В экосистеме Земли нарушены шесть из девяти параметров, определяющих  граничные условия безопасного существования человечества.

 

Резюме.

Это обновление концепции планетарных границ, оценивающей состояние системы Земли, впервые опубликованной в 2009 году (1, 2),  показывает, что шесть из девяти границ нарушены, параметры биогеосферы планеты сейчас находятся далеко за пределами, определяющими пространство безопасного существования человечества. Закисление океана близко к предельно допустимым значениям, а  аэрозольная нагрузка в отдельных регионах уже их превышает. Концентрация стратосферного озона с 2009 года несколько восстановилась. Степень нарушенности возросла для всех процессов, предельно допустимые значения параметров (границы устойчивости) которых ранее уже были определены как превзойденные. Поскольку первичная продукция определяет функционирование биосферы в Земной системе, присвоение человеком чистой первичной продукции предлагается в качестве контрольной переменной для определения функциональной целостности биосферы. Пределы допустимого изъятия первичной продукции также превышены. Моделирование земной системы при различных степенях нарушенности пределов изменения климата и экосистем суши показывает, что эти антропогенные воздействия на земную систему необходимо  рассматривать в системном контексте.

 

Введение

Концепция планетарных границ (1, 2) опирается на науки о системе планеты Земля (3). Она определяет девять процессов, которые имеют ключевое значение для поддержания стабильности Земной системы в целом и её способности к самовосстановлению.

Все они в настоящее время сильно нарушены деятельностью человека. Концепция планетарных границ предназначена для определения и количественной оценки уровней антропогенных возмущений, которые, при их соблюдении, позволили бы Земле оставаться в “голоценоподобном” межледниковом состоянии. В таком состоянии глобальные экологические функции и системы жизнеобеспечения остаются аналогичными тем, которые наблюдались в течение последних ~10 000 лет, а не переходят в состояние, не имеющее аналогов в истории человечества. Этот период голоцена, который начался с окончанием последнего ледникового периода, и в течение которого развивались сельское хозяйство и современные цивилизации, характеризовался относительно стабильными и теплыми планетарными условиями. Деятельность человека в настоящее время привела к изменению голоценовых условий жизни на Земле, бывших благоприятными для людей, что привело к переходу к эпохе, которую предлагается назвать - Антропоцен (4, 5).

Воздействие человека на планетарную среду продолжается, и отдельные компоненты земной системы во все большей степени переходят в неравновесное состояние в связи с изменением условий их функционирования. Как следствие, в постголоценовую эпоху  Земля как система продолжает изменяться, и окончательные глобальные параметры  окружающей среды остаются неопределенными. При этом палеоклиматические исследования показывают, что в предшествующие теплые периоды Земля была, в основном, свободной ото льда (6, 7) и с биосферой другого облика. Очевидно, что в интересах человечества избегать возмущения земной системы до такой степени, которая может привести к столь заметному изменению глобальных экологических условий.  Ледяной покров является лишь одним из показателей существенных общесистемных изменений многих других параметров земной системы. Концепция планетарных границ определяет биофизические и биохимические системы и процессы, регулирующие поддержание состояния планеты в пределах диапазонов, исторически известных и научно предполагаемых как необходимые для поддержания стабильности системы Земли и систем жизнеобеспечения, которые обеспечивали благополучие людей и их социальное развитие в Голоцене.

В настоящее время антропогенные возмущения глобальной окружающей среды рассматриваются, в первую очередь, так, как если бы они были отдельными проблемами, например, изменение климата, утрата биоразнообразия или загрязнение окружающей среды. Этот подход, однако, игнорирует нелинейные взаимодействия этих возмущений и их результирующие совокупные влияния на общее состояние земной системы. Концепция планетарных границ вводит научное понимание антропогенного глобального воздействия на окружающую среду в контекст, требующий рассмотрения состояния системы Земли в целом.

На протяжении более 3 миллиардов лет взаимодействие между геосферой (потоками энергии и неживыми материалами на земле и в атмосфере) и биосферой (всеми живыми организмами/экосистемами) контролировало глобальные условия окружающей среды. Состояние системы Земли изменялось в ответ на воздействия, вызванные внешними возмущениями (например, динамикой поступления солнечной энергии или ударами метеоритов) или внутренними процессами в геосфере (например, тектоникой плит и вулканизмом) или в биосфере (например, эволюцией фотосинтеза и появлением сосудистых растений). Эти воздействия приводили, посредством взаимодействий и обратных связей между процессами и системами внутри системы Земля, к формированию её зачастую сложной общей реакции. Сегодня деятельность человека, имеющая последствия планетарного масштаба, оказывает дополнительное воздействие на систему Земли. Таким образом, антропосфера стала дополнительным функциональным компонентом системы Земли (3, 8), способным изменять её состояние. Концепция планетарных границ определяет пределы воздействия антропосферы на земную систему путем выделения научно обоснованного пространства безопасного существования  человечества, соблюдение которых может, как сохранить  систему Земли в состоянии межледниковья, так и обеспечить её устойчивость.

Состояние Земли в Голоцене является эталонным в этом контексте, поскольку многие компоненты, формирующие систему граничных условий, были довольно стабильными в течение этого периода. Это также единственное состояние  Земной системы, известное цивилизациям исторически. Климат формируется под влиянием внешних воздействий, например, солнечной активности, орбитальных циклов и взаимодействий между компонентами земной системы, однако, глобальная средняя температура поверхности изменялась всего на ±0,5°C (9) с эпохи Неолита [~9000 г. до н.э. (B.P.)] до Промышленной революции. Биомы по всей Земле также в значительной степени оставались стабильными в течение последних 10 000 лет, при этом доиндустриальная глобальная наземная чистая первичная продукция (NPP) оставалась в пределах 55,9 ± 1,1 миллиарда тонн (Гт) углерода в год−1 (2σ) (см. Дополнительные материалы). Данные с учётом погрешностей (10)  подтверждают, что доиндустриальные глобальные уровни осадков также были стабильными, особенно начиная с середины Голоцена. Эти данные убедительно подтверждают необходимость использования параметров Голоцена (см. Дополнительные материалы) в качестве эталонных для стабильной и жизнеспособной планеты.

Таким образом, для всех отдельных границ концепции условия доиндустриального голоцена принимаются в качестве ориентира для оценки масштабов антропогенных отклонений. Доступные данные и уровень знаний, полученных в результате анализа и моделирования компонентов системы, диктуют методы определения и количественной оценки индивидуальных границ и их предельных значений. Несмотря на ограниченность данных, были предприняты усилия по определению подходящих контрольных переменных для всех границ вместе с доказательствами того, насколько сильно их нарушение приводит к возникновению эффектов или изменению систем  взаимодействий/обратных связей, которые потенциально могут вызвать необратимые изменения в системах жизнеобеспечения Земли. В центре внимания всегда находится система Земли в целом, а не события регионального масштаба, даже если данные, используемые для определения границ, получены в результате региональных исследований. В этих случаях региональные данные объединяются для оценки кумулятивного влияния нарушений во множестве региональных систем на систему Земли.

Концепция планетарных границ привлекла значительное внимание науки и общества, вдохновив на разработку стратегий и политики управления на всех уровнях. Концепция  развивается благодаря обновлениям, сделанным на основе последних научных достижений. Здесь мы объединяем достижения из различных областей науки, чтобы обновить концепцию и положения (значения) границ. Впервые предлагаются границы для всех отдельных компонентов системы. Обновленные данные о функциональной целостности биосферы и границах аэрозольной нагрузки основаны на представленных здесь анализах. Недавние анализы формируют основу для обновления информации об изменениях ресурсов пресных вод и о границах для новых элементов концепции. Наконец, важность рассмотрения антропогенного воздействия на компоненты глобальной окружающей среды в системном контексте иллюстрируется с помощью экспериментального моделирования, исследующего как различные сценарии нарушения границ изменения экосистем суши (представляющих биосферу) и изменения климата в совокупности влияют на характеристики системы Земли.

 

Компоненты системы Земля

Понимание того, как биосферные, антропосферные и геосферные процессы взаимодействуют друг с другом, является необходимым условием для разработки надежных прогнозов возможных будущих траекторий эволюции земной системы. Однако, понимание процессов взаимодействия между этими областями по-прежнему доступно лишь частично. Концепция планетарных границ требует более глубокого интегрированного моделирования земной системы путем объединения имеющихся в настоящее время данных о соответствующих процессах и данных об их взаимодействиях из различных дисциплин и источников.

Концепция девяти границ – это определение тех составляющих системы Земли, которые определяют её общее состоянию и, при этом, критически затронуты антропогенной деятельностью. Для каждой из границ выбраны контрольные переменные, значения которых указывают на степень антропогенного воздействия на рассматриваемую составляющую системы на планетарном уровне. Например, изменение экосистем суши возникает в результате воздействия бесчисленных видов человеческой деятельности, что, в конечном счете, приводит к изменению биомов. С планетарной точки зрения в течение Голоцена леса были наземным биомом с наиболее сильной функциональной связью с климатической системой (11, 12).   Поэтому, глобальное сокращение площади лесов принимается в качестве контрольной переменной, суммирующей все изменения в экосистеме суши. Аналогично, контрольная переменная, введенная здесь для функционального компонента границы целостности биосферы, присвоение человеком чистой первичной продукции (NPP Net Primary Production), HANPP, the Human Appropriation of Net Primary Production фокусирует внимание на способности биосферы в целом обеспечивать функциональные обратные связи в системе Земли. Контрольные переменные в идеале должны поддаваться эмпирическому определению и быть вычислимыми для использования в прогнозах эволюции земной системы (например, при моделировании процессов будущих изменений лесного покрова), там, где это возможно.

Значения границы не обозначают и не предсказывают сингулярные пороговые сдвиги в состоянии земной системы. Они расположены на уровнях, где имеющиеся данные свидетельствуют о том, что дальнейшее нарушение отдельного процесса потенциально может привести к системным планетарным изменениям путем видоизменения и фундаментальной перестройки динамики и пространственно-временных паттернов взаимодействий геосфера-биосфера и их обратных связей(13, 14).

В настоящее время для оценки положения нарушенных границ используется понятие «зона возрастающего риска (потери земной системой характеристик, подобных голоценовым)» а не “зона неопределенности”(2), поскольку определение этой зоны сегодня основано не на том, что называют «научной неопределённостью», а на чём-то большем. Большое количество недавних исследований [например, (15–17)] предоставляет убедительные доказательства, подтверждающие вывод (2) о том, что границы изменения климата и целостности биосферы находятся в зоне быстро растущих и системно связанных рисков. Это обоснованно усиливает использование принципа предосторожности для установления планетарных границ в нижней части зоны повышенного риска. Например, для планетарной границы изменения климата мы сохраняем границу в 350 частиц CO₂ на миллион с зоной повышенного риска в диапазоне от 350 до 450 частей на миллион, предшествующей зоне высокого риска. Это приблизительно соответствует диапазону глобального среднего повышения температуры поверхности от 1° до 2°C (предполагая продолжение текущих сценариев влияний, не связанных с CO₂). Принцип предосторожности заставляет располагать планетарную границу в начале зоны возрастающего риска (350 частей на миллион ≈ 1°C), то есть немного ниже целевого показателя в 1,5°C, определенного в Парижском соглашении. Целевой показатель в 1,5°C — это тот показатель, который, как всё чаще демонстрирует наука, связан со значительным риском запуска необратимых масштабных изменений и достижения точки невозврата, чего нельзя исключать даже при меньших повышениях температуры (18).  Признавая буферную устойчивость земной системы, большинство границ, тем не менее, мы установили на значениях, выходящих за рамки диапазона, известного для периода Голоцена вплоть до промышленной революции (для CO₂ ≈ 280 частей на миллион) (см. Дополнительные материалы). Стабильность при диапазоне изменений  состояний межледниковых систем Земли в палеоклимате плейстоцена (19) и результаты моделирования земной системы (20) позволяют предполагать, что земная система, вероятно, оставалась бы в стабильном, подобном голоценовому, состоянии, если бы соблюдались все границы процессов, даже если бы, по крайней мере, временно, их параметры выходили за пределы голоценовой изменчивости.

Различие между зонами “возрастающего” и “высокого” риска не может быть четко определено. Накапливаются свидетельства того, что нынешний уровень нарушения границ уже вывел земную систему за пределы “безопасной” зоны. Однако нам все еще не хватает всеобъемлющей, интегрированной теории, подкрепленной наблюдениями и моделями, которая позволила бы определить, когда может произойти переход от повышающегося уровня риска к уровню очень высокого, опасного риска и потери голоценового состояния земной системы. Поэтому здесь принят подход “разгорающихся углей”, введенный Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) для представления постепенных переходов от умеренных (желтых) к высоким (красным) и очень высоким (фиолетовым) рискам.

 

Рис. 1. Текущее состояние управляющих переменных для всех девяти планетарных границ.

Шесть из девяти границ нарушены. Кроме того, закисление океана приближается к своей планетарной границе. Зеленая зона — это безопасное рабочее пространство (ниже границы). Переход от желтого к красному обозначает зону повышенного риска. Фиолетовым цветом обозначена зона высокого риска, где с высокой степенью достоверности нарушаются условия межледниковой системы Земли. Значения контрольных переменных нормализованы таким образом, чтобы начало координат соответствовало средним условиям голоцена, а граница зоны устойчивости системы планеты (нижняя граница зоны повышенного риска, пунктирный круг) находилась на одном и том же расстоянии от центра для всех границ (за исключением клиньев, представляющих зеленую и голубую воду, см. основной текст). Длины клиньев масштабируются логарифмически. Верхние границы клиньев для новых элементов и компонента генетического разнообразия границ целостности биосферы размыты либо потому, что верхняя граница зоны повышенного риска еще не определена количественно (новые элементы), либо потому, что текущее значение известно только с большой неопределенностью (потеря генетического разнообразия)… Однако и те, и другие находятся далеко за пределами пространства безопасного существования. Нарушение этих границ отражает беспрецедентное возмущение человеком земной системы, но определение их значений сталкивается с большими научными неопределенностями.

 

На протяжении всей истории Земли взаимодействие геосферы и биосферы было внутренней силой, определяющей состояние земной системы. Планетарная граница изменения климата используется здесь в качестве характеристики состояния геосферы. Таким образом, границы «изменение климата» и «целостность биосферы» определены как “основные границы” (2) концепции. Внедрение новых элементов является новым антропогенным фактором изменения земной системы, который, при достаточном масштабе нарушения, сам по себе может изменить состояние земной системы. Однако этот фактор действует, в значительной степени, за счет влияния на показатели основных компонентов, особенно целостности биосферы. В отличие от определения, применявшегося ранее (2), где были включены “встречающиеся в природе элементы, мобилизованные антропогенной деятельностью”, определение новых элементов теперь ограничено включением только тех элементов, которые, если бы не было антропосферы, отсутствовали бы в системе Земли.

Количественная оценка взаимодействий между составляющими остается серьезной проблемой. Однако со времени последнего обновления концепции (2) был достигнут некоторый прогресс. Недавние исследования (13, 14, 21, 22) показали, что дополнительное или более обширное нарушение одной планетарной границы может изменить градиенты риска для других границ. Например, появляется все больше свидетельств того, что нарушение планетарной границы, связанной либо с изменением климата, либо с целостностью биосферы, потенциально может привести к более резкому увеличению риска в другой области(21). В настоящее время отсутствует всеобъемлющая модель системы Земли, которая полностью отражает взаимодействия между всеми её составляющими. Ниже мы исследуем, как различные сценарии нарушения состояний экосистемы суши (представляющей биосферу) и изменения климата во взаимодействии влияют на изменение биологически опосредованного накопления углерода на планетарном уровне.

