Леса охлаждают планету или нагревают её? Ответ сложнее, чем кажется

Леса охлаждают планету или нагревают её? Это обманчиво простой вопрос без чёткого ответа. Загвоздка в том, что один и тот же лес может толкать климат в противоположных направлениях одновременно.

Леса широко рассматриваются как средство смягчения изменения климата — и посадка деревьев как частичное климатическое решение — потому что они поглощают углекислый газ. Однако эта формулировка неполна. Деревья также выделяют реактивные газы, называемые биогенными летучими органическими соединениями (БЛОС), которые могут влиять на образование облаков, способствовать загрязнению воздуха и продлевать время жизни метана в атмосфере — парникового газа, который может удерживать примерно в 80 раз больше тепла, чем углекислый газ.

Хотя БЛОС в значительной степени невидимы для публики, их выбросы значительны. Они составляют примерно 90% глобальной массы неметановых летучих органических соединений, поступающих в атмосферу [Khan et al., 2025]. В естественных местообитаниях лесные деревья являются доминирующими источниками БЛОС. Они ответственны за знакомый запах сосновых рощ и голубоватую дымку, часто наблюдаемую над густыми тропическими пологами. Сельскохозяйственные культуры и водно-болотные угодья являются основными источниками в сельских регионах. В городах выбросы БЛОС происходят в основном из парков, уличных деревьев и остаточных лесных массивов.

Учёт конкурирующих эффектов БЛОС становится всё более важным для климатологов, особенно по мере изменения лесных местообитаний и следов, а также продолжения изменений в землепользовании по всему миру [Wang et al., 2024]. Лучшее понимание того, влияют ли эти растительные выбросы на атмосферу, где и в какой степени, позволит исследователям улучшить прогнозы качества воздуха, образования облаков и будущего потепления.

От листьев к облакам

Охлаждают ли леса планету или нагревают её, зависит от того, как БЛОС ведут себя, покидая листву.

Химия растений, формирующая облака, начинается с фотосинтеза в освещённых солнцем листьях. Оттуда нормальные этапы растительного метаболизма синтезируют и высвобождают БЛОС. В глобальном масштабе изопрен составляет наибольшую долю выбросов БЛОС и особенно выделяется многими широколиственными деревьями. Дополнительные летучие вещества, такие как монотерпены и сесквитерпены, высвобождаются в меньших количествах, часто хвойными и подверженными стрессу растениями.

Попав в воздух, эти невидимые пары быстро окисляются и конденсируются в микроскопические частицы, известные как вторичные органические аэрозоли (ВОА). По мере дрейфа и столкновения ВОА могут вырастать в ядра конденсации облаков — крошечные семена, вокруг которых формируются капли воды. Частицы размером более примерно 1 микрометра, что составляет около 1/100 диаметра человеческого волоса, могут влиять на яркость и долговечность облаков, а также на энергетический баланс Земли. Результат — цепочка взаимодействий, которая начинается на уровне отдельных листьев и простирается до региональных и глобальных климатических систем.

Эти взаимодействия динамичны, а не фиксированы. Рост температур обычно усиливает выбросы БЛОС. Ожидается, что повышение средней глобальной температуры на 2–3°C увеличит общие выбросы БЛОС на 30–45% по всему миру. Высокоширотные, ограниченные по питательным веществам экосистемы особенно чувствительны. Исследователи обнаружили, например, что выбросы изопрена из арктических осок исключительно чувствительны к температуре, что позволяет предположить, что потепление может вызвать непропорционально большое увеличение выбросов из этих экосистем.

Но если температуры поднимутся за пределы диапазона, который растения могут выдерживать, или потепление будет сочетаться с продолжительной засухой, фотосинтез может ослабнуть, и выбросы БЛОС могут подавляться. Таким образом, система представляет собой мощную и тонкую обратную связь, в которой растения реагируют на климат, одновременно помогая регулировать его через воздействие на облака над ними.

Климатический парадокс

Парадокс в том, что идентичные молекулы, высвобождаемые живыми растениями, могут либо охлаждать, либо нагревать Землю, полностью завися от условий в атмосфере, когда и где они в неё попадают (рис. 1).

В более чистом воздухе баланс смещается в сторону охлаждающего эффекта БЛОС. Поскольку ВОА засевают облака, количество капель увеличивается, и облака становятся ярче. Они отражают больше энергии Солнца обратно в космос. Чем дольше эти капли сохраняются, тем больше они простирают тонкую планетарную тень над ландшафтом внизу.

Недавние модельные оценки предполагают, что вызванные БЛОС аэрозольные эффекты могут иметь радиационный охлаждающий эффект от −2,0 до −0,4 ватта на квадратный метр [Bellouin et al., 2020]. Это значение меньше примерно 2–3 ватт на квадратный метр потепления от углекислого газа в настоящее время. Тем не менее, эффект достаточно велик, чтобы формировать региональную погоду и облачные обратные связи.

