreciated, and for this reason, some of the urban and peri-urban dynamics of woodlands and their “footprints” remain almost invisible [23,42,44,45,46,47]. These kinds of “invisibilities” have occluded attention to secondary forests and extensive home gardens for decades [48].

Climate Justice

The term climate justice, when used in a restricted sense for policy purposes, means addressing the economic disparity between those societies that now generate and have historically generated most GHGs, on one hand, and those that have borne the brunt of the effects of climate change, on the other. Climate justice involves not only compensating those who suffer the consequences of climate instabilities [49,50], but also, some argue, allowing them to participate in developing policies with climate consequences that affect them (such as policies about mining, REDD, the siting of pipelines and processing plants, and so on). A definition of climate justice that goes beyond economics (including a normative call for intergenerational equity, resources transfers, and sustainable development) can be found in chapter 8 of this report.

The decentralized nature of the problem of climate justice, the question of intentionality, and the difficulty of taking collective action to address climate injustice present serious ethical and practical challenges. These challenges involve problems of scale, unforeseen impacts, interactive outcomes among agents, power relations, and diffuse consequences that dramatically transform the vulnerabilities of populations whose carbon footprint and historic responsibility for planetary carbon loads and other GHGs are minimal. These indirect effects are compounded by globally divergent consumption patterns, limited capacities for resilience of states and communities, and augmented vulnerabilities [51]. The current explosive fires in the American west, continuing “record” flooding in the Mississippi and Missouri valleys, and hyper severe tornedo seasons highlight that climate justice and climate vulnerability is a class issue in environmental justice in developed countries as well.

The means of compensation so far have mainly taken the form of fiscal transfers, provisioning of social services, and in some cases infrastructure improvement. Broader approaches could include support for rural livelihoods, improvement of urban and peri-urban biotic amenities, jobs, compensation for environmental services (such as but not limited to REDD), adaptation investments and programs that focus on reducing vulnerabilities of regions and populations most at risk from climate change. Economic support for carbon absorptive production systems like agroforestry, urban community arborization, conservation investments within inhabited landscapes, and new institutions and ideologies that support such approaches can enact a wide number of interventions, seeking input from local populations and capitalizing on local innovations [52,53,54,55].

REDD might usefully focus on secondary and agro-forests, but so far most carbon offsets have emphasized standing old growth forests with conservation support, such as Noel Kempff Mercado National Park in Bolivia and the Juma Reserve in Amazonas [53,55,56,57,58]. Brazil’s “Bolsa Florestal” program and Ecuador’s “Socio-Bosque” program provide a modest subsidy to forest dwellers to conserve forests and alleviate poverty. Such REDD+ programs have raised many questions about tenurial arrangements (who owns and who has rights to occupy and use the land and other resources), distribution of economic benefits, inclusion, competition among governance strategies and institutions, and compliance and monitoring. All of these questions have significant climate justice implications [58,59,60]. While many actors are trying to build flexibility into the programs, REDD runs the risk of being excessively overarching and falling prey to the vice of becoming a “development fad,” abandoned and reviled a few years later. Given the problems that currently plague the carbon cap and trade markets, this is a real risk for REDD programs specifically and to addressing problems at the “transnational level” in general. Global policies may be unable to deal with resistance on the ground in part, this results from the importance of forest goods in people’s livelihoods and to their wellbeing. Article Five of the Paris Accords helped draw global attention to forests, but most of the language revolves around “wildlands,” rather than working landscapes, and many complexities remain [58,61,62]. Such working woodland areas are crucial for livelihoods and livelihood supplements in rural and urban economies throughout the world, where an estimated billion people are forest-dependent to some degree [33,63,64,65,66]. In a recent transnational set of studies in rural areas, about 30% of the livelihood products—including food, forage, fuel, building materials, and so on—were derived from forest ecosystems [67,68,69,70].

Smaller Scale, Bigger Impact?

Many subnational approaches, such as the 100 Resilient Cities initiative, seem to have more traction on climate justice concerns. As international REDD programs wait to get off the ground, national governments increasingly look to regional forests to offset their own emissions. This actually puts forest questions at the heart of climate justice issues, since most rural development policy increasingly focuses on a few global and regional markets and high-input commodities. While forest policy has garnered increased visibility, attention to it has revolved strongly around conservation and climate. Development policies focused on forest-based rural livelihoods have received less attention, in spite of the best efforts of international organizations such as the Center for International Forestry Research (CIFOR) and La Via Campesina, the international peasant movement for small-scale sustainable agriculture [71,72,73,74].

Access to forests and their products are changing, and traditional uses may be criminalized in some GHG offset regimes [9,53,75,76,77]. Insecure tenure regimes may precipitate land grabs and forest conversion. For this reason, it is essential to work with local communities and with multiple forms of local knowledge in order to design effective systems. We must make sure that carbon offsets do not become a new form of expropriation, assuaging the guilt of GHG gluttons while marginalizing and criminalizing those whose livelihoods depend on functioning forests. This is a critique that is regularly leveled at REDD. Woody systems have the potential to both sequester carbon and help alleviate poverty through subsistence and market goods, although the magnitude remains controversial [78,79,80,81,82].

