Потенциал глобального потепления

Сравнение потенциала глобального потепления четырёх парниковых газов

Потенциа́л глоба́льного потепле́ния (ПГП; англ. global warming potential, GWP) — безразмерная метрика, которая позволяет количественно сравнивать вклад разных парниковых газов в изменение климата по отношению к диоксиду углерода (CO₂). ПГП показывает, насколько эффективно единица массы газа нагревает климатическую систему в сравнении с той же массой CO₂. Величина ПГП определяется главным образом двумя факторами: (1) способностью газа поглощать инфракрасное излучение Земли (его радиационной эффективностью) и (2) временем жизни газа в атмосфере.

ПГП формально определяется как отношение интегрального радиационного воздействия от импульсного выброса 1 кг газа к аналогичному воздействию от 1 кг CO₂ за выбранный горизонт времени (например, 20, 100 или 500 лет).

ПГП широко используется в климатологии и климатической политике для сопоставления различных парниковых газов и определения приоритетов их сокращения. Метрика была введена в Первом оценочном докладе МГЭИК (1990 год), а в последующих докладах МГЭИК значения ПГП регулярно пересматривались по мере уточнения моделей и наблюдений.

На основе ПГП рассчитывают эквивалент диоксида углерода (CO₂-экв.), используемый для агрегирования выбросов разных газов.

Определение

Потенциал глобального потепления газа x на горизонте H — это индекс, характеризующий накопленное за время H радиационное воздействие от импульсного выброса единицы массы этого газа относительно воздействия эталонного CO₂. В простом изложении ПГП показывает, сколько тепловой энергии поглотит выброс 1 тонны газа за заданный период времени по сравнению с выбросом 1 тонны CO₂.

ПГП относится к классу «метрик выбросов» (англ. emission metrics): в общем случае такие метрики используются для количественного сравнения сценариев выбросов, а в частном — для оценки относительного вклада отдельного компонента по сравнению с CO₂.

МГЭИК

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) определяет потенциал глобального потепления как индекс, характеризующий радиационное воздействие, накопленное за заданный временной горизонт после импульсного выброса единицы массы вещества, относительно воздействия эталонного диоксида углерода (CO₂). Таким образом, ПГП учитывает как продолжительность пребывания вещества в атмосфере, так и его эффективность в создании радиационного воздействия. В популярном изложении ПГП показывает, сколько энергии поглотит выброс одной тонны газа за определённый период времени по сравнению с выбросом одной тонны CO₂. Чаще всего используется горизонт 100 лет, если явно не указано иное.

Парниковые газы нагревают Землю, поглощая энергию и замедляя её выброс в космическое пространство; их действие часто сравнивают с теплоизоляционным «одеялом». Влияние конкретного газа определяется главным образом двумя параметрами: его радиационной эффективностью (способностью поглощать энергию) и временем жизни в атмосфере. Газы с ПГП больше единицы сильнее прогревают климат, чем такое же количество CO₂ за тот же период, и чем выше ПГП, тем сильнее эффект. Газ с большим временем жизни и относительно низкой радиационной эффективностью может давать больший суммарный вклад в потепление, чем газ с высокой эффективностью, но коротким временем жизни, что отражается в более высоком ПГП у долгоживущих газов с низкой эффективностью излучения.

В отчётах МГЭИК ПГП рассматривается наряду с глобальным температурным потенциалом (GTP) и другими метриками как один из основных показателей для оценки импульсных выбросов и сопоставления их влияния на климат.

История

Идея сводить влияние различных парниковых газов к эквивалентному воздействию CO₂ сформировалась в климатологии в конце 1980-х годов на фоне растущей уверенности в антропогенной природе глобального потепления. К этому времени было показано, что каждый парниковый газ обладает собственной «парниковой силой»: например, метан в расчёте на единицу массы сильнее прогревает атмосферу, чем CO₂, но его концентрация значительно ниже. Для учёта совокупного вклада всех газов предложили использовать единую масштабную величину с CO₂ в качестве эталона и рассчитывать относительное воздействие других газов пропорционально их потенциалам глобального потепления.