Однако под загрязнённым небом те же выбросы могут иметь противоположный эффект. В присутствии оксидов азота из выхлопных газов, выбросов электростанций и других источников горения, например, БЛОС помогают генерировать озон — парниковый газ, обнаруживаемый в городском смоге. Они также могут нарушать химию, которая обычно удаляет метан из атмосферы, позволяя ему оставаться в воздухе дольше и удерживать больше тепла.

Эти пути потепления частично компенсируют охлаждение, производимое биогенными аэрозолями, хотя текущие доказательства указывают на то, что глобальный охлаждающий эффект остаётся в целом большим, со значительными региональными различиями и неопределённостью среди эффектов потепления.

Температура, солнечный свет, засуха и загрязнение, таким образом, определяют, действуют ли леса как кондиционеры или как печи в отношении потепления.

Воздух, которым дышат люди

Последствия растительных паров не ограничиваются облаками и климатом. БЛОС также могут способствовать загрязнению, которое усугубляет респираторные заболевания и приводит к увеличению посещений отделений неотложной помощи и преждевременным смертям.

Фотохимические реакции в воздухе могут быстро усиливаться над транспортными коридорами и крышами, особенно под летним солнцем. Приземный озон и ВОА (важный компонент мелкодисперсных частиц), образующиеся в результате реакций БЛОС с оксидами азота, являются вредными формами загрязнения воздуха. Озон воспаляет дыхательные пути в наших лёгких, ухудшает астму и связан с более высокой смертностью. Мелкие частицы, достаточно маленькие, чтобы проникать глубоко в лёгкие, связаны с сердечными заболеваниями, инсультом и преждевременной смертью.

Риск наибольший там, где плотные популяции и антропогенные выбросы совпадают с сильными биогенными выбросами — сценарий, характерный для таких мест, как Лос-Анджелес, Атланта и Пекин. Даже при более строгих стандартах на выхлопные газы и других мерах контроля выбросов загрязнение озоном сохраняется во многих городах мира, поскольку тепло, солнечный свет и смешанные выбросы из антропогенных и природных источников продолжают взаимодействовать.

Серая зона озеленения городов

Городская растительность — один из наиболее видимых инструментов, которые есть у городов для противодействия другой угрозе общественному здоровью: экстремальной жаре. Деревья снижают тепловое воздействие через тень и охлаждение, driven испарением. Они также могут помогать фильтровать загрязнители из воздуха и связаны с преимуществами для психического здоровья и благополучия.

Но не все деревья химически эквивалентны. Недавний метаанализ, охватывающий 357 видов растений, показал, что широколиственные деревья, такие как дубы, производят заметно иные смеси БЛОС, чем сосны и другие хвойные [Bao et al., 2023]. Например, 78% широколиственных деревьев выделяют изопрен по сравнению с только 48% хвойных, тогда как 93% хвойных выделяют монотерпены.

Эти выбросы также highly чувствительны к климату. Другой метаанализ обнаружил, что потепление увеличило выбросы изопрена во всём мире в среднем на 107% и выбросы монотерпенов на 60%, тогда как засуха снизила их на 27% и 33% соответственно [Chen et al., 2026]. Таким образом, деревья, посаженные для охлаждения завтрашних городов, могут вести себя иначе в завтрашних климатических условиях, чем сегодня.

Эта неопределённость создаёт проблему для политиков. Снижение загрязнения оксидами азота уменьшает образование приземного озона, однако расширение городского древесного покрова может увеличить выбросы реактивных БЛОС, которые компенсируют это снижение в зависимости от выбора видов и местных условий.

Новаторское исследование 2024 года, проведённое Департаментом транспорта Калифорнии, оценило более 260 обычно используемых придорожных растений на предмет их потенциала способствовать образованию озона и мелкодисперсных частиц. В отчёте были определены ивы (Salix spp.), американская амбровая ликвидамбар (Liquidambar styraciflua), платаны (Platanus spp.), эвкалипты (Eucalyptus spp.) и несколько видов дубов (Quercus spp.) как одни из самых высоких эмитентов БЛОС. Напротив, все сосны (Pinus spp.) и другие хвойные были отнесены к сравнительно низким эмитентам.

Выводы исследования подчёркивают, что стратегии городского озеленения не являются химически нейтральными. Выбор видов может формировать местный состав атмосферы и влиять на то, улучшает ли растительность качество воздуха или непреднамеренно ухудшает его. Вопросы городского лесного хозяйства, когда-то framed в основном вокруг тени и эстетики, всё чаще учитывают, как деревья влияют на атмосферную химию.

