Все оболочки Земли находятся в естественном взаимодействии и зависят друг от друга. Между ними осуществляется перенос массы и энергии. В области контакта, где геосферы соприкасаются и перекрываются, интенсивность динамических процессов возрастает. Примером материала, находящегося на пересечении геосфер, служит почва. Растение (биосфера) растет в почве, образовавшейся из горных пород (литосфера), которые подвергались выветриванию и эрозии, переносились с гор водными потоками (гидросфера) и отлагались по краям поймы; солнце (атмосфера) и дожди (гидросфера) питают растение, чтобы в конце концов питательные вещества из его клеток (биосфера) вернулись в почву (литосфера). Изменения в одной части системы будут влиять на зависимые геосферы, это принцип общей теории систем, который нигде не применим так, как по отношению к Земле.

Земля – по большей части закрытая система. Это означает, что планета получает извне энергию, но обычно не получает притока массы или вещества. Солнце испускает заряженные частицы, часть которых отклоняется магнитным полем Земли, а другие достигают поверхности как солнечное излучение. Энергия Солнца управляет круговоротом воды и фотосинтезом в биологическом мире, а также ветрами и погодой, которые влияют на состояние атмосферы. Циркуляция в мантии порождает процессы в литосфере за счет тектоники плит и магнитосферы. Иногда с нашей планетой сталкиваются астероиды и метеориты, и тогда Земля превращается в открытую систему, как в случае, когда астероид столкнулся с Землей в конце мелового периода, вызвав массовое вымирание живых организмов в конце мезозойской эры.

В геосферах происходит обмен веществом и энергией между различными системами; эти потоки оцениваются в единицах массы в год. Такой параметр, как время пребывания, показывает, как долго вещество в одной из форм остается в одной части системы; он может измеряться несколькими днями или годами и миллионами лет. Время пребывания веществ широко варьирует в зависимости от того, в какой части системы находится вещество. При испарении воды из океана время пребывания водяных паров (образующих облака) в атмосфере составляет 10 дней. Время пребывания воды в реке больше и составляет от пары недель до 6 месяцев. Когда вода просачивается в подземные воды, время ее пребывания может составлять сотни лет для неглубоких грунтовых вод и десятки тысяч лет для грунтовых вод на большой глубине. Величина этого параметра влияет на скорость очищения от загрязнителей. Если какое-то токсическое вещество попадет в речную систему, речная вода будет обновляться гораздо быстрее, чем подземные воды, в которых загрязняющее вещество может сохраняться тысячелетиями.

Иногда вещество задерживается в определенной части системы, где оно сохраняется очень долго, почти как в хранилище, – выпадает из круговорота веществ. Слои полосчатых железистых кварцитов, которые в наши дни часто разрабатываются как промышленные месторождения, являются примером выпадения из круговорота железа: они сформировались, когда свободный кислород вступал в реакции с растворенным железом в океанах на ранних этапах истории Земли (в докембрии). Другие примеры выпадения из круговорота веществ связаны с таким химическим элементом, как углерод, который на миллионы лет оказывается связан в известняке и угле. В этих отложениях диоксид углерода находится в ловушке до тех пор, пока не произойдут какие-нибудь изменения и вещество не высвободится опять в окружающую среду в результате разрушения исходного материала, например как в случае сжигания угля для получения тепла. Примером выпадения из круговорота железа, не имеющего экономического значения, служит глинистый красный песчаник пермского периода, столь распространенный по всему миру, особенно в Южной Африке и на западе Техаса. Кислород, все еще заключенный в этих горных породах, изменил уровень кислорода в атмосфере и повлиял на эволюцию дыхательной системы животных, особенно у динозавров и птиц.

Относительно небольшие изменения состояния (или условий) могут привести к последующим изменениям во всей системе. Некоторые исследователи полагают, что в не столь далеком будущем может наступить переломный момент, после которого климат не сможет быстро восстановиться или, возможно, изменения даже окажутся необратимыми[560]. Теория переломного момента применительно к исследованиям климата и основным дискуссиям заимствована из эпидемиологии, но популярно изложена с точки зрения социологии канадским писателем и автором New Yorker Малкольмом Гладуэллом. Гладуэлл определил переломный момент как «момент накопления критической массы, порог, точку кипения»[561][562]. Ученые описывают переломный момент как критический порог, за пределами которого состояние, условия или будущие параметры системы значительно меняются при очень малом воздействии на систему (рис. 12.1). Небольшие изменения начальных условий, которые усиливаются и становятся причиной крупных возмущений в системе, называют «эффектом бабочки», последствия которого могут привести к неожиданным нелинейным результатам. Американский метеоролог Эдвард Лоренц впервые рассмотрел «эффект бабочки» в своем докладе на 193-й конференции Американской ассоциации содействия развитию науки в 1972 г.[563].

Существуют разнообразные варианты наступления переломного момента, если концентрации диоксида углерода в атмосфере будут расти. Подобные события могут привести к катастрофическим изменениям окружающей среды. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) определяет множество возможных переломных моментов при разных сценариях повышения температуры: на 1,5 °C и на 2 °C. Достижение такой границы приведет к широкомасштабным событиям, таким как разрушение и безвозвратная утрата Гренландского и Антарктического ледниковых щитов наряду с изменением характера океанических течений. Изменения, связанные с переломными моментами, определенными для каждого региона, носят локальный характер и включают проблемы с производством продуктов питания, суховершинность тропических лесов (тропические леса Амазонки) и увеличение периодов сильной жары[564].

Рис. 12.1. Переломный момент и эффект бабочки (замысел и начальная схема автора, 2020; рисунок Р. Гари Рэма, 2020)

Численность населения имеет значение

Рост численности населения – это еще один фактор, который необходимо учитывать при оценке воздействия одной системы на другую. По прогнозам, к 2100 г. численность населения Земли достигнет 11,2 млрд[565]. С 1650 по 2017 г. наблюдалась тенденция к экспоненциальному росту: население планеты увеличилось с 0,5 млрд человек до 7,5 млрд.[566]. Время удвоения численности населения – это период, за который размер популяции увеличивается в два раза при постоянной скорости роста. Численность населения увеличилась с 1 млрд до 2 млрд за 75 лет, с 1850 по 1925 г., но всего за 40 лет, с 1960 по 2000 г., число людей на Земле выросло с 3 млрд до 6 млрд.

Более 12 000 лет назад численность человечества составляла около 2,6 млн. После таяния плейстоценовых ледниковых щитов, по мере стабилизации климата и потепления, население Земли увеличилось до 5 млн человек. Численность выросла, когда общества перешли к оседлости и занятиям земледелием, но численность охотников-собирателей тоже выросла в это время[567]. Исследователи связывают рост населения в начале голоцена, 10 000 лет назад, с развитием земледелия. С 1960-х гг.