DOI: https://doi.org/10.5194/acp-24-13681-2024
تاريخ النشر: 2024-12-11
المؤلف: Masaru Yoshioka وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
لقد أدت اللائحة لعام 2020 التي تحد من محتوى الكبريت في وقود الشحن إلى تقليل انبعاثات الكبريت بنسبة تقارب 80% عبر المحيطات المفتوحة العالمية، مما أثر بشكل كبير على مستويات الهباء الجوي التي تؤثر على الإشعاع الشمسي وخصائص السحب. تستخدم هذه الدراسة نموذج المناخ HadGEM3-GC3.1-LL لتقييم آثار اللائحة على الهباء الجوي والمناخ، مقدرةً تأثير الإشعاع الفعال العالمي للهباء الجوي بمقدار 0.13 واط م\(^{-2}\). تمثل هذه القيمة زيادة إضافية بنسبة 50% في التأثير الإيجابي الصافي مقارنةً بتقليل جميع الهباء الجوي الناتج عن الأنشطة البشرية من أواخر القرن العشرين حتى ما قبل عام 2020.
تتوقع المحاكاة التي أجريت للفترة من 2020 إلى 2049 ارتفاعًا عالميًا متوسطًا بمقدار 0.04 كلفن. ومع ذلك، فإن التأثير الحالي لانبعاثات الشحن المنخفضة لا يزال غير مؤكد بسبب التباين الذي يخفي تأثيراته. تشير النتائج إلى أن هذا التخفيض قد يكون قد التزم المناخ بالفعل بتجاوز عتبة 1.5 كلفن المحددة في اتفاقية باريس أو قد يفسر جزئيًا الزيادة السريعة الأخيرة في درجات الحرارة العالمية. من الجدير بالذكر أن تأثير الاحترار هو الأكثر وضوحًا في القطب الشمالي، مع زيادات متوسطة تبلغ 0.15 كلفن عبر المنطقة و0.3 كلفن في القطاع الأطلسي، مما يشير إلى زيادة تزيد عن 10% في إجمالي الاحترار الناتج عن الأنشطة البشرية منذ العصور الصناعية السابقة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على المساهمة الكبيرة لانبعاثات الشحن في مستويات ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) العالمية، حيث تمثل حوالي 10-13 Tg سنويًا، أو 14% من إجمالي انبعاثات SO₂ العالمية. تؤدي أكسدة SO₂ في الغلاف الجوي إلى تكوين هباءات الكبريتات، التي تؤثر على ميزانية الطاقة للأرض من خلال تغيير تشتت الإشعاع وخصائص السحب. من الجدير بالذكر أن انبعاثات السفن يمكن أن تخلق مسارات سفن مرئية في سحب الستراتوكومولوس البحرية، على الرغم من أن معظم الانبعاثات تتشتت بشكل أكثر دقة، مما لا يزال يؤثر على تفاعلات الهباء الجوي والسحب ويساهم في تلوث الهواء، خاصة في المناطق الساحلية، مما يؤدي إلى وفاة مبكرة تقدر بحوالي 400,000 حالة سنويًا.
استجابةً لهذه المخاوف البيئية والصحية، قامت المنظمة البحرية الدولية (IMO) بتنفيذ لوائح صارمة بشأن انبعاثات الكبريت، حيث خفضت الحد الأقصى لمحتوى الكبريت في الوقود من 3.5% إلى 0.5% على مستوى العالم وإلى 0.1% في المناطق المحددة للتحكم في انبعاثات الكبريت (SECAs). من المتوقع أن تمنع هذه التغييرات التنظيمية حوالي 600,000 حالة وفاة مبكرة في السنوات القادمة. لتقييم تداعيات هذه اللوائح على التركيب الجوي والمناخ، قام المؤلفون بإجراء مجموعتين من محاكاة نماذج المناخ المتصلة، مقارنةً بين السيناريوهات مع وبدون تخفيضات الانبعاثات التي فرضتها المنظمة البحرية الدولية.