В Первом оценочном докладе МГЭИК 1990 года МГЭИК формально ввела метрику ПГП для сопоставления влияния различных парниковых газов на климат, что позволило использовать многогазовый подход в международных переговорах по климату.

Расчётные значения

Потенциал глобального потепления основных парниковых газов на 100-летнем горизонте (по данным МГЭИК, 2014)

ПГП служит коэффициентом, позволяющим приводить оценки выбросов различных газов к сопоставимому виду (например, при составлении национальных кадастров парниковых газов), а также сравнивать варианты сокращения выбросов по секторам экономики и газам. CO₂ по определению имеет ПГП, равный 1 для любого временного горизонта, поскольку используется в качестве эталона. При этом CO₂ очень долго сохраняется в климатической системе: разовое увеличение выбросов приводит к повышенной концентрации, значительная часть которой может сохраняться сотни и тысячи лет. Для сравнения, время жизни метана в атмосфере составляет 11,8 ± 1,8 года.

Актуальные данные

МГЭИК и другие организации периодически пересматривают используемые значения ПГП. Обновления связаны с уточнением научных оценок поглощения энергии и времени жизни газов, а также с изменением уже накопленной атмосферной концентрации, влияющей на дополнительное поглощение энергии отдельной тонной того или иного газа. По состоянию на 2020-е годы наиболее актуальные оценки приведены в Шестом оценочном докладе МГЭИК; для метана используются различающиеся значения ПГП для «ископаемого» и «биогенного» CH₄, отражающие различия в связанных с ними потоках углерода.

Потенциал глобального потепления (GWP) и потенциал изменения глобальной температуры (GTP) основных парниковых газов по данным IPCC AR6

Промышленное обозначение или название	Химическая формула	Потенциал глобального потепления GWP (относительно CO2)			Потенциал изменения глобальной температуры GTP (относительно CO2)		Суммарный потенциал изменения температуры CGTP (лет)
		20 лет (GWP20)	100 лет (GWP100)	500 лет (GWP500)	50 лет (GTP50)	100 лет (GTP100)	50 лет (CGTP50)	100 лет (CGTP100)
Основные парниковые газы
Диоксид углерода	CO2	1	1	1	1	1
Метан (ископаемый)	CH4	82,5 ± 25,8	29,8 ± 11	10,0 ± 3,8	13,2 ± 6,1	7,5 ± 2,9	2823 ± 1060	3531 ± 1385
Метан (биогенный)	CH4	79,7 ± 25,8	27,0 ± 11	7,2 ± 3,8	10,4 ± 6,1	4,7 ± 2,9	2675 ± 1057	3228 ± 1364
Закись азота	N2O	273 ± 118	273 ± 130	130 ± 64	290 ± 140	233 ± 110
Фторсодержащие газы
HFC-32 (дифторметан)	CH2F2	2693 ± 842	771 ± 292	220 ± 87	181 ± 83	142 ± 51	78 175 ± 29 402	92 888 ± 36 534
HFC-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан)	C2H2F4	4144 ± 1160	1526 ± 577	436 ± 173	733 ± 410	306 ± 119	146 670 ± 53 318	181 408 ± 71 365
CFC-11 (трихлорфторметан)	CCl3F	8321 ± 2419	6226 ± 2297	2093 ± 865	6351 ± 2342	3536 ± 1511
PFC-14 (тетрафторметан)	CF4	5301 ± 1395	7380 ± 2430	10 587 ± 3692	7660 ± 2464	9055 ± 3128

