Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) провели подробное исследование эффектов отражательной способности при преобразовании земли для выращивания биотопливных культур.
Их исследование является частью общего анализа выбросов парниковых газов в результате изменений в землепользовании: случаев, когда земли, которые ранее были лесами, лугами или пастбищами, преобразуются для выращивания биотопливных культур. Исторически эти виды анализа учитывали только изменения количества углерода, запасенного в почве и растительности этих земель.
Новый анализ, опубликованный в журнале Energy & Environmental Science Королевского химического общества, включает дополнительный эффект изменений в отражательной способности, или «альбедо». Эффекты альбедо суммируют количество поступающей солнечной энергии, которая отражается обратно в космос; эти изменения, наряду с множеством других факторов, в свою очередь, способствуют изменению выбросов парниковых газов.
Хотя данные сильно различаются, результаты показывают, что когда участок земли меняется для выращивания биотоплива, эффекты альбедо также меняются. Когда учитываются только эффекты изменения альбедо, исследователи обнаружили, что земля, переоборудованная для производства кукурузного этанола, оказала чистое охлаждающее воздействие на климат. Для сравнения, земля, которая была преобразована для выращивания мискантуса и проса, двух других растительных источников биотоплива следующего поколения, имела чистый эффект потепления. Но при изменении накопления углерода, другом ключевом эффекте изменения землепользования, также принимается во внимание, этанол кукурузы и проса проявляет чистый эффект потепления, связанный с изменением землепользования, тогда как этанол травы мискантуса проявляет чистый охлаждающий эффект.
В работе, проведенной исследователями из Аргоннского отдела энергетических систем и наук об окружающей среде, подчеркивается важность учета изменений в отражательной способности при оценке воздействия производства биотоплива на климат, вызванного изменениями в землепользовании.
«Наш анализ помогает составить более полную картину влияния производства сырья для биотоплива на климат», - сказал Хао Цай, аналитик по вопросам окружающей среды из Аргонны и ведущий автор исследования.
Цай и его команда начали свои исследования со сбора данных о земном покрове и альбедо, собранных со спутников Министерства сельского хозяйства США и НАСА соответственно. Они нанесли на карту данные об альбедо, связанные с конкретными типами земель - скажем, кукурузными полями или прериями. Затем они запустили симуляции, в которых преобразовали различные типы земель для выращивания кукурузы, мискантуса и проса, и посмотрели, что произойдет в результате с альбедо и с общим охлаждением или потеплением атмосферы.
В отличие от предыдущих исследований эффектов изменения землепользования на альбедо, в ходе которых анализировалось не более 20 участков конкретных типов земель, команда исследовала миллионы участков в более чем тысяче округов США, охватив 70 процентов территории страны. кукурузные поля.
«Еще один фактор, который отличает это исследование, - это особый подход к моделированию, используемый для моделирования эффекта альбедо в более мелком масштабе и обеспечения более надежного анализа данных», - сказал Ян Фэн, специалист по атмосфере и климату, участвовавший в исследовании.
Модель позволила Фэну и его коллегам изучить динамику альбедо миллионов участков земли по отдельности в квадратах со стороной всего 500 метров (5382 фута).
Проанализировав большое количество участков в деталях, исследователи смогли принять во внимание специфические для них вариации, чтобы лучше представить эффекты альбедо в своем анализе. Эффекты альбедо у культур кукурузы, мискантуса и проса различаются отчасти из-за различий в их размере и форме, а также факторов роста и окружающей среды, которые могут сильно различаться от одного участка к другому.
Альбедо также значительно различалась в зависимости от типа земли, которая была преобразована. Например, у леса было самое низкое альбедо по сравнению с другими растительными покровами, такими как кустарники и пастбища, находящиеся в той же агроэкологической зоне.
Величина площади переустроенных земель, определенная экономическим моделированием, также различалась. Например, когда исследователи сравнили производство мискантуса и проса, необходимого для производства данного объема биотоплива, они обнаружили, что преобразование земли в мискантус имеет более низкий эффект альбедо потепления по сравнению с просом. Одной из причин этого является тот факт, что мискантусу требуется меньше земли, чем просу, для получения такого же объема этанола, потому что мискантус дает более высокие урожаи.
Исследователи использовали вычислительные ресурсы Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), пользовательского центра Министерства энергетики США, для обработки и визуализации данных об альбедо и земном покрове.
Высокопроизводительные вычислительные ресурсы ALCF были критически важны для нашего анализа, основанного на объеме данных, с которыми мы работали. Объект предоставляет мощные и полезные инструменты для рассмотрения эффектов альбедо поверхности, вызванных изменениями в землепользовании, в анализе жизненного цикла. биотоплива» был поддержан Управлением Министерства энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии.