Giới hạn vai trò của các hạt carbon đen trong hệ thống khí hậu: Đánh giá khoa học
Tóm tắt
Các hạt carbon đen đóng một vai trò đặc biệt và quan trọng trong hệ thống khí hậu của Trái Đất. Carbon đen là một loại vật liệu chứa cacbon với sự kết hợp độc đáo của các tính chất vật lý. Đánh giá này cung cấp một phân tích về tác động khí hậu của carbon đen một cách toàn diện với sự bao gồm tất cả các quá trình được biết đến và có liên quan, cũng như cung cấp các ước lượng tốt nhất và những không chắc chắn của các yếu tố tác động chính: hấp thụ trực tiếp từ ánh sáng mặt trời; ảnh hưởng đến mây dạng lỏng, pha trộn và băng; cũng như sự lắng đọng trên tuyết và băng. Những ảnh hưởng này được tính toán bằng các mô hình khí hậu, nhưng khi có thể, chúng cũng được đánh giá thông qua cả các phép đo vi mô và quan sát thực địa. Các nguồn chính là liên quan đến sự cháy, cụ thể là, nhiên liệu hóa thạch cho giao thông, nhiên liệu rắn cho công nghiệp và sử dụng gia đình, và đốt cháy mở biomass. Tổng lượng khí thải carbon đen toàn cầu theo phương pháp thống kê từ dưới lên vào năm 2000 là 7500 Gg năm−1 với một khoảng không chắc chắn từ 2000 đến 29000. Tuy nhiên, sự hấp thụ khí quyển toàn cầu liên quan đến carbon đen là quá thấp trong nhiều mô hình và nên được tăng lên gần 3 lần. Sau khi điều chỉnh này, ước lượng tốt nhất cho tác động bức xạ trực tiếp của carbon đen trong thời kỳ công nghiệp (1750 đến 2005) là +0.71 W m−2 với khoảng không chắc chắn 90% là (+0.08, +1.27) W m−2. Tổng tác động trực tiếp từ tất cả các nguồn carbon đen, mà không trừ đi nền tảng trước công nghiệp, được ước tính là +0.88 (+0.17, +1.48) W m−2. Tác động bức xạ trực tiếp một mình không thể giải thích các cơ chế điều chỉnh nhanh quan trọng. Một khuôn khổ được mô tả và sử dụng để định lượng các tác động khí hậu, bao gồm cả các điều chỉnh nhanh chóng. Ứớc lượng tốt nhất về tác động khí hậu của carbon đen trong thời kỳ công nghiệp thông qua tất cả các cơ chế tác động, bao gồm cả tác động mây và khí quyển, là +1.1 W m−2 với khoảng không chắc chắn 90% từ +0.17 đến +2.1 W m−2. Do đó, có một xác suất rất cao rằng khí thải carbon đen, độc lập với các loài đồng phát thải, có tác động tích cực và làm ấm khí hậu. Chúng tôi ước tính rằng carbon đen, với tổng tác động khí hậu là +1.1 W m−2, là loại khí thải nhân tạo quan trọng thứ hai về mặt tác động khí hậu trong khí quyển hiện tại; chỉ có carbon dioxide được ước tính có tác động lớn hơn. Các nguồn phát thải carbon đen cũng phát thải các loài ngắn hạn khác có thể làm lạnh hoặc làm ấm khí hậu. Các tác động khí hậu từ các loài phát thải đồng được ước tính và sử dụng trong khuôn khổ được mô tả trong đây. Khi những ảnh hưởng chính của các đồng phát thải ngắn hạn, bao gồm các chất làm lạnh như sulfur dioxide, được bao gồm trong tác động ròng, các nguồn liên quan đến năng lượng (nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh học) có tác động khí hậu trong thời kỳ công nghiệp là +0.22 (−0.50 đến +1.08) W m−2 trong năm đầu tiên sau khi phát thải. Đối với một số nguồn như động cơ diesel và có thể là nhiên liệu sinh học tại nhà, việc loại bỏ tất cả các phát thải ngắn hạn từ những nguồn này sẽ làm giảm tác động khí hậu ròng (tức là, tạo ra làm lạnh). Khi các phát thải từ việc đốt mở, phát thải mức cao của vật chất hữu cơ, được bao gồm trong tổng lượng phát thải, ước lượng tốt nhất về tác động khí hậu ròng trong thời kỳ công nghiệp từ tất cả các loài ngắn hạn từ các nguồn giàu carbon đen trở nên hơi âm (-0.06 W m−2 với khoảng không chắc chắn 90% là -1.45 đến +1.29 W m−2). Những không chắc chắn trong tác động khí hậu ròng từ các nguồn giàu carbon đen rất lớn, chủ yếu là do thiếu kiến thức về các tương tác giữa mây với cả carbon đen và cacbon hữu cơ đồng phát thải. Trong việc ưu tiên các hành động giảm thiểu carbon đen tiềm năng, các yếu tố không liên quan đến khoa học, như khả năng kỹ thuật, chi phí, thiết kế chính sách và khả năng thực hiện, đóng vai trò quan trọng. Các nguồn chính của carbon đen hiện đang ở những giai đoạn khác nhau về khả năng giảm thiểu trong thời gian gần. Đánh giá này, bằng cách đánh giá số lượng lớn và sự phức tạp của các quá trình vật lý và bức xạ liên quan trong tác động khí hậu của carbon đen, đã tạo ra một nền tảng để cải thiện các ước lượng tác động khí hậu trong tương lai.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Aaheim H. A., 2006, Costs savings of a flexible multi‐gas climate policy, Energ. J., 13, 485, 10.5547/ISSN0195-6574-EJ-VolSI2006-NoSI3-25
Arctic Council, 2011, An Assessment of Emissions and Mitigation Options for Black Carbon for the Arctic Council, 173
Battye W. K.Boyer andT. G.Pace(2002) Methods for improving global inventories of black carbon and organic carbon particulates Report No. 68‐D‐98‐046 prepared for U.S. Environmental Protection Agency Research Triangle Park NC by EC/R Inc. Chapel Hill NC.
Bellouin N. andO.Boucher(2010) Climate response and efficacy of snow forcing in the HadGEM2‐AML climate model Hadley Centre Technical Note No. 82 8 pp. Met Office United Kingdom.
Bergstrom R. W., 1973, Extinction and absorption coefficients of the atmospheric aerosol as a function of particle size, Contrib. Atmos. Phys., 46, 223
Berntsen T., 2006, Abatement of greenhouse gases: Does location matter?, J. Climate, 74, 377
Blumberg K. M. P.Walsh andC.Pera(2003) Low‐sulfur gasoline and diesel: The key to lower vehicle emissions Prepared for the International Council on Clean Transportation. (http://www.walshcarlines.com/mpwdocs.html) edited.
Borghesi A., 1991, Handbook of Optical Constants of Solids, Volume II, 449
B. Brunekreef R. Beelen G. Hoek L. Schouten S. Bausch‐Goldbohm P. Fischer B. Armstrong E. Hughes M. Jerrett P. Brandt 2009
Bryden M. D.Still P.Scott G.Hoffa D.Ogle R.Bailis andK.Goyer(2006) Design principles for wood burning cook stoves EPA‐402‐K‐05‐004 Aprovecho Research Center.
Cachier H., 1994, Particulate carbon in Arctic ice, Analusis, 22, M34
CARB, 2009, Technical Support Document: Proposed Regulation for In‐Use On‐Road Diesel Vehicles, 303, Table XIII‐301 pg, 175
Castelvecchi D., 2009, Subcontinental smut: Is soot the culprit behind melting Himalayan glaciers?, Sci. Amer., December, 15
COP‐15(2009) COP‐15 Copenhagen Accord Report of the Conference of the Parties on Its Fifteenth Session Held in Copenhagen From 7 to 19 December 2009. Addendum. Part Two: Action Taken by the Conference of the Parties at Its Fifteenth Session United Nations Framework Convention on Climate Change http://unfccc.int/meetings/copenhagen_dec_2009/items/5262.php2009 2009.
Denman K. L., 2007, Climate Change 2007: The Physical Science Basis, 129
DOE U. S. Department of Energy(2010) Final Rule Technical Support Document: Energy Efficiency Program for Commercial and Industrial Equipment: Small Electric Motors Appendix 15A. Social Cost of Carbon for Regulatory Impact Analysis under Executive Order 12866 13.http://www.epa.gov/oms/climate/regulations/scc‐tsd.pdf.
