Пандемия COVID-19 стала непреднамеренным глобальным экспериментом: выбросы ископаемого топлива резко сократились, но как это отразилось на атмосферном CO₂, оставалось неясным. Соседние работы в архиве исследуют биосигнатуры, техносигнатуры и атмосферы экзопланет, а также влияние климата на биосферу, однако данное исследование стоит особняком: оно обращено к Земле и проверяет, можно ли зафиксировать кратковременное антропогенное возмущение в реальном времени. Вопрос важен для систем мониторинга и верификации сокращений выбросов, которые страны обязались достичь по Парижскому соглашению.
Авторы построили цепочку из трёх компонентов. Сначала создали набор данных суточных выбросов ископаемого топлива с высоким пространственным разрешением, объединив страновые оценки Liu et al. (2020) с пространственным распределением ODIAC и суточным циклом TIMES. Затем с помощью модели наземной биосферы VEGAS рассчитали потоки углерода между сушей и атмосферой с часовым шагом, а океанический обмен взяли из климатологии Takahashi с коррекцией по глобальному углеродному бюджету. Эти потоки подали в модель атмосферного переноса GEOS-Chem с разрешением 4°×5° и 47 уровнями, прогнав её с января 2008 по май 2020 года. Для выделения субгодовых аномалий применили метод DCA (Detrending, Climatology, Anomaly): из временного ряда вычли 12-месячное скользящее среднее, затем средний сезонный цикл, и получили отклонения от климатологии. Дополнительно провели три чувствительных эксперимента: BWC (биосфера+погода+COVID), BW (без COVID-эффекта) и B (только биосфера), чтобы разделить вклады факторов.
Модель показала, что в феврале–апреле 2020 года аномалия столбца CO₂ в полосе 50° ю.ш.–50° с.ш. составила −0,13 ppm относительно климатологии 2010–2019 годов. Спутник GOSAT дал сходную картину: падение в марте–апреле оказалось самым большим субгодовым отклонением за последние 10 лет. Чувствительные эксперименты распределили вклад так: COVID-19 — 54%, биосфера — 23%, погода — 23%. В мае аномалия усилилась до −0,36 ppm, в основном за счёт COVID-сокращений и перехода биосферы из источника в сток углерода. На фоновых станциях, таких как мыс Кумукахи на Гавайях, наблюдались аномалии 1–2 ppm, но там доминировали биосфера и погода, а сигнал COVID-19 составлял лишь около 0,2 ppm. В городах картина различалась: в Пекине ожидаемое снижение 5–10 ppm оказалось скрыто погодными флуктуациями, а в Чэнду зафиксировано чёткое ступенчатое падение на 10–20 ppm в день локдауна. Дорожные измерения в Пекине показали снижение придорожного CO₂ на 30 ppm во время карантина по сравнению с доковидным уровнем.
Работа демонстрирует, что современные системы мониторинга углерода способны улавливать кратковременные антропогенные сигналы даже на фоне естественной изменчивости. В отличие от соседних исследований, сосредоточенных на других планетах или долгопериодных трендах, здесь впервые проверена возможность детектирования субгодовой аномалии, вызванной резким сокращением выбросов, с использованием комбинации модели и спутниковых данных. Это укрепляет доверие к методам атрибуции и открывает путь к оперативному мониторингу выполнения климатических обязательств.
Тема может развиваться в сторону повышения пространственного разрешения моделей и более плотного покрытия наблюдениями, особенно в городских районах. Улучшение мезомасштабного моделирования и расширение сетей недорогих датчиков позволят увереннее выделять локальные сигналы сокращения выбросов. Также перспективно использование данных новых спутников, таких как OCO-3 и будущих миссий, для более детального картирования городских шлейфов CO₂.
Результаты повлияют на системы мониторинга и верификации выбросов парниковых газов, а также на разработку политики климатического регулирования на уровне городов и стран.
Следующие шаги включают уточнение моделей городского масштаба, интеграцию большего числа наземных и спутниковых наблюдений, а также разработку методов оперативной атрибуции аномалий CO₂ в реальном времени.
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой разделения антропогенных и природных потоков углерода на коротких временных масштабах. Существующие системы мониторинга хорошо отслеживают годовые и межгодовые изменения, но субгодовые аномалии, вызванные быстрыми изменениями выбросов, остаются на грани детектируемости. Данное исследование показывает, что комбинация моделей и наблюдений может преодолеть этот барьер, но точность атрибуции всё ещё ограничена погодным шумом и неопределённостью биосферных потоков.
Во время локдауна в Пекине придорожная концентрация CO₂ упала на 30 ppm, что эквивалентно удалению с дорог примерно 60% автомобилей. А в Чэнду падение было настолько резким, что напоминало ступеньку на графике, совпавшую с днём китайского Нового года.