Высокий потенциал глобального потепления обычно связан с сильным поглощением инфракрасного излучения и долгим временем жизни газа в атмосфере. Значения ПГП и их изменение с горизонтом сильно различаются для разных веществ. Метан за 100 лет вызывает потепление примерно в 27-30 раз сильнее, чем эквивалентная масса CO₂, а на 20-летнем горизонте его эффект примерно в 80 раз выше. Это связано с тем, что метан очень эффективно поглощает тепло, но сравнительно быстро выводится из атмосферы: в первые десятилетия его вклад очень велик, затем он распадается и перестаёт существенно влиять на климат. Для перфторуглеродов (PFC) ситуация обратная: они крайне устойчивы. Перфторметан (CF₄) имеет время жизни порядка 50 тысяч лет, поэтому его ПГП растёт с увеличением горизонта: с ≈5300 на 20 лет до ≈7380 на 100 лет и более 10 500 на 500 лет. Такие выбросы практически необратимо влияют на климат, поскольку газ почти не разрушается и столетиями продолжает удерживать тепло.

Предшествующие оценки

Значения ПГП являются приближёнными и пересматриваются по мере накопления данных о поглощении энергии, времени жизни и концентрациях газов. Поэтому разные отчёты МГЭИК дают отличающиеся значения для одних и тех же веществ:

Потенциал глобального потепления (GWP100) отдельных парниковых газов по оценкам IPCC

Промышленное обозначение или название	Химическая формула	Потенциал глобального потепления GWP100 относительно CO2
		Второй оценочный доклад (SAR, 1995)	Четвёртый оценочный доклад (AR4, 2007)	Пятый оценочный доклад (AR5, 2013/2014)	Шестой оценочный доклад (AR6, 2021)
Основные парниковые газы
Диоксид углерода	CO2	1	1	1	1
Метан (нефоссильный)ᵃ	CH4	21	25	28	27,0
Метан (фоссильный)ᵃ	CH4	21	—	30	29,8
Закись азота	N2O	310	298	265	273
Трифторид азота	NF3	—	17 200	16 100	17 400
Гексафторид серы	SF6	23 900	22 800	23 500	24 300
Вещества, контролируемые Монреальским протоколом
CFC-11	CCl3F	3 800	4 750	4 660	6 230
CFC-12	CCl2F2	8 100	10 900	10 200	12 500
CFC-13	CClF3	—	14 400	13 900	16 200
CFC-113	CCl2FCClF2	4 800	6 130	5 820	6 520
CFC-114	CClF2CClF2	—	10 000	8 590	9 430
CFC-115	CClF2CF3	—	7 370	7 670	9 600
Карбон тетрахлорид (тетрахлорметан)	CCl4	1 400	1 400	1 730	2 200
Метилхлороформ (1,1,1-трихлорэтан)	CH3CCl3	100	146	160	161
Метилбромид	CH3Br	5	5	2	2,43
Полностью фторированные соединения (пример)
Перфторметан	CF4	6 500	7 390	6 630	7 380
Перфторэтан	C2F6	9 200	12 200	11 100	12 400
Перфторпропан	C3F8	7 000	8 830	8 900	9 290
Перфторциклобутан	c-C4F8	8 700	10 300	9 540	10 200
Перфторбутан	C4F10	7 000	8 860	9 200	10 000
Перфторпентан	C5F12	7 500	9 160	8 550	9 220
Перфторгексан	C6F14	7 400	9 300	7 910	8 620
Перфтордекан	C10F18	—	>7 500	7 190	7 480

Методы расчёта

Глобальный потенциал потепления рассчитывается на основе физических моделей атмосферного воздействия газов. Чтобы получить ПГП, исследуют импульсный выброс 1 кг газа и прослеживают, как со временем изменяется дополнительное радиационное воздействие (форсинг) от этого выброса. Затем интегрируют это воздействие за выбранный период времени и сравнивают с аналогичным интегралом для 1 кг CO₂. Таким образом, показатель представляет собой отношение двух интегралов — числителя для исследуемого газа и знаменателя для CO₂. Такой подход позволяет учесть как разницу в способности газов поглощать излучение, так и разницу в их долговечности в атмосфере. Иногда учитываются и косвенные эффекты, такие как воздействие газа на озоновый слой или образование облаков, но это сложнее и не всегда включается в стандартные расчёты ПГП.