Elvidge C. D. K.Baugh B.Tuttle D.Ziskin T.Ghoshet M.Zhizhin andD.Pack(2009) Improving satellite data estimation of gas flaring volumes: Year two final report to the GGFR.
Engelbrecht J. P., 2002, The comparison of source contributions from residential coal and low‐smoke fuels, using CMB modeling, Environ. Sci. Technol., 5, 157
EPA, 1992, Particulate Matter Best Available Control Measure Technical Guidance Documents for Prescribed Burning and Fugitive Dust
EPA, 1996, Compilation of Air Pollution Emission Factors
EPA, 2002, A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions
EPA(2005) AirControlNET Version 4.1 Documentation Report Prepared by E.H. Pechan & Associates Inc. Springfield VA.
EPA(2008) Emission Factor Documentation for AP‐42: Section 12.2 Coke Production. Finalized by RTI International for U.S. Environmental Protection Agency. Research Triangle Park NC.
EPA, 2009, Integrated Science Assessment for Particulate Matter
EPA(2009b) Available fromhttp://www.epa.gov/ne/eco/diesel/idling.html.
EPA(2012) Report to Congress on Black Carbon US Environmental Protection Agency Washington DC in preparation.
Federal Law Gazette(2010) First Regulation Implementing the Federal Pollution Control Act Ordinance on Small and Medium‐Sized Combustion Plants—1. BimSchV 26 January 2010 Federal Law Gazette Part I No. 4 Bonn 2010.
Fletcher J. O., 1968, The influence of the Arctic pack ice on climate, Meteor. Monogr., 8, 93
Forster P. et al. (2007) Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing inClimate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changeedited by S. Solomon D. Qin M. Manning Z. Chen M. Marquis K. B. Averyt M. Tignor and H. L. Miller Cambridge University Press New York NY.
Gelencsér A., 2005, Carbonaceous Aerosol, 350
Gloersen P., 1992, Arctic and Antarctic Sea‐Ice, 1978–1987: Satellite Passive‐Microwave Observations and Analysis NASA Publication, SP‐511, 290
Graßl H., 1975, Albedo reduction and radiative heating of clouds by absorbing aerosol particles, Cont. Atmos. Phys., 48, 199
Greentech, 2011, Monitoring of Brick Kilns and Strategies for Cleaner Brick Production in India
Haeberli W., 1977, Sahara dust in the Alps—A short review, Z. Gletscher. Glazialgeol., 13, 206
Hanna R. E.Duflo andM.Greenstone(2012) Up in Smoke: The Influence of Household Behavior on the Long-Run Impact of Improved Cooking Stoves Massachusetts Institute of Technology Department of Economics Working Paper No. 12-10 Social Science Research Network http://ssrn.com/abstract=2039004.
Hegerl G. C., 2007, Climate Change 2007: The Physical Science Basis, 129
Heidenreich R. D., 1968, A test object and criteria for high resolution electron microscopy, J. Appl. Crystallogr., 1, 10.1107/S0021889868004930
Heierli U., 2008, Swiss Agency for Development and Cooperation (SDC)
Heintzenberg J., 2009, Strüngmann Forum Report
Hess W. M., 1993, Carbon Black
Higuchi K., 1977, Isotopes and Impurities in Snow and Ice, IAHS, 95
Hopke P. K., 2010, The application of receptor modeling to air quality data, Pollution Atmosphérique, 91
Houck J. E., 2006, Control Analysis and Documentation for Residential Wood Combustion in the MANE‐VU Region
IPCC, 1990, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): The Scientific Assessment
IPCC(2007) Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change 996 pp. Cambridge University Press Cambridge United Kingdom and New York NY USA.
IPCC(2009) IPCC Expert Meeting on the Science of Alternative Metrics Meeting Report 82 pp. Grand Hotel Oslo Norway.
Johnson T. M., 2011, Tools for Improving Air Quality Management: A Review of Top‐Down Source Apportionment Techniques and Their Application in Developing Countries
Jones H. G., 2001, Snow Ecology, 398
Kandlikar M. C.Reynolds andA.Grieshop(2009) A perspective paper on black carbon mitigation as a response to climate change Report prepared for the Copenhagen Consensus on Climate Copenhagen Consensus Center Frederiksberg Denmark.