Проблемы для атмосферного моделирования

Климатические моделисты должны решить три основные задачи, чтобы перевести химию и поведение БЛОС в реалистичные симуляции атмосферы.

Первая — точная оценка величин самих выбросов БЛОС. Некоторые анализы сообщают о неопределённостях в моделируемых оценках выбросов, приближающихся к 100% или превышающих их [Wang et al., 2021]. Даже для одного соединения, такого как изопрен, выбросы могут существенно варьироваться в зависимости от состава экосистемы. В некоторых регионах обновлённые данные о земном покрове умеренно снизили оценочные выбросы, тогда как в других они более чем удвоили их по сравнению с оценками на основе обычных карт земного покрова [Opacka et al., 2021].

Вторая проблема в том, что окисление БЛОС в атмосфере остаётся неполностью понятым. Основным ограничением для моделей была трудность представления тысяч промежуточных реакций, вовлечённых в эту химию. Недавняя работа показывает, что включение более детальных механизмов окисления в текущие модели может значительно изменить прогнозы образования ВОА и их климатических эффектов, сужая некоторые из крупнейших неопределённостей моделей [Zha et al., 2023].

Третья проблема — масштабирование. Наблюдения с высокогорных станций мониторинга показали, что воздушные массы, содержащие БЛОС и их продукты окисления, могут путешествовать далеко за пределы лесных регионов, влияя на атмосферные процессы далеко по ветру от их источников [Okamoto and Tanimoto, 2016]. Чтобы уловить эти эффекты, модели должны учитывать процессы, происходящие в отдельных листьях, а затем точно моделировать перенос и химическую эволюцию БЛОС по всей атмосфере [Guenther et al., 2012].

Хотя эти трудности ограничивают нашу способность разрешать климатические обратные связи, driven БЛОС, доступные модели явно пересмотрели стандартный взгляд на леса как на пассивные поглотители углерода.

Отслеживание химического пульса лесов

Новые инструменты сокращают разрывы между живыми экосистемами и климатическими моделями, построенными для их представления. Десятилетиями учёные оценивали выбросы БЛОС, комбинируя карты растительности со средними скоростями выбросов для разных типов растений и уравнениями, описывающими, как выбросы меняются с температурой и солнечным светом. В этих моделях леса представлялись в основном как статические участки на сетке, с широкими категориями растительности, заменяющими разнообразие и отзывчивость реальных экосистем. Эта упрощённая картина теперь уступает место гораздо более наблюдательному, богатому данными взгляду на растительность Земли.

Модель выбросов газов и аэрозолей из природы (MEGAN) — один из примеров того, как происходит этот переход. MEGAN оценивает выбросы БЛОС, комбинируя информацию о наземной растительности с данными об экологических условиях, влияющих на выбросы. Её последнее поколение, MEGANv3.2, улучшает предыдущие версии, оценивая факторы выбросов по измерениям отдельных видов растений, а не полагаясь на фиксированные категории функциональных типов растений.

Используя MEGANv3.2 вместе с изменяющимися во времени спутниковыми наблюдениями растительности и данными метеорологического реанализа, Wang et al. [2024] оценили, что средние годовые глобальные выбросы БЛОС с 2001 по 2020 год составили около 835 млн метрических тонн, включая 348 млн тонн изопрена и 185 млн тонн монотерпенов.

Новая модель также иллюстрирует, почему точное представление растительности имеет значение. Хотя глобальные выбросы изопрена немного снизились в течение исследуемого периода, региональные паттерны резко различались под влиянием изменений растительности, температуры, влажности почвы и атмосферного углекислого газа [Wang et al., 2024]. В Европе, например, более высокие температуры способствовали увеличению выбросов, тогда как более высокая влажность почвы была более важна для увеличения выбросов в Восточной и Южной Азии.

Более ранние поколения MEGAN показали важность типа растительности для выбросов БЛОС. Guenther et al. [2012] обнаружили, что тропические леса, покрывающие менее пятой части земной поверхности, обеспечивают примерно 80% изопрена и терпенов, выделяемых растительностью, и около половины других растительных летучих веществ, тогда как другие лесные экосистемы, покрывающие аналогичную площадь, вносят лишь около 10% общих выбросов.

Такие ранние оценки помогли установить фундаментальный принцип, который новые модели теперь могут изучать более детально: атмосфера реагирует не просто на то, сколько растительности присутствует, а на то, что растёт где и как растительность подвержена влиянию изменяющейся среды.