Формальное определение

Для расчётов сначала оценивают радиационный форсинг ΔF (Вт/м²) — количество дополнительного теплового излучения, удержанного в климатической системе из-за выброса. $$\Delta F_{x}(t)=a_{x}\cdot C_{x}(t)$$ где:

• $\Delta F_{x}(t)$ — радиационное воздействие (форсинг) от газа x в момент времени t;
• $a_{x}$ — радиационная эффективность газа x;
• $C_{x}(t)$ — оставшаяся доля (концентрация) от единичного импульсного выброса газа x через время t.

Радиационное воздействие газа (а значит, и его вклад в ПГП) зависит не только от его времени жизни, но и от того, на каких длинах волн он поглощает инфракрасное излучение Земли. Даже если газ обладает высокой радиационной эффективностью (то есть хорошо поглощает ИК-излучение), его реальный вклад в радиационный форсинг будет ниже, если он поглощает в тех диапазонах спектра, где атмосфера уже и так непрозрачна из-за присутствия других парниковых газов, особенно водяного пара и CO₂. Наибольшее дополнительное потепление вызывает газ, поглощающий в атмосферном окне — диапазоне длин волн (примерно от 8 до 12 мкм), где тепловое излучение Земли может беспрепятственно покидать атмосферу. Если газ «закрывает» это окно, он перехватывает излучение, которое раньше уходило в космос, тем самым увеличивая радиационный форсинг. В расчётах радиационного воздействия используются спектрально детализированные модели, учитывающие, в каких участках спектра и насколько сильно газ поглощает, а также перекрытие с другими газами.

Зная радиационный форсинг, рассчитывают абсолютный ПГП — это интеграл форсинга за заданный период H. Тогда потенциал глобального потепления газа x на горизонте H определяется как отношение абсолютного ПГП этих двух газов: $${\mathit {GWP}}_{x}(H)={\frac {{\mathit {AGWP}}_{x}(H)}{{\mathit {AGWP}}_{CO_{2}}(H)}}={\frac {\int _{0}^{H}a_{x}\cdot C_{x}(t)\,dt}{\int _{0}^{H}a_{CO_{2}}\cdot C_{CO_{2}}(t)\,dt}}$$ где:

• $a_{x}$ — радиационная эффективность газа x, измеряемая в ваттах на квадратный метр на единицу концентрации (Вт⋅м⁻²⋅ppb⁻¹); определяется с учётом его спектральных свойств и положения полос поглощения относительно «окон» в атмосфере. Если $a_{x}$ велика именно потому, что газ поглощает в прозрачном диапазоне (окне), то его вклад в ПГП будет особенно заметным, даже при низкой концентрации.
• $C_{x}(t)$ — доля первоначального импульсного выброса газа x, остающаяся в атмосфере в момент времени t;
• $H$ — выбранный временной горизонт интегрирования (например, 20, 100 или 500 лет);
• $a_{CO_{2}}$ — радиационная эффективность диоксида углерода (эталонного газа);
• $C_{CO_{2}}(t)$ — функция отклика атмосферы на импульсный выброс CO₂, отражающая долю выброса, находящуюся в атмосфере в момент времени t.

При выводе стандартного индекса ПГП делается ряд упрощающих допущений: (1) весовая функция по времени принимается равной 1 до выбранного горизонта и 0 после него; (2) рассматривается импульсный выброс именно 1 кг газа; (3) функция воздействия I(ΔC) отождествляется с глобальным средним радиационным воздействием; (4) предполагается, что климатический отклик одинаков для всех механизмов радиационного воздействия; (5) результат оценивается относительно базы «современной концентрации» (то есть воздействие базового сценария принимается за ноль). Эти упрощения, а также необходимость выбора временного горизонта и весовых функций становятся источником дискуссий о свойствах ПГП и его пригодности для различных задач.