Koopmans A., 1997, Regional Consultation on Modern Applications of Biomass Energy, FAO
Lobert J. M., 1991, Global Biomass Burning: Atmospheric, clImatic, and Biospheric Implications
Massey R., 1997, No‐Tillage and Conservation Tillage: Economic Considerations
Montgomery W. D., 2009, An Analysis of Black Carbon Mitigation as a Response to Climate Change, Report Prepared for the Copenhagen Consensus on Climate
Mukunda H. S., 2010, Gasifier stoves—Science, technology and field outreach, Curr. Sci., 98, 627
Nakawo M., 2000, Debris‐Covered Glaciers, 288
NRC, 2011, National Research Council, Climate Stabilization Targets: Emissions, Concentrations, and Impacts Over Decades to Millennia
Ottmar R. D., 2001, Smoke Management Guide for Prescribed and Wildland Fire: 2001 Edition
Park K., 2004, Measurement of inherent material density of nanoparticle agglomerates, J. Nanopart. Res., 6
Penner J. E. et al. (2001) Aerosols: Their direct and indirect effects in IPCC 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change 289–348 pp. Cambridge University Press Cambridge United Kingdom and New York NY USA.
Pruppacher H. R., 1997, Microphysics of Clouds and Precipitation, 954
Quinn P. K., 2011, The impact of black carbon on Arctic Climate, 128
Rasch P. J., 2000, A comparison of scavenging and deposition processes in global models: Results from the WCRP Cambridge Workshop of 1995, Tellus, 52, 1025, 10.3402/tellusb.v52i4.17091
RCP Database(2009) Representative Concentration Pathways (RCP) Database (Version 2.0) International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) http://www.iiasa.ac.at/web‐apps/tnt/RcpDb/dsd?Action=htmlpage&page=about. edited.
Rosen H., 1979, Carbonaceous Particles in the Atmosphere, 229
Schultz M. G. andM.Wooster(2008) Evaluation of a fire radiative power product derived from METEOSAT 8/9 and identification of operational user needs FREEVAL final report Band/Volume 23 Darmstadt Germany.
Smith K. R. R.Uma V. V. N.Kishore K.Lata V.Joshi J.Zhang R. A.Rasmussen andK. A.Khalil(2000a) Greenhouse gases from small‐scale combustion devices in developing countries: Household stoves in India EPA‐600/R‐00‐052 Environmental Protection Agency Research Triangle Park NC.
Smith K. R., 2004, Indoor Smoke From Household Solid Fuels, 1435
Streets D., 2011, Integrated Assessment of Black Carbon and Tropospheric Ozone, 282
UNECE, 1999, Protocol to the 1979 Convention on Long‐Range Transboundary Air Pollution to Abate Acidification, Eutrophication and Ground‐Level Ozone
UNECE(2011) Options for Revising the 1999 Gothenburg Protocol to Abate Acidification Eutrophication and Ground‐level Ozone. ECE/EB.AIR/2011/8 Revised at the 29th Session of the Executive Body of the LRTAP Convention;http://www.unece.org/fileadmin/DAM/env/documents/2011/eb/ebbureau/ece.eb.air.2011.8.‐REVISED_1612am_AK.doc.
UNEP, 2011, Near‐Term Climate Protection and Clean Air Benefits: Actions for Controlling Short‐Lived Climate Forcers, 78
UNEP/WMO, 2011, Integrated Assessment of Black Carbon and Tropospheric Ozone: Summary for Decision Makers, 38
UNEP/WMO, 2011, Integrated Assessment of Black Carbon and Tropospheric Ozone, 282
UNFCCC(1992) United Nations Framework Convention on Climate Change 24 pp. United Nations.
USDA(2005) A strategic assessment of forest biomass and fuel reduction treatments in Western states Gen.Tech.Rep. RMRS‐GTR‐149 U.S. Department of Agriculture Forest Service Rocky Mountain Research Station.
Wang S., 2009, Emission characteristics of fine particles from grate firing boilers (in Chinese), Environ. Sci., 30, 963
Watson J. G., 2005, Summary of organic and elemental carbon/black carbon analysis methods and intercomparisons, Aerosol Air Qual. Res., 5, 65, 10.4209/aaqr.2005.06.0006
WRAP, 2002, Non‐Burning Management Alternatives on Agricultural Lands in the Western United States, Volume II: Non‐Burning Management Alternatives and Implementation Plan Strategies, Western Air Regional Partnership