 

Результаты

Целостность биосферы

Мириады взаимодействий с геосферой делают биосферу системообразующим компонентом земной системы и основным фактором регулирования ее состояния. Выполнение биосферой её планетарных функций, в конечном счете, определяется её генетическим разнообразием, сформированным естественным отбором не только в ходе  динамичной истории коэволюции с геосферой, но и в процессе эволюции её роли  регулятора состояния системы Земли. Таким образом, генетическое разнообразие и регуляторная функция, каждый из которых измеряется с помощью подходящих показателей, являются двумя параметрами, лежащими в основе определения планетарной границы целостности биосферы. Применяемый здесь термин “целостность” подразумевает не отсутствие изменений в биосфере, а, скорее, изменяемость, которая и обеспечивает поддержание общего динамичного и адаптивного характера биосферы.

Рокстрем и др. (1) определили планетарную границу изменения генетического разнообразия как максимальную скорость вымирания, совместимую с сохранением генетической основы экологической сложности биосферы. Мы сохраняем граничный уровень <10 E/MSY (число вымерших видов на миллион видов в биосфере в год). Контрольную переменную скорости вымирания сложно применять оперативно, в текущей обстановке, но появляются данные и методы для непосредственной оценки компонента генетического разнообразия целостности биосферы [[(23) и дополнительные материалы]. Хотя исходные темпы вымирания (и эволюции новых видов) сильно варьируют и их трудно с уверенностью определить количественно для геологического времени, текущие темпы вымирания видов, по оценкам, по меньшей мере, в десятки-сотни раз превышают средние темпы за последние 10 миллионов лет и увеличиваются (24). Мы консервативно установили современное значение скорости вымирания на уровне >100 E/MSY (24–26). По оценкам, из 8 миллионов видов растений и животных около 1 миллиона находятся под угрозой исчезновения (16), и более 10% генетического разнообразия растений и животных, возможно, было утрачено за последние 150 лет (23). Таким образом, генетическая составляющая границы целостности биосферы заметно превышена (рис. 1 и таблица 1).

Ранее Штеффен и соавт. (2) предложили использовать индекс сохранности биоразнообразия (BII) (27), эмпирически определяемый показатель антропогенного воздействия на численность популяций, в качестве промежуточного показателя функциональной целостности биосферы. Однако было отмечено, что влияние BII на функционирование земной системы остается недостаточно изученным, и BII не может быть напрямую связан с планетарными биогеохимическими и энергетическими потоками, имеющими отношение к определению состояния земной системы. Кроме того, BII полагается на данные экспертов для оценки временных изменений в численности/распределении видов, и эти знания недоступны для многих регионов, включая океаны. Мартин и др. (28) также недавно предположили, что BII лишь частично отражает воздействие человека на земную систему.

Поэтому теперь мы заменяем этот показатель вычислимым показателем притока фотосинтетической энергии и материалов в биосферу (29), т. е. чистой первичной продукцией (net primary production - NPP), и определяем состояние регуляторной функции как параметра границ целостности биосферы через предел присвоения человеком биосферной NPP  (HANPP) в виде доли голоценовой NPP. NPP  имеет фундаментальное значение, как для экосистем, так и для человеческих обществ, поскольку она поддерживает их существование, воспроизводство, дифференциацию, взаимодействие и рост. Биомы зависят от потока энергии, связанного с NPP для поддержания своих планетарных экологических функций как неотъемлемых частей земной системы. Таким образом, изъятие человеческим обществом части продуцируемой NPP энергии для своих нужд не должно существенно ухудшать потоки энергии в биосфере (30). Этот показатель дополняет основанные на разнообразии параметры целостности биосферы, описываемые генетическим компонентом, который отражает важность изменчивости живых организмов для функционирования экосистем. Пригодность NPP и HANPP для определения планетарной границы ранее обсуждалась (Running (31)  и Haberl et al. (32)).

Мы определяем, что NPP земной биосферы в голоцене составляла 55,9 Гт в год (2σ); параметр был чрезвычайно стабилен, изменяясь не более чем на ±1,1 Гт в год, несмотря на региональные различия во времени (см. Дополнительные материалы). Наш модельный анализ показывает, что в 1700 году уровень NPP все еще был подобен уровню голоцена (56,2 Гт С в год для потенциальной естественной растительности и 54,7 Гт С в год, если учитывать землепользование). К 2020 году потенциальный природный NPP повысился бы до 71,4 Гт C в год из−за увеличения количества доступного углерода, неравновесной реакции физиологии наземных растений на антропогенно увеличивающуюся концентрацию CO2 в атмосфере, тогда как фактический NPP составил бы 65,8 Гт C в год из-за снижающего NPP воздействия глобального загрязнения суши (см. Дополнительные материалы).

HANPP обозначает как сбор урожая, так и изъятие или изменение (главным образом, сокращение) потенциальной природной NPP (32), главным образом посредством сельского хозяйства, лесоводства и выпаса скота. Наземная HANPP может быть оценена как доля потенциальной природной NPP [15,7% в 1950 году и 23,5% в 2020 году; выведено из (33) и дополнительных материалов], так и как доля средней NPP голоцена (30% или 16,8 Гт C год−1 в 2020 году; см. Дополнительные материалы). Мы утверждаем, что планетарная граница, ограничивающая HANPP на основе NPP, должна быть установлена по отношению к средней NPP  доиндустриального голоцена, а не к текущей потенциальной природной NPP.  Это связано с тем, что глобальное увеличение NPP из-за антропогенного обогащения среды углеродом представляет собой реакцию на нарушение устойчивости земной системы, которая ослабляет масштабы влияния антропогенного потепления. Следовательно, дополнительную NPP, возникающую в связи с поглощением углерода из «удобряющих» атмосферу выбросов CO2, следует беречь и защищать, а не рассматривать как источник дополнительного урожая. Примеры больших площадей земли, используемых человеком, с сокращающимся поглощением углерода, некоторые из которых даже превращаются в источники выбросов углерода из-за чрезмерного изъятия биомассы человеком, уже наблюдаются, например, в некоторых регионах Амазонии (34) и в лесах Северной Европы.

Поскольку NPP является основой для потоков вещества и энергии, на которых зиждется  функционирование биосферы (30),  мы утверждаем, что сегодняшнее воздействие HANPP  планетарного масштаба, как показывают наблюдения, приводит к тому, что основные индикаторы состояния биосферы демонстрируют значительное и вызывающее тревогу ухудшение в последние десятилетия (16). Это говорит о том, что нынешнее HANPP намного превышает допустимые  принципом предосторожности предельные количества, при которых сохраняются условия функциональной целостности биосферы, и, вероятно, уже находится в зоне высокого риска. Поэтому мы предварительно устанавливаем планетарную границу регуляторной составляющей  целостности биосферы на уровне присвоения человеком 10% средней NPP доиндустриального голоцена, предполагая, что рост изъятия к уровню 20% является смещением в зону высокого риска. Определенная таким образом граница была нарушена уже в конце 19-го века, во время значительного увеличения темпов роста землепользования во всем мире (35), что сильно повлияло на биоразнообразие (27), и заставило говорить об опасных последствиях этой крупномасштабной трансформации земель.

Таким образом, в то время как проблема потепления климата стала очевидной только в 1980-х годах, проблемы с нарушением функциональной целостности биосферы вследствие эксплуатации экосистем суши, начались столетием ранее. Начиная с 1960-х годов рост мирового населения и потребления еще больше ускорил изменение экосистем суши, в еще большей степени загнав систему в зону повышенного риска. HANPP всегда удовлетворяла потребности человечества в продуктах питания, волокнах и кормах для животных, и так будет продолжаться и в будущем, даже в устойчивых обществах. Однако NPP, необходимая для удовлетворения потребностей общества будущего, должна во все большей степени генерироваться за счет дополнительного производства NPP сверх базового уровня голоцена, не включая NPP, генерируемую для биологического поглощения излишнего углерода. Например, накормить 10 миллиардов человек теоретически возможно, оставаясь в пределах планетарных границ, но требует ряда далеко идущих преобразований для совершенствования процессов производства и регулирования спроса (36).

