Измерение невидимого: сложная задача расчета запасов и потоков углерода в лесу

Поток углерода между лесом и атмосферой в Габоне. Николя Барбье, предоставлено автором

Зеленые легкие. Тропические леса часто называют именно так из-за их огромной способности обменивать CO2 и кислород. Фиксируя CO2, основной парниковый газ, посредством фотосинтеза, эти леса представляют собой важнейшее звено в регулировании глобального климата, а их защита является хорошо известной проблемой как для лиц, принимающих решения, так и для широкой общественности. Но принять во внимание запасы и потоки углерода этих лесов в общем балансе парниковых газов — далеко не простая задача. Это один из наименее изученных блоков движения углерода. Даже запасы и потоки углерода в океане лучше поддаются количественной оценке.

Однако ставки колоссальны. Чтобы избежать будущих скандалов вокруг сохранения этих экосистем, известных как поглотители углерода, системы измерения и мониторинга должны быть надежными и независимыми. В противном случае каждая страна или субъект будет проводить собственную линию и выбирать определения и меры, которые лучше всего соответствуют ее делу, игнорируя реальность или эволюцию лесных экосистем.

Лесной углерод – это не криптовалюта: это конкретная физическая величина, но ее измерение сложное, и оценка может показаться неясной. Когда мы пытаемся объяснить местному населению, что, возможно, однажды они смогут сделать сохранение своего леса прибыльным благодаря ресурсу, спрятанному в деревьях и земле, и при этом не прикасаясь к нему, мы сталкиваемся с определенным недоверием.

Так каких успехов мы уже добились и как лучше всего измерить эти потоки и запасы углерода, которые вызывают столько энтузиазма, а иногда и оппортунизма?

Лесная инвентаризация

Все начинается в лесу с оценки пригодной для лесной промышленности древесины.  Производится она  посредством упрощенной инвентаризации, которую можно применять в больших масштабах.

Поскольку сухое вещество зеленых растений и особенно деревьев наполовину состоит из углерода, количественная оценка запасов этого элемента требует оценки объема каждого дерева и определения его вида. Почему нужно определять  вид дерева? Потому что именно это определяет плотность древесины и, следовательно, количество углерода, сохраняемого в том же объеме.

Очевидно, что количество видов, которые можно встретить в тропическом лесу, таково, что ни один специалист в мире не сможет назвать их все. В тропиках растет не менее 40 000, а возможно и 53 000 видов деревьев, тогда как в Европе с умеренным климатом их всего 124. Поэтому необходимо систематически собирать контрольные гербарии, чтобы проверить принадлежность дерева к определенному виду по образцам, уже сохранившимся в гербариях музеев или университетов. Это тем более важно, поскольку, помимо углерода, биоразнообразие является ключевым параметром, который необходимо учитывать в механизмах сохранения.

Чтобы оценить эволюцию запасов углерода и, следовательно, потоков, входящих и выходящих из леса, эти измерения необходимо регулярно повторять для измерения роста деревьев, подсчета погибших и объединения кустарников, которые достигают минимального размера, начиная с которого дерево учитывается в инвентаризации.

Некоторые меры требуют лазания по деревьям, как это делает Пьер Плотон в Камеруне на фото. Измерение диаметра также может оказаться акробатичным, когда деревья деформируются. Фото предоставлено авторами

Проблема усугубляется тем, что в тропических широтах леса (по-прежнему) обширны, густы и труднодоступны, а в странах часто отсутствует инфраструктура. Когда все в порядке, места, подлежащие инвентаризации, находятся в лучшем случае в нескольких днях пути от столиц. Очевидно, мы не можем измерить весь лес: поэтому мы проводим выборку, как и при электоральных опросах. Обычно отбирается определенное количество участков разумного размера (в идеале эквивалентно двум футбольным полям или от 500 до 1000 деревьев на участке). Критерии, которые следует принимать во внимание при таком отборе (полная случайность или, наоборот, преднамеренный выбор конкретных типов растительности), сами по себе составляют науку, и изменение критериев по ходу дела может сделать весь подход устаревшим. Например, мы говорим, “громадном лесном отклонении” , когда выбранные участки в девственных лесах используются для оценки среднего содержания углерода во всех лесах на территории.