Поскольку все расчёты ПГП основаны на сравнении с эталонным CO₂, особенности отклика климатической системы на импульс выброса CO₂ влияют на значения ПГП для всех газов. Функция $C_{CO_{2}}(t)$ убывает не по простой экспоненте, а по более сложному закону. Часть выброшенного CO₂ (порядка половины) поглощается сравнительно быстро (в течение десятилетий), но значительная доля (около 20-40 %) остаётся в атмосфере на столетия и даже тысячелетия. Поэтому у CO₂ нет единого «времени жизни» — вместо этого используют импульсную функцию ответа (например, многокомпонентную экспоненту в моделях глобального углеродного цикла). Для приближённых расчётов применяются усреднённые параметры, однако МГЭИК подчёркивает, что долговременный «хвост» CO₂ принципиально важен для оценки его кумулятивного влияния на климат.

Приложения

Диаграмма общих выбросов парниковых газов по данным EDGAR (агрегирование по 100-летнему ПГП, AR5)

Эквивалент диоксида углерода

Основная статья: Эквивалент диоксида углерода

Эквивалент диоксида углерода (CO₂-экв.) — производная величина, переводящая выбросы разных парниковых газов в общую шкалу по их эквивалентному воздействию на климат. Пересчёт основан на потенциале глобального потепления, чаще всего на 100-летнем горизонте (ПГП_₁₀₀): масса выброса газа умножается на его ПГП_₁₀₀, чтобы получить CO₂-эквивалент; так, выброс 1 тонны метана (CH_₄) за 100 лет даёт суммарное потепление, сопоставимое с ~27-30 тоннами CO₂. Использование CO₂-эквивалента позволяет суммировать разнотипные выбросы и сравнивать их на единой количественной основе. Этот показатель применяется от национальных кадастров парниковых газов до корпоративных инвентаризаций выбросов и целей по их сокращению.

Киотский протокол

Потенциал глобального потепления был принят Рамочной конвенцией ООН об изменении климата в качестве стандартной метрики для многогазового подхода и получил практическое применение в Киотском протоколе. Для агрегирования выбросов разных газов Протокол предписал использовать коэффициенты ПГП, одобренные международным научным сообществом. В статье 5.3 указано, что при расчёте CO₂-эквивалентности должны применяться значения ПГП, принятые МГЭИК и утверждённые на 3-й Конференции Сторон РКИК (COP-3).

Практически это означало использование коэффициентов Второго оценочного доклада МГЭИК 1995 года (SAR) — они были закреплены Решением 2/CP.3 и применялись всеми странами при отчётности и оценке выполнения обязательств в первый период. Это позволило гибко распределять усилия по сокращению выбросов между газами и отраслями, ориентируясь на максимальный климатический эффект. В 2011—2013 годах был согласован переход к значениям ПГП из Четвёртого оценочного доклада МГЭИК (AR4).

Киотские механизмы — международная торговля квотами, совместное осуществление и механизм чистого развития — также оперировали тоннами CO₂-экв., пересчитанными через ПГП в эквивалент CO₂, по которым выдавались кредиты (например, CER в CDM).

Парижское соглашение 2015 года

Правила транспарентности Парижского соглашения закрепили использование 100-летних ПГП из Пятого оценочного доклада МГЭИК (AR5, 2013 год) для национальных инвентаризаций и целей развития. При этом странам разрешено дополнительно представлять справочную информацию, рассчитанную по другим метрикам по своему выбору, например по 20-летнему ПГП или глобальному температурному потенциалу (GTP).