Чтобы разработать более глубокую основу для определения основанной на HANPP планетарной границы функциональной целостности биосферы, нам необходимо более глубокое понимание того, как изменения в экосистемах влияют на функционирование биосферы в системе Земля. Анализ NPP должен быть пространственно четким и дополняться вычислимыми показателями экологической дестабилизации из-за влияния изменений климата и экосистем суши, например, показателем биогеохимических нарушений (37).

HANPP также может быть количественно оценено для морских систем. Около двух третей площади океана, где HANPP составляет >10%, расположено над мелководными участками шельфа (38), где экосистемы эксплуатируются наиболее интенсивно. На региональном уровне уловы рыбы превышают пороговые значения устойчивого использования их популяций (39). Однако, в отличие от суши, где большая часть HANPP – это  растительный материал, т. е. изымается на самом низком трофическом уровне, HANPP в океане, как правило, изымается из популяций живых организмов, находящихся на более высоких трофических уровнях. Это означает, что в то время, как HANPP на суше снижает абсолютное количество энергии, доступной для более высоких трофических уровней, большая часть энергии, получаемой в виде NPP, используется в морских экосистемах до стадии HANPP. Когда численность организмов на самых высоких трофических уровнях снижается, изменения в структуре морских экосистем могут изменить поток энергии в этих экосистемах (40).  Таким образом, в морской сфере HANPP, скорее всего, изменяет потоки, а не количество доступной энергии. Дополнительная информация о воздействии HANPP на морскую среду необходима для интеграции рассмотрения морских систем в определение планетной границы функциональной целостности биосферы.

 

Изменение климата

Переменные, по которым мы судим об изменениях климата, а также представления об их уровнях воздействия на климат остаются неизменными (1, 2). Наиболее важными факторами антропогенного воздействия на энергетический баланс Земли являются выбросы парниковых газов и аэрозолей, а также изменения альбедо поверхности (17). В этом контексте, наиболее значимыми параметрами являются среднегодовая концентрация CO₂ в атмосфере и изменение потока энергии на верхней границе тропосферы, так называемое радиационное усиление, отсчитываемое от доиндустриальной эпохи или от 1750 года. В качестве безопасных уровней этих параметров, когда на планете еще нет сильных изменений, называются 350 частей на миллион, и 1 Вт/м². Однако сейчас концентрация CO₂ в атмосфере достигла 417 частей на миллион – среднее значение на уровне моря в 2022 году (41), а оценка суммарного антропогенного радиационного усиления на 2022 год составляет 2,91 Вт/м². Таким образом, оба параметра уже вне границ относительно безопасных значений, при этом они растут и все больше от этих значений отклоняются (2). Концентрация CO₂, равная 350 частей на миллион позволила бы остаться на уровне антропогенного глобального потепления, который даже ниже, чем согласованный на международном уровне целевой показатель в 1,5°C, имеющийся в Парижском климатическом соглашении ООН. Это согласуется с недавними исследованиями (17, 18, 42), предполагающими возможность экстремальных воздействий на климатическую систему Земли при потеплении на 1,5°C, при этом риски возрастают уже тогда, когда потепление заметно превышает 1°.

 

Новые факторы

В настоящее время система Земли испытывает на себе влияние новых, до этого не существовавших факторов, производных человеческой деятельности. К ним относятся синтетические химикаты и вещества (например, микропластик, разрушители эндокринной системы и органические загрязнители); антропогенно мобилизованные радиоактивные материалы, включая ядерные отходы и ядерное оружие; влияние человека на эволюцию, например, через генетически модифицированные организмы и другие прямые вмешательства человека в эволюционные процессы. Новые вещества служат геологическими маркерами Антропоцена (5). Однако их воздействие на систему Земли в целом остается в значительной степени неизученным. Концепция планетарных границ касается только стабильности и жизнестойкости земной системы, то есть не здоровья людей или экосистем. Таким образом, остается научной задачей оценить, какую нагрузку от влияния новых факторов выдержит земная система, прежде чем необратимо перейти в потенциально менее пригодное для жизни состояние.

В настоящее время производятся и выбрасываются в окружающую среду сотни тысяч синтетических химических веществ. Для многих веществ потенциально существенные и устойчивые последствия их включения в земную систему, особенно с точки зрения  функциональной целостности биосферы, недостаточно хорошо известны, и их использование плохо регулируется. Человечество неоднократно удивлялось непреднамеренным последствиям таких выбросов, например, в результате использования инсектицидов, таких как ДДТ, или от воздействия хлорфторуглеродов (ХФУ) на озоновый слой. Таким образом, для этого класса новых элементов единственным по-настоящему безопасным вариантом, который может обеспечить поддержание условий, подобных голоценовым, является такой, при котором эти элементы отсутствуют, если только их потенциальное воздействие на земную систему не было тщательно оценено. Это означало бы, что количественно определяемая планетарная граница должна быть установлена на уровне нулевого выброса синтетических химических соединений во внешнюю окружающую среду, если только они не были сертифицированы как безвредные и отслеживаются. Такая цель была установлена Монреальским протоколом применительно к веществам, которые, как доказано, способствуют разрушению озонового слоя.

В своем анализе различных стратегий установления планетарной границы для новых факторов  Перссон и др. (43) определили долю выбрасываемых химических веществ с адекватной оценкой безопасности и мониторингом в качестве возможной контрольной переменной. Мы здесь применяем этот показатель. Поэтому планетарная граница определяется как нулевой выброс в земную систему непроверенных синтетических веществ. Если синтетические материалы, попадающие в окружающую среду, проходят тщательную проверку, оценка риска их вредного воздействия снижается. Следует признать, что у этого подхода есть недостатки: доступность данных является неполной; исследования безопасности часто фокусируются на узко определенной токсичности и не учитывают “коктейльные эффекты” химических смесей в окружающей среде или их воздействие в конкретных условиях. Процент глобально выбрасываемых непроверенных синтетических веществ неизвестен. При этом Перссон и др. (43) сообщают относительно  химических веществ, зарегистрированных в настоящее время в соответствии с регламентом ЕС о регистрации, оценке, разрешении и ограничении химических веществ (REACH) (небольшое подмножество химической вселенной), что ~ 80% этих химических веществ использовались в течение, по крайней мере, 10 лет, но еще не прошли оценку безопасности. Аналогичным образом, лишь немногие исследования по безопасности учитывают потенциальное воздействие на земную систему. При таком огромном проценте непроверенных химических веществ, выбрасываемых в окружающую среду, границы категории новых факторов, определенные таким образом, явно нарушаются. Перссон и др. (43) не идентифицировали и не определили количественно планетарную границу для новых факторов, но, несмотря на это, также пришли к выводу, что в настоящее время мы вышли за пределы определяемого ею пространства безопасного существования человечества. 

 

 

Разрушение стратосферного озона

Разрушение стратосферного озона – в данном случае имеется в виду, связанное с эмиссией синтезированных человеком газов – галогенуглеводородов (фреонов и других, - прим. редактора), использующихся в промышленном производстве и других видах нашей деятельности, что приводит долговременному дополнительному разрушению озонового слоя Земли. Предельное безопасное значение может быть определено как 276 единиц Добсона-DU, что означает снижение менее чем на 5% по сравнению с доиндустриальным уровнем в 290 DU, должным образом распределенным по широте (1). После ратификации Монреальского протокола в 1987 году разрушение озонового слоя несколько приостановилось, а его глобальная концентрация начала постепенно расти (44, 45).

Текущая глобальная оценка (на 2020 год) составляет 284 DU (см. Дополнительные материалы). Таким образом, антропогенное влияние на процесс разрушения стратосферного озона уменьшилось и теперь находится в пределах границ безопасности.Разрушение озонового слоя в настоящее время выходит за границы безопасности только в Антарктике и в южных высоких широтах и только в течение трех месяцев весны Южного полушария (45).