В поле на деревьях производят несложные измерения: диаметр ствола, реже высоту деревьев. Затем мы используем таблицы преобразования, называемые аллометрическими уравнениями, которые позволяют оценить содержание углерода в дереве на основе этих нескольких измерений. Эти уравнения получены путем вырубки и полного взвешивания небольшого количества деревьев. Так как только один из этих гигантов может достигать 160 тонн свежей массы, а взвешивание необходимо проводить прямо в лесу, то может случиться так, что дюжине рабочих понадобится неделя, чтобы взвесить одно дерево.

Процесс взвешивания эталонного дерева. Николя Барбье , предоставлено автором

Поэтому часто используются уравнения из других регионов, что может привести к систематической ошибке. Разрабатываются альтернативы, не наносящие вреда лесу: лазерные сканеры теперь позволяют точно измерять объемы стоящих деревьев. Таким образом, мы смогли составить новые аллометрические уравнения в Камеруне и Демократической Республике Конго, гораздо более эффективно и без потери точности.

Как увеличить масштаб?

Даже при отборе проб получение репрезентативной и актуальной оценки запасов и потоков углерода в масштабе страны или всех тропических лесов путем повторного измерения участков представляет собой серьезную проблему. В последние десятилетия были разработаны методы дистанционного измерения (дистанционное зондирование) для повышения эффективности и меньшей зависимости от опасностей местности. Спутники путешествуют по земному шару день за днём и проводят измерения для оценки (например) изменений состояния поверхности, количества осадков или речного стока.

Космические миссии специально посвящены измерению лесной биомассы, например, миссия BIOMASS Европейского космического агентства, которая ожидает взлета надежной ракеты-носителя, или лазер GEDI на международной космической станции. Тем временем мы вынуждены экстраполировать данные с существующих спутников, которые не обязательно предназначены для того, чтобы видеть сквозь полог густых лесов.

Мозаика инфракрасных спутниковых снимков всей Центральной Африки (спутник MODIS, 10 лет наблюдений). Николя Барбье, предоставлено автором

Потому что дистанционное зондирование напрямую измеряет не углерод или биомассу, а количество света или радиоволн, отраженных объектами. Преобразование этих данных в полезную информацию требует сложных физических или статистических моделей, для которых важны полевые данные. Учитывая нехватку этих данных и ограниченность доступных в настоящее время спутниковых сигналов, уровень несоответствия между некоторыми опубликованными картами иногда может заставить нас улыбнуться, когда мы видим, что средние показатели по стране почти превращаются от простого до удвоенного значения одной карты к другой. . За последнее десятилетие наша команда потратила много времени на анализ источников этих ошибок, часто скрытых в плохих статистических подходах или плохо учтенных инструментальных эффектах.

Действительно, изображения, сделанные в разных условиях освещения или в другой атмосфере, напрямую не сопоставимы. Учитывая постоянную облачность вблизи экватора, мы вынуждены использовать сильно ухудшенные изображения или сборки пикселей, агрегированные из разных изображений. Мы стремились лучше использовать контекстную информацию, такую ​​как форма или текстура видимых объектов, например, для оценки среднего размера крон деревьев. Недавние прорывы в области искусственного интеллекта открывают новые перспективы для более эффективного использования массы данных, полученных со спутника. Фактически, это машина, которая сама определяет наиболее важные критерии для получения желаемой информации независимо от условий съемки.

Однако создания суперкомпьютеров и запуска космических миссий недостаточно. Важно реинвестировать в приобретение данных о земле для получения необходимых справочных данных. Организуются различные международные инициативы, целью которых является поддержка национальной инвентаризации лесов (как мы видели выше) или установка современных калибровочных площадок, которые будут служить ориентиром для спутниковых миссий.