الطرق
في هذه الدراسة، صمم المؤلفون مجموعتين من المحاكاة لمدة 35 عامًا للتحقيق في تأثير التغيرات في انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) من الشحن من 2015 إلى 2049. تستند المحاكاة إلى إطار عمل ScenarioMIP SSP1-2.6، مع التركيز على آثار لائحة المنظمة البحرية الدولية لعام 2020، التي فرضت تخفيضًا في انبعاثات SO₂ من الشحن. يعكس السيناريو الأول، المسمى SHIP20، تخفيضًا إلى 20% من انبعاثات ما قبل عام 2020، بينما يحافظ السيناريو المضاد، SHIP100، على مستويات انبعاثات عام 2015 طوال فترة المحاكاة. استخدم المؤلفون سيناريو ECLIPSE v6b لانبعاثات الهباء الجوي الكربوني الأولي وأدرجوا انبعاثات إضافية من حرق الكتلة الحيوية والمصادر البيولوجية وفقًا لسيناريو SSP1-2.6.
لضمان قوة نتائجهم، أنشأ المؤلفون 12 زوجًا من المحاكاة تحت كل سيناريو انبعاث، بدءًا من ظروف أولية متباينة قليلاً مستمدة من نموذج HadGEM3-GC3.1-LL. تهدف هذه الطريقة إلى تقليل التحيز في العينة وتسمح بفحص شامل للاستجابة المناخية العابرة على مدى الزمن المحدد. من الجدير بالذكر أن الدراسة لا تأخذ في الاعتبار تخفيضات الانبعاثات المرتبطة بجائحة COVID-19، حيث تعتبر هذه غير ذات أهمية للتحليل العقدي الجاري.
النتائج
تشير النتائج إلى انخفاض كبير في حمل عمود الهباء الجوي الكبريتي بين سيناريوهات SHIP100 وSHIP20، مع انخفاض عالمي متوسط قدره 0.14 ملغ م$^{-2}$، مما يمثل انخفاضًا بنسبة 4.6% في SHIP100. يتركز هذا الانخفاض مكانيًا في المناطق ذات الانبعاثات الكبريتية العالية، ولا سيما في جنوب شرق آسيا، البحر الأبيض المتوسط، وشبه الجزيرة العربية. تم تقدير التأثير الإشعاعي الفعال (ERF) المرتبط بهذه التغييرات بمقدار 0.128 واط م$^{-2}$، وهو ما يمثل حوالي 50% من إجمالي انخفاض ERF الناتج عن الأنشطة البشرية الذي لوحظ منذ التسعينيات، على الرغم من أن تخفيضات الانبعاثات تمثل فقط 14% من إجمالي انبعاثات SO$_2$ العالمية.
تكشف تحليلات درجات الحرارة عن اتجاهات احترار ذات دلالة إحصائية في الثلاثينيات والأربعينيات عبر مناطق مختلفة، بما في ذلك المحيط الهندي الشرقي الاستوائي، البحر الأبيض المتوسط، وشمال أمريكا الشمالية، مع نمط الاحترار الذي يشبه ظروف لا نينا. يساهم انخفاض انبعاثات الكبريت من الشحن في احترار إضافي قدره 0.04-0.05 كلفن في العقود التالية، مع تباين موسمي ملحوظ، حيث يكون أكثر وضوحًا في الصيف الشمالي. قد يؤثر هذا الاحترار الإضافي على احتمال وصول درجات الحرارة العالمية إلى 2.0 كلفن بحلول الأربعينيات، خاصة في نصف الكرة الشمالي حيث تتعزز آثار انخفاض تحميل الهباء الجوي خلال فترات الإشعاع الشمسي المكثف.