 

Комментарий редактора

Озоновая дыра – весеннее снижение концентрации стратосферного озона над Антарктикой была в прошлом и будет в будущем. Человек, изобретя фреоны, его несколько усилил, потом одумался и запретил озоноразрушающие вещества. Так как они медленно разрушаются в атмосфере, а выброшено их было немало, то все вернется к состоянию середины 20 века примерно к 2060 году. В тоже время, по мере глобального потепления нижней атмосферы и одновременного охлаждения нижней стратосферы («парниковая пленка» между ними стала немного толще) будет усиливаться температурный фактор разрушения озона в стратосфере, вероятно, небольшое усиление процесса, в частности, в Арктике, но не критичное.

 

Изменение пресноводной системы

Чтобы системно отобразить антропогенные изменения функционирования пресноводной системы Земли, определение этой границы пересмотрено таким образом, чтобы учесть изменения круговорота воды на суше в целом (46–48). Здесь мы используем речной сток как характеристику состояния «голубой воды», т.е. поверхностных и грунтовых вод,  и влажность почвы прикорневой зоны как характеристику «зеленой воды», т.е. воды, доступной растениям (46–48). Контрольные переменные определяются как проценты отклонения, во-первых, годовой глобальной площади суши, свободной ото льда, имеющей речной сток, и, во-вторых, годовой глобальной площади суши с адекватной влажностью почвы в прикорневой зоне, от доиндустриальной динамики (46, 48). Новый компонент "зеленая вода" непосредственно оценивает состояние процессов гидрологического регулирования состояния наземных экосистем, климата и биогеохимических процессов (48), в то время как компонент "голубая вода" оценивает зарегулированность рек и целостность водных экосистем (46). Более того, при определении этой границы теперь учитываются воздействия на земную систему как процессов увеличения, так и процессов уменьшения водных ресурсов в месячном разрезе и их пространственное распределение (см. Дополнительные материалы).

Контрольные переменные описывают отклонения от доиндустриального состояния (здесь 1661-1860 гг.), сначала определенные на базе сетки с ячейками в 30 угловых минут, и далее агрегированные до глобального годового значения. Как для голубой, так и для зеленой контрольных переменных пресноводной системы, границы установлены на уровне 95-го процентиля доиндустриальной изменчивости, т.е. колебаний значения процента глобальной площади суши, на которой наблюдаются отклонения от нормы [~10% для голубой и ~11% для зеленой воды; (46) и дополнительные материалы]. Мы предполагаем, что доиндустриальные условия являются репрезентативными для условий периода Голоцена, и что заметное отклонение от этого состояния ставит под угрозу функционирование пресноводной системы Земли. До проведения всесторонней оценки последствий различной степени нарушений граничных состояний голубых и зеленых вод (например, снижение способности связывать углерод, регулирование климата и утрата биоразнообразия; см. Дополнительные материалы), параметры границ являются предварительными и основанными на принципе предосторожности. В настоящее время ~18% (голубая вода) и ~16% (зеленая вода) глобальной площади суши испытывают явления переувлажнения или засухи (46). Таким образом, в отличие от более ранних оценок планетарных границ (1, 2), где рассматривалось только изъятие «голубой воды», этот новый подход указывает на существенное нарушение границ допустимого состояния пресноводной системы. Нарушения границ допустимого состояния, как для голубой, так и для зеленой пресноводных систем, произошли столетие назад, в 1905 и 1929 годах, соответственно (46). Таким образом, при пересмотренном определении контрольных переменных пресноводная система считалась бы нарушенной уже во время предыдущих оценок планетарных границ. При этом, согласно предыдущей системе оценки, значение контрольной переменной глобального масштаба по-прежнему указывало бы на то, что использование пресной воды остается в безопасной зоне, даже при учете более новых источников данных, чем те, которые использовались в (1, 2). Однако, последние оценки глобального потребления голубой воды составляют ~1700 км3 в год (49), то есть намного ниже предыдущей границы безопасного потребления, установленной на уровне 4000 км3 в год.

 

Атмосферная аэрозольная нагрузка

Аэрозоли оказывают множественное физическое, биогеохимическое и биологическое воздействие на земную систему, что мотивирует включение их содержания в атмосфере в качестве планетарной границы (см. Дополнительные материалы). Антропогенная аэрозольная нагрузка возросла (50). Изменения, произошедшие с доиндустриального периода, в отношении природных аэрозолей (например, пыль пустыни, сажа от лесных пожаров), трудно оценить из-за различий в определении трендов разными моделями (51), но данные наблюдений свидетельствуют о глобальном удвоении осаждения пыли с 1750 года (52). В настоящее время Сахара является крупнейшим в мире регионом-источником пыли [например, (53)], но ранее, в голоцене, это был растительный ландшафт со множеством озер и водно-болотных угодий (от 14 500 до 5000 лет до н.э.). Считается, что (после окончания ледникового периода) изменения в системе растительность-пыль-климат, произошедшие вследствие перестройки характера проявления муссонных дождей, покончили с “зеленой Сахарой”, что привело к значительному перемещению населенных пунктов в некоторых частях Африки и Азии (54).

 

Количественная оценка планетарной границы аэрозольной нагрузки затруднена их множественными природными и антропогенными источниками, различиями в химическом составе, сезонности и продолжительности жизни в атмосфере и, следовательно, очень большой пространственной и временной неоднородностью в распределении и климатическом и экологическом воздействии аэрозолей. Тем не менее, оптическая глубина аэрозоля (AOD) может быть общей контрольной переменной для аэрозольной нагрузки. AOD - это комплексный показатель общего уменьшения солнечного света, достигающего поверхности Земли, вызванного полным поглощением, отражением и рассеянием в вертикальном столбе воздуха. На основе фактических данных о связи  больших значений AOD с региональными осадками в Южной Азии (Штеффен и др. (2)  была определена предварительная региональная планетарная граница  AOD = 0,25 (от 0,25 до 0,5) на основании того, что более высокие значения AOD в муссонных регионах, вероятно, приводят к значительно меньшему количеству осадков, что, в конечном итоге, влияет на «целостность биосферы». Среднегодовой показатель AOD в Южной Азии в настоящее время составляет примерно 0,3-0,35 (55, 56). Текущее значение для Восточно-китайского региона составляет 0,4 (55). Таким образом, аэрозольная нагрузка в этих регионах, вероятно, превысила установленные на региональном уровне границы, но с высокой степенью неопределенности. Данных и оценок воздействия аэрозолей на региональный климат и экосистемы недостаточно для определения того, применима ли эта регионально определенная граница где-либо еще. Среднее глобальное значение AOD в настоящее время составляет 0,14 (57), при этом в некоторых регионах уровни значительно выше и с очень сильными градиентами изменений от суши к открытому океану(56).

В дополнение к прямому воздействию AOD на региональный климат и осадки, асимметрия в AOD между северным и южным полушариями может влиять на несколько муссонных систем, как это видно на примере западноафриканского муссона (58) и индийского муссона (59, 60). Межполушарная разница в AOD влияет на региональные муссонные осадки, смещая местоположение Зоны Межтропической Конвергенции (61).  Большая асимметрия в температуре северного и южного полушарий возникает из-за различий в естественных и антропогенных выбросах аэрозолей, почвенном покрове, объеме океана, поглощающего тепло из атмосферы и других климатических факторах (58, 59, 62, 63). Асимметричное изменение воздействия солнечной радиации, возникающее в результате влияния аэрозолей, приводит к относительному похолоданию северного полушария и смещению тропических осадков на юг (64).  Разница в AOD между полушариями и ее влияние на тропические осадки и доступность воды чувствительны к размеру частиц и широтному и высотному распределению аэрозолей (65).  Исследования влияния аэрозолей на климат после извержений вулканов (66) показывают, что муссонные осадки в северном полушарии ослабевают, когда AOD в северном полушарии выше, а межполушарная разница AOD больше, и усиливаются, когда в южном полушарии выбрасывается больше аэрозолей (меньшая межполушарная разница AOD). Это понимание в целом согласуется с наблюдаемым уменьшением среднего количества осадков в тропиках после крупных извержений вулканов и с глобальными климатическими моделями (67). Согласно оценке в  AR6 МГЭИК наблюдаемое уменьшение количества осадков во время муссонных дождей на суше в период с 1950-х по 1980-е годы частично объясняется антропогенными выбросами аэрозолей в северном полушарии, что приводит к относительно большим межполушарным различиям (17). В дополнение к вулканическим аэрозолям динамика муссонов и связанных с ними региональных осадков также реагирует на изменения антропогенных аэрозолей (см. Дополнительные материалы).