Стефан Момо сканирует лес лазером в Габоне. Фото Николя Барбье.

А остальные компартменты /отсеки, блоки/?

Все, что мы только что описали, позволяет оценить запасы углерода в видимых частях стоящих деревьев. Но мы очень мало знаем об их корнях, углероде, содержащемся в почве, о том, что смывается реками или обменивается с атмосферой. Например, недавно было обнаружено, что торфяники в бассейне реки Конго содержат больше углерода, чем все леса региона.

Чтобы измерить дыхание и фотосинтез наших знаменитых зеленых легких в целом, необходимо, в частности, установить потоковые башни. Эти конструкции, нависающие над пологом на высоте более 60 м (до более 300 м!), несут на себе различные устройства (звуковой анемометр, инфракрасный  анализатор CO2, гигрометр и т. д.), измеряющие газообмен между атмосферой и лесом. Обеспечение электропитанием, обслуживанием и обеспечением безопасности такого оборудования посреди джунглей на протяжении десятилетий само по себе является непростой задачей. Коллеги попробовали сделать это  в Конго в 1990-х годах. Когда они вернулись, алюминий башни был расплавлен и превращен в кастрюли!

На самом деле, мало кто осознает, что, несмотря на климатический кризис, в Африке почти не осталось функционирующей измерительной инфраструктуры. Не хватает даже таких элементарных устройств, как метеостанции! За этими фундаментальными пробелами возникают более глубокие вопросы, например: кто должен нести ответственность за сбор всех этих важных данных: государственные учреждения в странах Юга? Частные промышленные операторы? Конструкторские бюро стран Севера? Что касается нас, мы по-прежнему выступаем за сотрудничество между исследователями и научными учреждениями Севера и Юга, чтобы вместе учиться, используя лучшие доступные технологии. Именно это оправдывает призывы к укреплению исследований, обучения и международного партнерства на Юге или даже к созданию многопрофильных исследовательских центров, занимающихся этими вопросами.

Для чего это ?

Как мы видим, наука делает все возможное, чтобы предложить более строгие и прозрачные подходы к измерению запасов и потоков углерода в тропических лесах в соответствующем масштабе. В конечном итоге это должно позволить избежать повторения грубых или преднамеренных ошибок, таких как случай с Малайзией, который в 2021 году попал в заголовки мировой прессы. В своем ежегодном отчете о парниковых газах она отметила, что ежегодный сток углерода от лесов составляет более 243 миллионов тонн, столько же, сколько у соседней Индонезии, которая, тем не менее, имеет в пять раз больше лесов.

Но если некоторые страны показывают завышенные цифры, то другие их даже не сообщают. Таким образом, хотя некоторые исследователи уже обеспокоены тем, что предел в 1,5 градуса, установленный Парижским соглашением, уже превышен в конце 2023 года, недостаток данных о потоках, запасах и выбросах газов, вызывающих парниковый эффект, остается вопиющим. В начале года только 48 стран уже представили кадастр своих парниковых газов. Это очень мало, учитывая, что в 2024 году 197 стран-участниц Рамочной конвенции ООН об изменении климата теперь будут обязаны представлять ежегодный отчет.

Тщательные измерения потоков и запасов углерода также по-прежнему имеют решающее значение для оценки воздействия проектов по сохранению лесных экосистем. Особенно в контексте их монетизации с помощью углеродных кредитов посредством проектов предотвращения обезлесения или восстановления лесов. И здесь мы должны избегать ловушек, отмеченных в последние десятилетия, когда оказалось, что многие проекты по сохранению лесов не имеют конкретного положительного воздействия.в, вызывающих парниковый эффект, остается вопиющим. В начале года только 48 стран уже представили кадастр своих парниковых газов. Это очень мало, учитывая, что в 2024 году 197 стран-участниц Рамочной конвенции ООН об изменении климата теперь будут обязаны представлять ежегодный отчет.