In the next sections we outline several dynamics that we suggest have important effects for bending the curve. We look at six processes in terms of both how they can mitigate climate change and how they can help people and ecosystems adapt to it. These processes are: 1) slowing deforestation 2) forest resurgence 3) agroforestry and matrix systems 4) urban and peri-urban forests in carbon dynamics and finally 5) the urban waste system and methane management. All these strategies occur within highly conjunctural social, market, institutional, cultural, and environmental conditions of possibility, and all are highly interactive and reactive to economic, environmental, and political volatilities. History, economics, politics, culture, institutions, and questions of epistemology shape these dynamics far more than we imagine.


General Information and Collections

IPCC Graphics ( This site may be offline. ) A collection of graphics that have been created by the Intergovernmental Panel on Climate Change.

IPCC Vital Climate Graphics (more info) Compiled from the second IPCC assessment report, these graphics include causes of climate change and projected impacts such as temperature changes and sea level rise. The figures are browseable by title.

Global Warming Art (more info) Over 130 different images, graphs and photos describing various elements of climate change. Each image has a description, citation and information for reuse.

Global Climate Change Exploratorium (more info) This site, funded by NSF, is the home page for the Global Climate Change research explorer. Multicolor tabs at the top of the page link to further information and visualizations (graphs, charts, pictures, etc.) for climate change resources in each of the Earth's spheres, including: atmosphere, hydrosphere, cryosphere, biosphere, and global effects of climate change.

The Biodiversity: Climate Change (more info) This step-by-step slide show animation, from the International Polar Foundation, deals with the topics of biodiversity and climate change. It lays out the main effects of climate change, i.e. the strengthening of the natural greenhouse effect phenomenon that has been caused by our way of life, and the unprecedented speeding up of rises in temperature compared with the natural periods of warming that have occurred in the past. It also looks at the main consequences of these changes.

National Geographic Map Simulation of Global Warming Effects (more info) This interactive map shows what global environmental problems can arise based on the 2001 IPCC report on climate change. Users can see which problems affect different areas and can click on these areas for more information.

NASA Climate Change Resource Reel (more info) This collection of resources from NASA includes animations and still shots covering a wide range of topics in climate, including the cryosphere, ocean sciences, changes on land, the atmosphere, and satellite images.


The moving of high emission for biomass burning in China: View from multi-year emission estimation and human-driven forces

Biomass burning (BB) has significant impacts on air quality, climate and human health. In China, the BB emission has changed substantially over the past decades while the multi-year variation held high uncertainty and the driving forces have addressed little attention. Here, this research aimed to conduct a comprehensive and systematic analysis of BB variation in China and provided precise and targeted BB emission reduction suggestions. The moving of high emission for BB from 2003 to 2014 was clearly identified, by the view of reliable emission estimation and anthropogenic impacts. Multiple satellite products, field survey, time varying biomass loading data and measured emission factors were adopted to better estimating BB emission and reducing the uncertainty. Social-economic analysis was added to assess the anthropogenic impacts on high emission variation quantitatively. Results showed that the cumulative BB emissions of OC, EC, CH4, NOX, NMVOC, SO2, NH3, CO, CO2, PM2.5 and PM10 during 2003-2014 were 1.6 × 10 4 , 5.64 × 10 3 , 3.57 × 10 4 , 1.7 × 10 4 , 5.44 × 10 4 , 2.96 × 10 3 , 6.77 × 10 3 , 6.5 × 10 5 , 1.15 × 10 7 , 5.26 × 10 4 and 6.04 × 10 4 Gg, respectively. Crop straw burning (in-field and domestic) in northeast China plain (NEP), north China plain (NCP), northern arid and semiarid region and loess plateau were the key sources, averagely contributed 73% for all the pollutants emission. While domestic straw burning and firewood burning in Sichuan basin (SB), Yunnan-Guizhou plateau and southern China were main contributors, averagely accounting for 70% of all the pollutants emission. On regional level, high emissions were mainly found in SB, NCP and NEP. Temporally, high emissions were mainly found in crop sowing harvesting and heating seasons. From 2003 to 2014, the BB emission for different biomass species has changed significantly in different regions. High emission has gradually moved from SB to NCP and NEP. Firewood burning and domestic straw burning emission decreased by 47% and 14% in SB, respectively. In-field straw burning emission increased by 52% and 231% in NCP and NEP respectively and domestic straw burning emission increased by 62% in NEP. Emissions from heating season have decreased while emissions in corn harvest season were continuously increased. Analysis of Environmental kuznets curve, agricultural productivity level, human burning habits, rural energy structure and local control policies revealed the internal human driving strength of the variation for BB emission. The unbalanced development of social economy and the policy bias were primary drivers of limiting the BB management. BB emission will alleviate in NCP and aggravate in NEP. For the further emission reduction, effective measures for corn sources management, straw returning and rural energy utilization should be systematically considered. This research provides a clear evidence for the multi-year variation pattern of BB emissions, which is critical for pollution prediction, air quality modeling and targeted mitigation strategies for the key regions of China.

Raktažodžiai: Biomass burning High emission variation Human-driven forces Multiple satellite data Social-economic analysis.

Copyright © 2020 The Author(s). Published by Elsevier Ltd.. All rights reserved.