Поэтому мы предлагаем среднегодовую межполушарную разницу в AOD в качестве глобально определенной контрольной переменной для аэрозольной нагрузки. Современная межполушарная разница, определенная по результатам 12 измерений, составляет ~0,076 ± 0,006 (среднее значение ± SD), достигая ~0,1 в весенне-летние периоды из-за сезонного увеличения пылевых бурь, которые доминируют в северном полушарии (55). Доиндустриальное среднегодовое значение на основе мультимодального анализа оценивается как ~0,03 (68), что указывает на увеличение межполушарной разницы в AOD на ~0,04 в индустриальную эпоху. Современные межполушарные различия в AOD согласуются с определениями размеров выбросов в Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6), которые показывают большее количество антропогенных аэрозолей в северном полушарии, при этом прогнозы на будущее предполагают уменьшение асимметрии (69).

Мы определяем планетарное граничное значение 0,1 для среднегодовой межполушарной разницы в AOD с высокой неопределенностью в отношении зоны возрастающих рисков от 0,1 до 0,25. Устанавливая эту границу, мы отмечаем, что воздействие аэрозольной нагрузки на системы тропических муссонов наблюдается уже сегодня, и влияет не только на осадки, но и на региональный климат в более широком плане. Взаимодействие аэрозоля с облаками может усугубить последствия изменения асимметрии AOD. Вклад взаимодействия аэрозоля с облаками в асимметрию отраженного коротковолнового солнечного излучения в полушариях неясен. Возьмем, к примеру, текущий диапазон эффективного радиационного воздействия антропогенных аэрозолей на сегодняшний день, который, как сообщается, составляет от -1,6 до -0,6 Вт/м2 на верхней границе тропосферы в среднем по Земному шару для доверительного интервала от 16 до 84%, при этом взаимодействие аэрозоля с облаками является основным источником неопределенности (51). Другие крупномасштабные последствия изменения аэрозольной нагрузки, такие как влияние состава воздуха на наземные и морские экосистемы, также уже очевидны (17, 70).  Биогенные аэрозоли не рассматривались, несмотря на их роль в функционировании обратных связей в системе Земли. Для уточнения границы аэрозольной нагрузки необходимо гораздо лучшее системное и количественное понимание гидрологических, климатических, экологических и биогеохимических эффектов влияния асимметрии концентрации аэрозолей.

 

Подкисление океана

Используемой контрольной переменной является концентрация карбонат-ионов в поверхностной морской воде (в частности, Ωarag, среднее глобальное состояние насыщенности поверхностного океана арагонитом). Первоначальная граничная количественная оценка [≥80% от доиндустриального усредненного глобального Ωarag, равного 3,44 (1)] сохранена. Недавняя оценка определяет текущее значение Ωarag на уровне ~2,8 (71) (см. Дополнительные материалы), что составляет приблизительно 81% от доиндустриального значения. Таким образом, антропогенное подкисление океана в настоящее время находится в пределах границ безопасности, но тенденция ухудшается по мере того, как антропогенные выбросы CO2 продолжают расти.

 

Изменение экосистем суши

Положение этой границы определяется состоянием трех основных лесных биомов, которые во всем мире играют наибольшую роль в управлении биогеофизическими процессами (2),  тропическим, умеренным и бореальным. Контрольная переменная остается прежней: оставшийся лесной покров по сравнению с потенциальной площадью лесов в голоцене (2). Граничные значения остаются на уровне 85%/50%/85% для бореальных/умеренных/тропических лесов (см. Таблицу 1 и дополнительные материалы). На основе карт классификации растительного покрова за 2019 год, полученных по результатам спутниковых наблюдений (72),  текущее состояние региональных биомов аналогично состоянию на 2015 год, хотя в большинстве регионов масштабы обезлесения увеличились с 2015 года (см. Дополнительные материалы). Преобразования в   землепользовании и пожары приводят к быстрому изменению площади лесов (73, 74), а вырубка тропических лесов Амазонки увеличилась настолько, что в настоящее время она нарушила планетарную границу (Таблица 1). Изменения в методологии и технологии, используемых для оценки лесного покрова с 2015 года, могут влиять на различия оценок на уровне биомов, о которых сообщается здесь, по сравнению с последним обновлением (2). Тем не менее, нет никаких сомнений в том, что площадь лесов в мире продолжает сокращаться (74).

 

Процесс системы Земли	Управляющая переменная(и)	Планетарная граница	Базовая стоимость доиндустриального голоцена	Верхняя граница зоны повышенного риска	Текущее значение управляющей переменной
Изменение климата	Концентрация CO 2 в атмосфере (ppm CO 2 )	350 частей на миллион CO 2	280 частей на миллион CO 2	450 частей на миллион CO 2	417 частей на миллион CO 2 ( 41 )
	Суммарное антропогенное радиационное воздействие в верхних слоях атмосферы (Вт м -2 )	+1,0 Вт м- 2	0 Вт м- 2	+1,5 Вт м -2	+2,91 Вт·м −2 ( 41 )
Изменение целостности биосферы	Генетическое разнообразие: E/MSY	<10 E/MSY, но с желаемой целью ок. 1 E/MSY (предполагаемая фоновая скорость потерь от вымирания)	1 Э/МЗЙ	100 Э/МСИ	>100 Э/МЗГ ( 24 – 26 )
	Функциональная целостность: измеряется как энергия, доступная экосистемам (NPP) (% HANPP)	HANPP (в миллиардах тонн углерода в год − 1 ) <10% доиндустриальной голоценовой АЭС, т.е. >90% остается для поддержания функции биосферы.	1,9% (2σ изменчивость средневековой ЧПП доиндустриального голоцена)	20% ХАНПП	30% HANPP (см. дополнительные материалы)
Истощение стратосферного озона	Стратосферная концентрация O 3 (среднее глобальное значение) (DU)	Снижение <5% по сравнению с доиндустриальным уровнем по широте (~ 276 DU)	290 ДУ	261 ДУ	284,6 ДУ ( 96 )
Закисление океана	Концентрация карбонатных ионов, среднее глобальное состояние насыщения поверхности океана по отношению к арагониту (Ω arag )	≥80% Ω от среднего доиндустриального состояния насыщения арагонитом поверхности океана, включая естественную суточную и сезонную изменчивость	3,44 Ом , сопротивление	2,75 Ом, араг.	2,8 Ом ( 71 )
Биогеохимические потоки: циклы P и N	Глобальный уровень фосфатов : поток фосфора из пресноводных систем в океан; региональный : поток P из удобрений в эродируемые почвы (Tg P год −1 )	Общий фосфат : 11 Тг P год -1 ; региональный: 6,2 Тг фосфора в год -1 добыто и внесено в эродируемые (сельскохозяйственные) почвы.Граница представляет собой среднее значение по всему миру, но региональное распределение имеет решающее значение для воздействия.	0 Тг P год −1	Глобально : 100 Тг P в год -1 ; региональный : 11,2 Тг P год -1	Глобально : 22,6 Тг P год -1 ( 75 ); региональный : 17,5 Тг P год −1 ( 76 )
	Глобальный азот : промышленная и преднамеренная фиксация N (Tg N год -1 )	Азот общий: 62 Тг N год -1 . Граница — это среднее значение по всему миру.. Антропогенная биологическая фиксация азота на сельскохозяйственных территориях весьма неопределенна, но оценивается в диапазоне от ~ 30 до 70 Тг N год -1 . Граница действует как глобальный «клапан», ограничивающий поступление нового реактивного азота в систему Земли, но региональное распределение азотных удобрений имеет решающее значение для воздействия.	0 Тг N год −1	82 Тг Н год −1	190 Тг Н год −1 ( 84 )
Изменение земельной системы	Глобальный : площадь лесных угодий в процентах от первоначального лесного покрова; биом : площадь лесных земель в процентах от потенциальных лесов (% оставшейся площади)	Глобально: значения 75 % представляют собой средневзвешенное значение трех отдельных границ биома; биомы : тропические, 85%; умеренный, 50%; бореальный: 85%	100%	Глобальный: 54%; биомы : тропические, 60%; умеренный — 30%; бореальный: 60%	Глобальный : 60% [( 72 , 97 ) и см. дополнительные материалы]; тропический : Америка, 83,9%; Африка – 54,3%; Азия – 37,5%; умеренный : Америка, 51,2%; Европа – 34,2%; Азия – 37,9%; бореальный : Америка, 56,6%; Евразия: 70,3%
Изменение пресной воды	Голубая вода: антропогенное нарушение потока голубой воды.	Верхний предел (95-й процентиль) площади суши в мире с отклонениями, большими, чем в доиндустриальный период, Голубая вода: 10,2%.	9,4% (медиана доиндустриальных условий)	50% (предварительно)	18,2% ( 46 )
	Зеленая вода: антропогенное нарушение доступности воды для растений (% площади суши с отклонениями от доиндустриальной изменчивости)	Зеленая вода: 11,1%	9,8% (медиана доиндустриальных условий)	50% (предварительно)	15,8% ( 46 )
Загрузка атмосферного аэрозоля	Межполушарная разница в АОЗ	0,1 (средняя годовая разница между полушариями)	0,03	0,25	0,076 ( 55 , 57 , 68 )
Новые сущности	Процент синтетических химикатов, выброшенных в окружающую среду без адекватных испытаний на безопасность	0	0	NA	Нарушил