المناقشة
تستخدم الدراسة نموذج HadGEM3-GC3.1-LL لتحليل تأثيرات المناخ لانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) من الشحن، مما يبرز التفاعلات المعقدة بين الانبعاثات الناتجة عن الأنشطة البشرية والتغيرات الطبيعية في المناخ. يتضمن النموذج أنواعًا مختلفة من الهباء الجوي، بما في ذلك الكربون الأسود والكبريتات، ويحاكي تفاعلاتها الميكروفزيائية. تم تقدير التأثير الإشعاعي الفعال (ERF) من هذه الهباءات من خلال محاكاة نموذج UKESM1، مما يكشف أن استجابة المناخ لتخفيضات SO₂ قد تستغرق عدة سنوات لتظهر. تعقد هذه الاستجابة المتأخرة تفسير الاتجاهات الحالية في الاحترار، خاصة في ضوء التباين الكبير من عام إلى عام الذي تؤثر عليه ظواهر مثل النينيو.
تشير النتائج إلى أن تأثير المناخ لتخفيضات SO₂ من الشحن قد يساهم في احترار إضافي يتراوح بين 0.04 إلى 0.05 كلفن، وهو أمر ذو صلة خاصة عند النظر في الأهداف العالمية لدرجات الحرارة البالغة 1.5 كلفن و2 كلفن. كان عام 2023 أكثر دفئًا بشكل ملحوظ، مع زيادة قدرها 1.45 كلفن فوق المستويات ما قبل الصناعية، مما يثير القلق من أن تخفيضات SO₂ الأخيرة قد تعيق الجهود لتحقيق هذه الأهداف. تشير الدراسة أيضًا إلى أن الأنماط المكانية للاحتباس الحراري، خاصة في المنطقة الهادئة، تشبه نمط “لا نينا في المحيط الهادئ المركزي”، مما قد يؤثر على التغيرات المناخية الإقليمية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الآثار طويلة الأمد لتخفيضات انبعاثات SO₂ على كل من الديناميات المناخية العالمية والإقليمية، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في دورها في التغيرات الشديدة الأخيرة في درجات الحرارة والتباين.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-24-13681-2024
Publication Date: 2024-12-11
Author(s): Masaru Yoshioka et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
The 2020 regulation limiting sulfur content in shipping fuel has led to an approximately 80% reduction in sulfur emissions over global open oceans, significantly impacting aerosol levels that influence solar radiation and cloud properties. This study utilizes the HadGEM3-GC3.1-LL climate model to assess the regulation’s effects on aerosols and climate, estimating a global aerosol effective radiative forcing of 0.13 W m\(^{-2}\). This figure represents an additional 50% increase in net positive forcing compared to the reduction of all anthropogenic aerosols from the late 20th century to pre-2020.
Simulations conducted for the period 2020-2049 predict a global mean warming of 0.04 K. However, the current impact of reduced shipping emissions remains uncertain due to variability masking its effects. The findings suggest that this reduction may have already committed the climate to exceed the 1.5 K threshold set by the Paris Agreement or could partially explain the recent rapid increase in global temperatures. Notably, the warming effect is most pronounced in the Arctic, with mean increases of 0.15 K across the region and 0.3 K in the Atlantic sector, indicating a more than 10% rise in total anthropogenic warming since pre-industrial times.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant contribution of shipping emissions to global sulfur dioxide (SO₂) levels, accounting for approximately 10-13 Tg yr⁻¹, or 14% of total global SO₂ emissions. The oxidation of SO₂ in the atmosphere leads to the formation of sulfate aerosols, which influence the Earth’s energy budget by altering radiation scattering and cloud properties. Notably, ship emissions can create visible ship tracks in marine stratocumulus clouds, although most emissions disperse more subtly, still affecting aerosol-cloud interactions and contributing to air pollution, particularly in coastal regions, resulting in an estimated 400,000 premature deaths annually.