Зондирование биогенных летучих веществ из космоса

Спутники также驱动 большую часть сдвига к лучшим данным и улучшенному пониманию. Инструменты, такие как Тропосферный мониторинговый инструмент (TROPOMI) на борту спутника Sentinel-5P Европейского космического агентства, могут обнаруживать атмосферный формальдегид — соединение, образующееся при окислении изопрена в воздухе. Поскольку изопрен является доминирующим БЛОС, выделяемым многими лесами, формальдегид служит крупномасштабным химическим отпечатком растительных выбросов.

Спутниковые наблюдения уже показали, что даже широко используемые инвентаризации выбросов могут содержать существенные региональные смещения. Например, было обнаружено, что предыдущая версия MEGAN переоценивает общие африканские выбросы изопрена на 22% — и выбросы в центральноафриканских тропических лесах на 43% — при одновременной недооценке выбросов из южных лиственных лесов на 21% [Marais et al., 2012]. Спутниковые наблюдения также показали, что некоторые несоответствия между наблюдениями и моделями возникают не из-за неверных оценок выбросов, а из-за неполного понимания атмосферной химии окисления, особенно изопрена [Wells et al., 2020].

Другие спутники наблюдают растения более непосредственно. Миссии, такие как Орбитальные углеродные обсерватории NASA (OCO-2 и OCO-3), измеряют солнечно-индуцированную флуоресценцию, испускаемую хлорофиллом во время фотосинтеза. Поскольку количество и состав выбросов БЛОС могут меняться с продуктивностью растений и метаболической активностью, эти данные помогают определить, когда экосистемы активны и как выбросы реагируют на засуху, волны жары и сезонные изменения.

Продолжая раскрывать влияние экосистем

Поведение облаков, аэрозолей и тропических экосистем по-прежнему создаёт серьёзные проблемы для атмосферного моделирования, как и разрешение детальной химии БЛОС. Тысячи реакций происходят в воздухе и каплях аэрозолей, и ни один спутник или глобальная модель не может отследить их все в полном объёме.

Тем не менее, атмосфера над лесами больше не выводится и не аппроксимируется по температурным кривым или упрощённым допущениям. Инновационные модели и наблюдательные технологии связывают лесные выбросы с ритмом самого фотосинтеза и раскрывают, как экосистемы непрерывно влияют на климат, облака и качество воздуха через динамические химические обмены, когда-то считавшиеся фоновым шумом.

Почему это важно для климатической политики и городского планирования

Понимание двойственной роли лесов имеет далеко идущие последствия для климатической политики, городского планирования и общественного здравоохранения.

Во-первых, простое уравнение «больше деревьев = лучше климат» оказывается неверным. Посадка деревьев может быть эффективной мерой, но выбор видов, места и учёт местных условий загрязнения имеют решающее значение. В регионах с высоким уровнем оксидов азота широколиственные деревья могут усугублять образование озона и смога, сводя на нет пользу от охлаждения.

Во-вторых, городское озеленение должно учитывать химический состав атмосферы. Калифорнийское исследование показало, что такие распространённые деревья, как дубы, ивы и эвкалипты, являются крупными эмитентами БЛОС. Городам, стремящимся к охлаждению, возможно, стоит отдавать предпочтение хвойным породам или другим низкоэмиссионным видам, особенно в районах с интенсивным движением.

В-третьих, спутниковые данные становятся критически важными для мониторинга и прогнозирования. TROPOMI и OCO позволяют отслеживать выбросы БЛОС и продуктивность растений в глобальном масштабе, что улучшает модели качества воздуха и климата. Инвестиции в эти технологии окупаются лучшими прогнозами и более обоснованными решениями.

В-четвёртых, изменение климата меняет саму химию лесов. Потепление увеличивает выбросы изопрена и монотерпенов, но засуха может их подавлять. Это означает, что будущие леса могут вести себя иначе, чем сегодняшние, и что климатические модели должны учитывать эти динамические изменения.

Наконец, необходимы дальнейшие исследования. Неопределённости в оценках выбросов, химии окисления и масштабировании остаются значительными. Финансирование науки о БЛОС, атмосферной химии и экологии лесов имеет решающее значение для понимания того, как леса будут влиять на климат в будущем.

Таким образом, леса — это не просто поглотители углерода. Это активные участники климатической системы, чьё влияние зависит от сложного взаимодействия биологии, химии и физики атмосферы. Признание этой сложности — первый шаг к более эффективной климатической политике.

Источники: Eos, AGU, Khan et al. (2025), Wang et al. (2024), Bellouin et al. (2020), Bao et al. (2023), Chen et al. (2026), Guenther et al. (2012), Marais et al. (2012), Wells et al. (2020), Zha et al. (2023), Okamoto and Tanimoto (2016), Opacka et al. (2021), Wang et al. (2021), California Department of Transportation, NASA OCO-2/OCO-3, ESA Sentinel-5P/TROPOMI.