Альтернативы и критика

В большинстве стран в качестве меры относительного воздействия различных парниковых газов в основном используется 100-летний ПГП. Основная критика данной практики касается фиксированного горизонта времени и интегрального характера ПГП. Период 100 лет был изначально выбран достаточно условно — как компромисс между учётом краткосрочного и долговременного эффектов. Сторонники более жёсткой политики по метану подчёркивают важность ближайших десятилетий и продвигают использование ПГП₂₀, при котором CH₄ примерно втрое «дороже» (около 81-83 против 27-30). Как и в случае ПГП₁₀₀, этот показатель основан на энергии, поглощённой газом, но только за 20 лет. Такой горизонт усиливает вклад короткоживущих газов и почти не учитывает эффекты после 20-летнего периода. Поскольку все ПГП рассчитываются относительно CO₂, значения для газов с временем жизни короче, чем у CO₂, становятся больше при сокращении горизонта, а для очень долгоживущих газов — наоборот, уменьшаются. Так, для CH₄ 100-летний ПГП составляет 27-30, что значительно ниже 20-летнего ПГП 81-83, тогда как у CF₄ с временем жизни ~50 000 лет 100-летний ПГП 7380 выше 20-летнего ПГП 5300.

Кроме того, традиционный ПГП₁₀₀ по определению основан на разовом выбросе (импульсе) газа в начальный момент. В реальных условиях многие источники выбрасывают газы не импульсно, а в виде устойчивого потока, и климатическая реакция на кумулятивные загрязнители, такие как CO₂, и краткоживущие климатические загрязнители (SLCP), такие как метан, принципиально различается. В частности, для метана важна не только интегральная энергия за 100 лет, но и то, что при стабильном уровне эмиссий его концентрация быстро достигает квазистационарного состояния (поскольку метан распадается примерно за 12 лет). Продолжая ежегодно выбрасывать одинаковое количество CH₄, человечество поддерживает повышенную температуру, но не усиливает её бесконечно. Напротив, в случае CO₂ каждое новое количество остаётся в атмосфере к уже накопленному — при постоянных эмиссиях CO₂ температура будет расти практически линейно с годами, тогда как при постоянных эмиссиях CH₄ — выходить на плато. Стандартный ПГП₁₀₀ не отражает этой разницы и, по мнению ряда исследователей, может вводить в заблуждение при оценке стратегий сокращения выбросов.

Другой альтернативной метрикой является глобальный температурный потенциал (ГТП). В то время как ПГП измеряет количество тепла, поглощённого за определённый период времени в результате выбросов газа, ГТП измеряет изменение температуры в конце этого периода (опять же относительно CO₂). Расчёт ГТП сложнее, чем расчёт ПГП, поскольку требует моделирования реакции климатической системы на повышение концентрации парниковых газов (чувствительности климата) и скорости реакции системы (частично основанной на поглощении тепла океаном).

В 2010-х годах была предложена модифицированная метрика так называемого ПГП^* (GWP-star). Эта методика была разработана учёными Оксфордского университета для более корректного учёта меняющихся со временем выбросов короткоживущих газов. Идея GWP^* состоит в том, чтобы связать текущее изменение скорости эмиссий с эквивалентным «кумулятивным» выбросом CO₂. Если обычный ПГП приравнивает импульсный выброс метана к определённой массе CO₂, то GWP^* приравнивает устойчивый прирост/убыль потока метана к эквивалентной серии выбросов CO₂, приводящей к тому же приращению потепления. Например, увеличение эмиссий CH₄ на 1 тонну в год в течение 20 лет GWP^* может трактовать как однократный дополнительный выброс нескольких сотен тонн CO₂, оказавший аналогичный эффект на пик температуры. Напротив, сокращение метановых выбросов сравнимо с эквивалентным изъятием CO₂ из атмосферы (отрицательным выбросом), что признаёт привносимый охлаждающий эффект стабилизации или снижения CH₄. Однако эта метрика пока сложна для внедрения в отчётность: она не назначает газу одного постоянного «коэффициента», а требует знания тренда выбросов.

См. также

• Углеродный след
• Загрязнение атмосферы Земли
• Глобальное потепление
• Озоновая дыра

Литература

• Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.). — Cambridge: Cambridge University Press, 2021. — 2391 с. — ISBN 9781009157896.

Ссылки

• Global Warming Potentials  (англ.)