Свойства и процессы системы Земли, в которой доминирует не человек, варьируются в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. Тем не менее, система Земли функционирует в областях, характеризующихся четко определенными границами и периодическими моделями. Взаимосвязи между физическими, химическими и биологическими процессами и между сушей, океаном и атмосферой, как в пространстве, так и во времени, являются повсеместными и имеют важнейшее значение для функционирования Системы.
Быстрые, резкие изменения могут произойти по мере того, как Система Земли реорганизуется в новое состояние.
Временная изменчивость
Изменчивость и изменения являются реалиями Системы Земли, и статические, так называемые равновесные условия вряд ли будут частью Системы практически в любом масштабе времени. Данные свидетельствуют о том, что функционирование системы Земли непрерывно изменялось во всех временных масштабах. Тщательный анализ доказательств прошлого показывает, что:
- Изменчивость отражается не только на температуре. Изменчивость гидрологического цикла, которая зачастую имеет гораздо большее значение для населения, в прошлом была весьма экстремальной во всех временных масштабах
- Ни одна переменная или регион в действительности не отражает глобальную изменчивость - средние глобальные условия скрывают огромные различия в региональных ответах
Роль биологии в функционировании системы Земли
Биологические процессы тесно взаимодействуют с физическими и химическими процессами, создавая среду, которая делает Землю пригодной для жизни. Чем больше подробно рассматривается функционирование Системы Земли, тем лучше осознается роль самой жизни в содействии контролю за Системой.
Например, биологические процессы вносят значительный вклад в поглощение атмосферного CO2 океанами. Данный процесс, контролирует концентрацию CO2 в атмосфере, в течение длительного времени. Фотосинтез с помощью фитопланктона снижает количество CO2 в поверхностном слоев океана, тем самым позволяя большему количеству CO2 растворяться в атмосфере. Около 25% углерода, фиксируемого фитопланктоном в верхних слоях, поглощается во внутренние слои, где он хранится вдали от контакта с атмосферой в течение сотен или тысяч лет.
Этот биологический насос, наряду с физико-химическими ограничениями на растворимость CO2, контролирует структуру обмена CO2 между океанами и атмосферой. Интересно, что природа видов фитопланктона, участвующих в биологическом насосе, может иметь ключевое значение для скорости и потенциала накопления углерода.
Наземная биосфера также играет важную роль в содействии контролю концентрации CO2 в атмосфере. Растения выводят CO2 из атмосферы и преобразуют его в углеводы в процессе фотосинтеза. Однако части растений в конечном итоге погибают и разлагаются, съедаются травоядными или уничтожаются огнем, что приводит к разложению карбогидратов и возврату CO2 в атмосферу. Пробный цикл повторного использования углерода в целом протекает гораздо быстрее, чем цикличность в океане, и большая часть краткосрочных колебаний современных темпов роста CO2 в атмосфере, обусловлена изменчивостью поглощения или потери на суше.
Наземная биота является важным компонентом функционирования системы Земли иными способами. Например, тип растительности, присутствующей на поверхности суши, влияет на количество воды, испускаемой обратно в атмосферу, и поглощение или отражение солнечного излучения. Корневая структура растительности и ее активность также являются важными регуляторами как накопления углерода и воды, так и потоков между землей и атмосферой.
Биологическое разнообразие наземных экосистем влияет на масштабы ключевых экосистемных процессов, таких как продуктивность. Оно играет определенную роль в долгосрочной стабильности функционирования экосистем в условиях меняющейся окружающей среды.
Значительная часть исследований глобальных изменений посвящена изучению вертикальных связей между атмосферой и поверхностью Земли. Однако компоненты глобальной окружающей среды, такие как экосистемы на суше и в море, также связаны друг с другом через динамику системы Земли - через горизонтальное движение воды и материалов через нее, через атмосферный транспорт и отложения, а также через движение растений и животных.
Кроме того, они связаны между собой передачей энергии и химическим и биологическим наследием, которое сохраняется с течением времени. Одной из самых больших задач исследований глобальных изменений является определение роли внутренних факторов и обратной связи внутри организации.
Примером может служить связь между земной и морской биосферами через генерацию, атмосферный транспорт и осаждение пыли. Более холодный и сухой климат приводит к уменьшению растительного покрова на поверхности земли, что, в свою очередь, ведет к увеличению обнаженной почвы и, следовательно, запыленности.
Железосодержащая пыль с суши переносится ветром через океаны, где она выступает в качестве удобрения для фитопланктона (железо является микроэлементом), когда оседает на поверхности океана. Это приводит к цветению фитопланктона, что повышает продуктивность океанической биоты и, следовательно, поглощает CO2 из атмосферы. Уменьшение концентрации CO2 в атмосфере приводит к более холодному и сухому климату, дополняя положительную обратную связь.
Данные о выпадении пыли из ледяного керна Востока, указывают на важность этой петли обратной связи для функционирования системы Земли с точки зрения структуры ледниково цикла.
Недавние работы показывают, что имитация пылевого поля для последнего ледникового максимума, согласующаяся с данными Востока, может обеспечить достаточное количество железа в Южном океане для стимулирования цветения диатома, существенно сокращая выбросы CO2.
Моделирование просадки CO2 также согласуется с данными, полученными с помощью ряда косвенных индикаторов концентрации морских осадков. При моделировании обнаружено несколько факторов, способствующих более высокому содержанию пыли в атмосфере при Последнем Ледниковом максимуме:
- увеличение переноса в атмосферу в результате сильных ветров, сокращение гидрологического цикла, особенно уменьшение количества осадков, связанного с холодными условиями океана
- снижение темпов роста растений, связанное как с уменьшением содержания CO2 в атмосфере, так и с более сухими климатическими условиями.
В этом примере синергизм между состоянием биосферы суши и изменившимися атмосферными процессами имеет решающее значение для генерирования большего улавливания пыли. В то время как повышение первичной продуктивности морских диатомов служит источником топлива для биологического улавливания углерода с помощью насосов в глубоководных районах океана.