Табл.1. Текущее состояние планетарных границ.

 

 

Биогеохимические потоки

В разделе «Биогеохимические потоки» определяются границы допустимого антропогенного изменения глобальных круговоротов азота (N) и фосфора (P), поскольку эти два элемента являются фундаментальными строительными блоками жизни, и их глобальные циклы были заметно изменены благодаря сельскому хозяйству и промышленности. Антропогенное воздействие на глобальный круговорот углерода столь же фундаментально, но оно учитывается нами при рассмотрении компонентов «Изменение климата» и «Целостность биосферы». В дальнейшем и другие элементы могут оказаться в центре внимания по мере углубления понимания человеческого влияния на круговорот веществ. Как для круговорота азота, так и для круговорота фосфора антропогенный вброс химически активных форм в наземные и океанические экосистемы имеет значение, поскольку изменения потоков питательных веществ и соотношений элементов оказывают глубокое воздействие на состав экосистем и долгосрочное влияние  на всю систему Земли. Некоторые из сегодняшних изменений будут заметны только на эволюционных временных масштабах, в то время как другие уже влияют на климат и целостность биосферы.

Для фосфора мы сохраняем границы регионального уровня и глобальные границы, предложенные Штеффеном и др. (2) в статье 2015 года. Глобальной границей для фосфора является перенос пресными водами в океан 11 Тг фосфора  в год, ее превышение может вызвать крупномасштабные заморы (или аноксию). Мы не нашли исследований, количественно оценивающих поступление фосфора с пресной водой в море, выполненных после 2015 года, т.е., по оценкам, это 22 Тг P в год (75). Региональная граница установлена в объеме 6,2 Тг фосфора в год от удобрений на дренируемых почвах, чтобы предотвратить широко распространенную эвтрофикацию пресноводных экосистем. Текущая оценка количества фосфора, вносимого в виде удобрений на пахотные земли, составляет 17,5 Тг фосфора в год (76), а поскольку использование фосфора растет, в других исследованиях сообщалось о гораздо более высоких показателях − до 32,5 Тг фосфора в год (77–79). Таким образом, для фосфора превышены как глобальные, так и региональные границы. Планетарная граница для азота - внесение в сельскохозяйственную систему 62 Тг технически связанного азота в год [без изменений по сравнению с (2)]. В настоящее время внесение промышленных азотных удобрений составляет 112 Тг азота в год (80). Количественная оценка антропогенной биологической фиксации азота сельским хозяйством весьма неопределенна, но самые последние полученные показатели находятся в диапазоне от ~30 до 70 Тг азота в год (81–83). По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (84), общее внесение антропогенного связанного азота в агросистему составляет ~190 Тг в год, так что эта граница также нарушена во всем мире.

 

Обсуждение.

 

В настоящее время обнаружено, что шесть планетарных границ нарушены (рис. 1 и таблица 1). Для всех границ, ранее определенных как нарушенные [Изменение климата, Целостность биосферы (генетическое разнообразие), Изменение экосистем суши и Биогеохимические потоки (N и P)], степень нарушенности увеличилась с 2015 года. Мы ввели HANPP - Human Appropriation of Net Primary Production - Присвоение Человеком Чистой Первичной Продукции - в качестве контрольной переменной для функционального компонента Целостность биосферы и утверждаем, что эта граница также нарушена. Значительный научный прогресс, достигнутый в последнее время в уточнении границ безопасного изменения функционирования Пресноводной системы, позволил определить и включить в определение планетарной границы Изменение пресноводной системы контрольные переменные, как для зеленого (почвенные воды), так и для голубого (свободно текущие воды) её компонентов. Границы допустимого изменения  обоих компонентов нарушены. Предложены глобальные границы Аэрозольной нагрузки и Новых факторов (химические загрязнения). Граница Новых факторов также нарушена. Глобальная граница Аэрозольной нагрузки не нарушена, хотя отмечаются региональные нарушения.

 

Воздействие на земную систему различных сценариев одновременного нарушения границ компонентов Изменение экосистем суши и Изменение климата.

Чтобы проиллюстрировать важность рассмотрения всего множества антропогенных воздействий на глобальную окружающую среду в совокупности, а не по отдельности, мы изучили, как нарушения границ компонентов Изменение климата и Изменение экосистем суши различной степени в совокупности влияют на два параметра, определяющих состояние земной системы: температуру и накопление углерода в экосистемах суши.

Что касается изменения климата, то Потсдамская модель Земли (POEM) [[(85) и дополнительные материалы] была просчитана при трех значениях повышения уровня углекислого газа в атмосфере (350, 450 и 550 частей на миллион), а изменение экосистем суши было смоделировано для форм землепользования, используемых на различных участках тропических, умеренных и бореальных лесных зон (смотрите дополнительные материалы). Поскольку некоторым биологическим процессам требуются столетия, чтобы приблизиться к устойчивому состоянию, мы проанализировали возможные изменения как в краткосрочной (1988-2100), так и в долгосрочной перспективе (2100-2770). Это также позволило нам проверить достоверность расположения планетарных границ и зон повышенного риска с точки зрения критических реакций земной системы.

Моделирование показало, что вследствие влияния антропогенной деятельности параметры изменения климата и состояния экосистем суши вышли за пределы зоны безопасности примерно в 1988 году. Результаты моделирования говорят, что если бы на Земле сохранялись бы те же условия, какие были в 1988 (350 частей СО2 на миллион и 85%/50%/85% площади нетронутых тропических/умеренных/бореальных лесов), то температура на поверхности суши в мире не повысилась бы более чем на дополнительные 0,6°C в последующие 800 лет (и не более 1,3°C по сравнению с доиндустриальным периодом). К 2100 году экосистемы суши производили бы небольшое (суммарно 25 Гт углерода) избыточное количество углерода, а через 800 лет величина совокупного избыточный выделения  углерода  составляла бы не более 68 Гт. Таким образом, исследование предполагает, что в основном стабильные планетарные условия сохранялись бы, если бы антропогенное воздействие на эти два компонента земной системы  оставалось на уровне 1988 года, т.е. приблизительно в пределах границ безопасного существования человечества.