In response to these environmental and health concerns, the International Maritime Organization (IMO) has implemented stringent sulfur emission regulations, reducing the maximum fuel sulfur content from 3.5% to 0.5% globally and to 0.1% in designated sulfur emission control areas (SECAs). These regulatory changes are projected to prevent approximately 600,000 premature deaths in the coming years. To assess the implications of these regulations on atmospheric composition and climate, the authors conducted two ensembles of coupled climate model simulations, comparing scenarios with and without the emissions reductions mandated by the IMO.
Methods
In this study, the authors designed two 35-year ensembles of simulations to investigate the impact of changes in shipping sulfur dioxide (SO₂) emissions from 2015 to 2049. The simulations are based on the ScenarioMIP SSP1-2.6 framework, with a focus on the effects of the International Maritime Organization’s 2020 regulation, which mandated a reduction in shipping SO₂ emissions. The first scenario, termed SHIP20, reflects a reduction to 20% of pre-2020 emissions, while the counterfactual scenario, SHIP100, maintains 2015 emission levels throughout the simulation period. The authors utilized the ECLIPSE v6b scenario for emissions of primary carbonaceous aerosols and incorporated additional emissions from biomass burning and biogenic sources according to the SSP1-2.6 scenario.
To ensure robustness in their findings, the authors created 12 pairs of simulations under each emission scenario, starting from slightly varied initial conditions derived from the HadGEM3-GC3.1-LL model. This approach aims to mitigate sampling bias and allows for a comprehensive examination of the transient climate response over the specified timescale. Notably, the study does not account for emission reductions associated with the COVID-19 pandemic, as these are deemed insignificant for the decadal analysis being conducted.
Results
The results indicate a significant reduction in sulfate aerosol column burden between the SHIP100 and SHIP20 scenarios, with a global mean decrease of 0.14 mg m$^{-2}$, representing a 4.6% reduction in SHIP100. This reduction is spatially concentrated in regions with high sulfur emissions, notably Southeast Asia, the Mediterranean, and the Arabian Peninsula. The aerosol effective radiative forcing (ERF) associated with these changes is quantified at 0.128 W m$^{-2}$, which is approximately 50% of the total anthropogenic aerosol ERF reduction observed since the 1990s, despite the emission reductions accounting for only 14% of global SO$_2$ emissions.
Temperature analyses reveal statistically significant warming trends in the 2030s and 2040s across various regions, including the tropical eastern Indian Ocean, Mediterranean, and northern North America, with the warming pattern resembling La Niña conditions. The reduction in shipping sulfur emissions contributes an additional warming of 0.04-0.05 K in the following decades, with a notable seasonal variation, being more pronounced in northern summer. This additional warming could influence the likelihood of global temperatures reaching 2.0 K by the 2040s, particularly in the northern hemisphere where the effects of reduced aerosol loading are amplified during periods of intense solar radiation.
Discussion
The research employs the HadGEM3-GC3.1-LL model to analyze the climate impacts of sulfur dioxide (SO₂) emissions from shipping, highlighting the intricate interactions between anthropogenic emissions and natural climate variability. The model incorporates various aerosol types, including black carbon and sulfate, and simulates their microphysical interactions. The effective radiative forcing (ERF) from these aerosols was estimated through simulations of the UKESM1 model, revealing that the climate response to SO₂ reductions may take several years to manifest. This delayed response complicates the interpretation of current warming trends, particularly in light of the significant year-to-year variability influenced by phenomena such as El Niño.
The findings indicate that the climate impact of SO₂ shipping cuts could contribute an additional 0.04 to 0.05 K of warming, which is particularly relevant when considering global temperature targets of 1.5 K and 2 K. The year 2023 was notably warmer, with an increase of 1.45 K above pre-industrial levels, raising concerns that the recent SO₂ reductions may hinder efforts to meet these targets. The study also suggests that the spatial patterns of warming, particularly in the Pacific region, resemble a “Central Pacific La Niña” pattern, which could influence regional climate variability. Overall, the research underscores the long-term implications of SO₂ emission reductions on both global and regional climate dynamics, necessitating further investigation into their role in recent temperature extremes and variability.