Что такое изменение климата и как ядерная энергетика помогает измерять и контролировать его?

Последствия изменения климата видимы и ощутимы повсюду — от таяния ледников и высыхания озер до утраты урожая и повышения рисков для здоровья. Климат того или иного района можно описать как средние погодные условия в течение значительного периода времени, а изменение климата означает перемены в этих моделях погоды. Из-за потепления не только меняются эти модели, но и нарушается природное равновесие и течение нашей повседневной жизни.

По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО), температура в мире выросла примерно на 1,1 градуса Цельсия выше доиндустриального уровня, а последние семь лет были самыми теплыми за всю историю наблюдений. Однако потепление — это только начало.

«Изменение климата меняет облик нашего мира, — говорит старший научный сотрудник ВМО Оксана Тарасова. — Изменение климата влияет на нашу жизнь и имущество, приводя к росту температуры, повышению уровня моря и увеличению интенсивности экстремальных явлений».

На климат влияют и природные факторы, такие как извержения вулканов и гниение растений, однако ученые согласны с тем, что основной причиной изменения климата является деятельность человека. Сжигание органического топлива — в частности, угля, нефти и газа — и расчистка земель и лесов приводят к выбросам парниковых газов (ПГ), таких как углекислый газ (CO₂) и метан, которые улавливают тепло и приводят к повышению температуры.

В последнем докладе ВМО подтверждается, что в 2021 году концентрация парниковых газов достигла рекордно высокого уровня. Мировая концентрация углекислого газа составила 415,7 частей на миллион, что примерно на 50 процентов выше доиндустриального уровня.

«Снижение влияния человека на климат будет способствовать решению проблемы выбросов парниковых газов, — говорит Оксана Тарасова.  — Вопрос в том, как мы можем сделать это наиболее эффективным способом».

Ответ очевиден: с помощью стабильных изотопов.

Стабильные изотопы

Стабильные изотопы представляют собой нерадиоактивные атомы. При помощи ядерных методов измеряются количество и соотношение изотопов в веществе, и с помощью этой информации — изотопной сигнатуры — можно определить их источник.

Чтобы бороться с изменением климата, ученые изучают пробы воздуха и используют ядерные методы для определения источника проблемы. «Нам необходимо понять источники, поглотители, то есть все, что поглощает больше углерода из атмосферы, чем выделяет, и изотопный состав, или изотопную сигнатуру, углекислого газа, — говорит руководитель Лаборатории радиохимии наземной среды МАГАТЭ Манфред Грёнинг.  — Изотопный состав углекислого газа в пробе воздуха можно сравнить с удостоверением личности, которое показывает в результате какого процесса был произведен CO₂  — природного или промышленного».

Определив источник выбросов, можно принять более эффективные и действенные меры по борьбе с загрязнителями и сокращению выбросов ПГ в атмосферу. «В одном районе причиной может быть лесной пожар, в другом — сельскохозяйственная деятельность и порча растений, а в третьем — сжигание органического топлива. Все это обуславливает комплексный характер изменения климата, — отмечает Манфред Грёнинг. — Нам нужно определять эти источники выбросов на научной основе».

Эталонные материалы

Изменение климата не имеет границ и затрагивает все уголки планеты. Единый подход для целей глобального мониторинга зависит от стандартизации измерений изотопов, и именно здесь МАГАТЭ играет важную роль.

«В МАГАТЭ есть эксперты не только по изотопному анализу, но и по разработке эталонных материалов», — говорит специалист МАГАТЭ по эталонным материалам Федерика Камин. Эталонные материалы — это вещественные эталоны, которые используются для калибровки лабораторного оборудования. С 1960-х годов МАГАТЭ разрабатывает и распространяет эталонные материалы для лабораторий, чтобы помочь в обеспечении качества результатов при использовании ядерных аналитических методов.

«При измерении массы ее эталоном является килограмм. При измерении ПГ таким эталоном служат эталонные материалы, позволяющие лабораториям использовать одну и ту же шкалу измерений, независимо от их места нахождения. Именно это нужно для глобальной системы мониторинга», — отмечает Федерика Камин. МАГАТЭ создало эталон карбоната в виде белого порошка, который хранится в небольшой колбе. «Из этого порошкообразного твердого карбоната лаборатории могут производить газообразный диоксид углерода для калибровки своих аналитических приборов», — говорит она.

Чтобы улучшить доступ пользователей к эталонным материалам для работы с CO₂, МАГАТЭ занимается производством газообразных эталонных материалов, которые будет легче использовать лабораториям. «Работы по измерению стабильных изотопов в парниковых газах в атмосфере ведут около 40 лабораторий в мире. И им требуются эталоны, — говорит Федерика Камин.  — Мы разрабатываем три новых эталонных материала для работы с углекислым газом, чтобы их могли использовать больше лабораторий, которые тем самым внесут свой вклад в создание набора высококачественных данных о парниковых газах в мире». Ожидается, что новые эталонные материалы поступят в лаборатории в 2024 году.

Поддержка деятельности Лаборатории

По словам Манфреда Грёнинга, точно измерить концентрацию ПГ в атмосфере и соотношение их изотопов чрезвычайно сложно. Для этого требуется достаточное количество лабораторного оборудования, протоколов и людских ресурсов для обеспечения сопоставимости данных. Только несколько учреждений аттестованы для измерения изотопов, что позволяет отследить выбросы ПГ до самого источника. Чтобы помочь устранить пробелы в глобальных измерениях, МАГАТЭ и ВМО в 2021 году приступили к осуществлению своего первого совместного проекта технического сотрудничества с целью помочь создать потенциал для изотопных измерений, особенно выбросов метана, в Африке, Азиатско-Тихоокеанском регионе, Европе, Латинской Америке и Карибском бассейне.

«В ближайшие десятилетия из-за таяния вечной мерзлоты в атмосферу будет выбрасываться все больше метана», — предупреждает Манфред Грёнинг. В глобальном масштабе понимание того, как может идти высвобождение метана и как он переносится, распадается или разрушается, поможет ученым лучше понимать, какие процессы и меры необходимы для смягчения последствий изменения климата. МАГАТЭ ведет разработку эталонных материалов для работы с газообразным метаном.

Развивая возможности использования изотопных методов для мониторинга измерений, можно собирать больше данных и добавлять их в Глобальную систему атмосферных наблюдений ВМО. Эта программа используется для мониторинга изменений, происходящих с ПГ в атмосфере Земли. «Нам нужно больше измерений и более качественные данные, чтобы понять наши перспективы на годы и десятилетия вперед, — добавил Манфред Грёнинг. — На это потребуется время, но потенциально это может принести значительные результаты», — сказал он.