Пенсильванского университета, впервые опубликовал данные о температурах в далеком и недавнем прошлом в 1998 г.[586]. Первоначальный график был построен с 1400 г. и показывал температурные отклонения от базового уровня, за который принят 0 °C. Манн частично использовал воссозданные данные, потому что результаты непосредственных измерений температуры были доступны только с 1902 по 1995 г. Данные о температурах до 1902 г. были взяты из исторических документов с температурными показаниями и результатов анализа годичных колец, ледяных кернов и концентраций изотопов в кораллах.

В 2001 г. Манн продлил график до 1000 г. н. э. (см. цветную вклей-ку 12.2)[587]. В 2003 г. Майкл Манн вместе с британским коллегой Филиппом Джонсом, профессором Университета Восточной Англии, используя другой метод, представили график за 2000 лет нашей эры, на основе результатов анализа ледяных кернов, проведенного Центром полярных и климатических исследований Бирда при Университете штата Огайо, и информации о концентрации диоксида углерода в атмосфере из обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях. Результаты, полученные в других независимых исследованиях, подтвердили данные, представленные Манном.

График, созданный Манном, показывает, что температуры начали резко расти около 1900 г., вероятно, в результате второй индустриальной революции и сжигания ископаемого топлива. Серая зона вокруг точек с прокси-данными показывает статистически возможный диапазон значений. Знаковый температурный график больше известен как «хоккейная клюшка» из-за того, что кривая графика напоминает хоккейную клюшку, которую положили на черенок крюком вверх: кривая, относительно плоская на протяжении значительного периода, затем резко идет вверх. Публикация графика привлекла внимание к изменению температур на протяжении времени и влиянию человека на климат, и стала широко известна. Температурные диаграммы, опубликованные Манном[588], наряду с данными и графиками, полученными его коллегами, указывают на сильное антропогенное влияние на климат[589].

Взаимодействие между всеми оболочками Земли

Все оболочки Земли – литосфера, гидросфера, биосфера и атмосфера – в разной степени пересекаются и перекрываются на протяжении времени. Масштаб изменений и превращений зависит от того, где и как геосферы взаимодействуют в конкретной области. Особого внимания заслуживают почвы и круговорот углерода.

Почвы и их значение

Почвы, часть литосферы, необходимы для жизни; это проницаемый поверхностный слой Земли, который действует как поверхность контакта между четырьмя оболочками планеты. Почвы являются частью «критической зоны», которая простирается от растительного покрова над почвой до самых верхних слоев грунтовых вод внизу, и свидетельствует о здоровье взаимосвязанных систем. Почва содержит в порах атмосферный воздух; вода (гидросфера) просачивается и совершенствует структуру почвы, слои, объем и мощность почвенного слоя; животные (часть биосферы), такие как насекомые и другие членистоногие, населяют почву и влияют на ее структуру и аэрацию; а выветривающаяся материнская порода (литосфера) служит исходным материалом для формирования почвы. Почвы не только существуют на пересечении оболочек Земли, но и представляют собой предмет междисциплинарных исследований с участием геологов, биологов, химиков, физиков, инженеров, специалистов по сельскому хозяйству, почвоведов и других.

Для формирования почвы из материнской породы необходимы время, атмосферные осадки и влажность. Образование почвенного слоя включает выветривание начальной породы, которое происходит, когда под действием воды порода разрушается и высвобождаются минералы. Более мощные почвенные слои формируются там, где выпадает больше осадков и выше влажность. Поэтому мощные, хорошо развитые почвы наблюдаются в восточной части США и на Тихоокеанском Северо-Западе, а также в средней части страны, где на плодородных почвах прерий фермеры выращивают бо́льшую часть пшеницы и кукурузы. В каждом из этих регионов имеются характерные только для него почвы, но все почвы образуются сходным образом с формированием слоев и вариациями химического состава и кислотности. В засушливых регионах почвенный покров тоньше и может содержать меньше органического материала или не включает его вовсе; это щелочные почвы (значения pH больше 7). Даже в очень влажных областях для формирования почвенного покрова могут потребоваться тысячи лет. Самый мощный почвенный покров существует в тропиках, но там выпадает такое количество осадков, что почвы часто выщелачиваются и становятся мало пригодными для земледелия.

Почвы, формировавшиеся при надлежащих условиях в течение необходимого времени – на протяжении сотен или тысяч лет, – имеют отчетливо выраженные слои. Верхний горизонт темного цвета представлен преимущественно органическим материалом и состоит из неразложившейся подстилки. Следующий слой – пахотный, состоит из разлагающегося органического материала (гумуса), глины, песка и ила. Ниже находится слой, который называется подпочвой. Почвы прерий имеют хорошо развитый пахотный горизонт. Подпочва обычно имеет более насыщенный красный оттенок и содержит глины и другие минералы, мигрировавшие вниз из верхнего горизонта. Именно в подпочве глина может сформировать непроницаемый слой, удерживающий воду таким образом, что она скапливается и не просачивается в следующие слои. Ниже подпочвы находится выветренная порода, которая постепенно превращается в почву. Самый нижний слой в почвенной колонке – материнская порода. Жизнеспособность почвы оказывает влияние на самые разные объекты и сферы, включая биоразнообразие, биогеохимический цикл, гидрологию, здоровье человека и климат.

Биологи оценивают биоразнообразие в почве разными способами и по представленным видам организмов разных размеров, от больших до малых (например, от артропод до микроорганизмов), включая животных, роющих норы, таких как земноводные, пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие. Живые организмы обеспечивают функционирование и улучшение почвенной зоны, осуществляя перенос питательных веществ через слои почвы (в процессе образования органического вещества), аэрацию за счет создания пор и тоннелей в почве, а также в результате попадания в почву останков таких живых организмов после смерти. Микробиологическое здоровье почвы поддерживает баланс в рамках этой системы.

Биогеохимический цикл существует в виде переноса вещества через субстраты посредством естественных процессов, включая перенос и превращение в воздухе и воде, и искусственных – за счет использования азотных удобрений для земледелия. Почвы за прошедшие несколько десятилетий превратились в резервуары искусственно внедренного азота и выделяют его в атмосферу в форме закиси азота, которая относится к парниковым газам. Фосфор – еще один питательный элемент, который накапливается в почве, когда в качестве удобрений используется навоз, в том числе жидкий. Выделение фосфора, накопленного в слое почвы, приводит к повышенному содержанию питательных веществ в поверхностных водоемах, которое стимулирует рост водорослей, а затем и бактерий, питающихся мертвыми водорослями. Эти процессы приводят к эвтрофикации (загрязнению водорослями), которая может оказывать негативное влияние на поверхностные и подземные источники водоснабжения за счет «цветения» водорослей и снижения насыщенности кислородом. Почвы представляют собой самый обширный резервуар углерода на Земле, за исключением океанских глубин, и содержат больше углерода, чем существует в растениях и атмосфере, вместе взятых; они вносят значительный вклад в круговорот углерода.

Вода, поступающая в виде атмосферных осадков, просачивается через почву. Часть воды проникает в зону над подземными водами (в вадозную зону), а часть поступает дальше вниз