Однако с тех пор обе эти планетарные границы были нарушены, и мы оказались в ситуации возрастающего риска системных нарушений. Если контрольную переменную для Изменения климата зафиксировать на уровне 450 частей углекислого газа на миллион,  а контрольную переменную для Изменения наземных экосистем зафиксировать как сокращение площади лесов на уровне 60%/30%/60% от естественного бореального/умеренного/тропического покрова, то моделирование показывает среднее повышение температуры на суше на 1,4°C к 2100 году (в дополнение к 0,7°C между доиндустриальным уровнем и уровнем 1988 года) и на 1,9°C через 800 лет за счет развития растительности и усиления её роста в условиях более теплого климата при большей концентрации СО2 (рис. 2).

 

Рис. 2. Влияние совокупного эффекта изменения экосистем суши и граничных параметров состояний изменения климата на траектории изменения наземных запасов углерода и глобальную температуру суши. Результаты основаны на экспериментах по моделированию идеализированной системы Земли с различными положениями планетарных границ, изменяющимися от оптимальных значений  (85%/50%/85% бореальных/умеренных/тропических лесов и  350 частей на миллион атмосферного CO2, зеленый) до верхней границы зоны повышенного риска (60%/30%/60%, 450 частей на миллион, оранжевый) и за пределами зоны повышенного риска (40%/20%/40%, 550 промилле, красный). Незакрашенными кружочками обозначены краткосрочные изменения системы (1988-2100), в то время как цветные круги обозначают долгосрочные изменения (2100-2770). Их цвета обозначают состояние границы изменения наземной экосистемы, в то время как граница изменения климата показана по оси y. Расположение кружков на оси x отражает изменения в запасах углерода на суше, а соответствующие изменения температуры на суше приведены рядом с каждым кружком, оба по сравнению с 1988 годом. Нарушение границы изменения климата (ось y) в основном связано с повышением температуры, в то время как нарушение границы допустимого  изменения  экосистемы суши приводит к потере наземных запасов углерода (источника) в размере от 100 до 200 Гт C.

 

Усиление роста растительности при повышенной концентрации СО2 компенсирует негативное воздействие потепления климата на среднемировое поглощение углерода, приводя лишь к умеренным совокупным потерям углерода на суше из-за дополнительной вырубки лесов. Однако, если бы обезлесение оставалось в пределах оптимальной  планетарной границы, а не стремилось бы выйти на уровни зоны повышенного риска, то в экосистеме суши образовался бы кумулятивный поглотитель углерода, способствующий стабилизации условий на Земле, а не его источник. Напротив, если позволить темпу вырубки лесов достичь уровня зоны высокого риска, то моделирование показывает существенную дополнительную утечку углерода в атмосферу как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе (132 и 211 Пг C), несмотря на сильное увеличение роста растительности с повышением концентрации CO2 (рис. 2).

Ситуация становится еще более экстремальной, если концентрация CO2 в атмосфере поднимется выше зоны риска (550 частей на миллион; рис. 2) и вырубка лесов продолжится. Мало того, что температура на суше становится примерно на 2,7°C выше, чем в 1988 году (на 3,4°C теплее, чем в доиндустриальный период), но также около 145 Гт углерода будет потеряно в долгосрочной перспективе из наземной растительности и почв. Обратите внимание, что эти результаты моделирования получены при оптимистичных предположениях об увеличении роста растительности с повышением концентрации CO2. Многие экологические факторы, недостаточно учитываемые в современных биогеохимических моделях, могут привести к еще менее желательным последствиям выхода за пределы пространства безопасного существования. Эти расчеты наглядно иллюстрируют, что воздействие человека на климат и лесной покров необходимо рассматривать системно, как взаимосвязанные факторы. Кроме того, они свидетельствуют в пользу того, что современные значения параметров планетарных границ для изменения климата и экосистем суши уже находятся в нижней части зоны повышенного риска.

 

Системная основа для решения проблемы глобального антропогенного воздействия на земную систему

Представленные здесь обновленные научные данные и их анализ подтверждают, что человечество сегодня оказывает беспрецедентное давление на земную систему. Возможно, наиболее тревожным с точки зрения удержания земной системы в состоянии, подобном межледниковью голоцена, является то, что все планетарные процессы, обеспечивающие устойчивость (способность гасить возмущения) земной системы, нарушили границы пространства безопасного существования человечества или близки к этому. В недавнем исследовании (18) было показано, что в нескольких  регионах, состояние которых существенно для стабильности глобальной экосистемы, критические с климатической точки зрения значения превышены или близки к этому, что ослабляет глобальный потенциал жизнестойкости.  Это подразумевает, что мы имеем дело с низкой и снижающейся адаптивностью системы именно тогда, когда сопротивляемость планетарной системы должна быть выше, чем когда-либо, чтобы справиться с растущими антропогенными возмущениями. Существует настоятельная потребность в более мощных научных и политических инструментах для надежного и регулярного анализа всей интегрированной системы Земли и руководства политическими процессами с целью предотвращения перехода системы Земли в состояние, неприемлемое для современного человечества. В дополнение к более последовательному сбору и сопоставлению соответствующих глобальных экологических данных, необходима разработка моделей земной системы, которые более полно отражают взаимодействия геосфера-биосфера-антропосфера, чем это имеет место сегодня. Взаимосвязанность компонентов  системы Земли следует из научного понимания планеты (14, 22) как интегрированной, частично саморегулирующейся системы. Системное развитие концепции планетарных границ необходимо для лучшего понимания рисков при нарушении этих границ, которые  человечество должно учитывать в своей экономической и общественной деятельности. На его основе будет возможно существенно повысить реалистичность моделирования и экологического анализа роли биосферы как ядра системы планеты Земля, обеспечивающего её адаптивность. Эти инициативы находятся в стадии реализации, но нуждаются в дальнейшем развитии в виде согласованного процесса комплексного анализа системы Земли на данных физических, химических и биологических наук, не замыкающемся на проблематике изменения климата.

Для успешного решения проблемы антропогенного изменения климата необходимо учитывать  внутренние взаимодействия биосферы и геосферы в системе Земли. Результаты нашего моделирования показывают, что одним из самых мощных средств, имеющихся в распоряжении человечества для борьбы с изменением климата, является соблюдение границ изменения экосистем суши. Восстановление лесного покрова планеты до уровня конца 20-го века обеспечило бы значительный кумулятивный сток атмосферного CO2 к 2100 году. Однако, такое лесовосстановление кажется маловероятным, учитывая нынешнее рассмотрение растительной биомассы как замены ископаемого топлива и надежды на компенсацию выбросов CO2 путем его консервации и хранения в древесине. Оба вида деятельности уже способствуют увеличению нагрузки на остающиеся на Земле леса. При этом, наше исследование показывает, что несоблюдение планетарных границ изменения экосистем суши может поставить под угрозу усилия по достижению глобальных климатических целей, установленных Парижским соглашением.

Обновленные с использованием свежих данных выводы концепции планетарных границ должны послужить новым тревожным сигналом человечеству о том, что условия жизни на Земле, сейчас подобные голоценовым, могут опасно измениться. Эти выводы также могут  способствовать использованию существенных возможностей человечества для своего устойчивого развития на нашей планете. Научное понимание планетарных границ не ограничивает, а стимулирует человечество к инновациям на пути к будущему, в котором стабильность земной системы будет цениться и поддерживаться.

 

Й.Рокстрём с соавторами

Science Advances, v.9, No.37, 2023

Перевод: Н.Баянов, С.Забелин, А.Кокорин, А.Маслова, В.Мокиевский

 

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

 

	Экология | В мире Йохан Рокстрём: Мы вступили в совершенно новую эпоху, где мы не только являемся самой большой силой изменений на планете, но и начинаем упираться в потолок жестко запрограммированных биофизических процессов, регулирующих функционирование Земли
	Стратегии развития | В мире Переосмысление Человечества
	22.01.24 | Стратегии развития | В мире Чувство разочарования в существующем положении вещей становится все более ощутимым