Исследования биосферы в глобальном масштабе начались в 1980-х годах, когда наконец стало ясно, что человеческая деятельность глобально меняет не только экосистемы, но и состав атмосферы и что два этих явления взаимосвязаны. В конце XIX века шведский химик Сванте Аррениус выдвинул теорию, что из-за индустриальной деятельности, во время которой сжигается органическое топливо, в атмосферу должен выбрасываться диоксид углерода и его концентрация со временем повышается. Он также полагал, что это должно привести к глобальному потеплению, и высчитал, насколько масштабным оно будет. Все его вычисления оказались довольно близки к нашим современным, но тогда нельзя было провести соответствующие тесты, поскольку не было инструментов, которые могли с нужной точностью измерять концентрацию CO2 и определять, повышается она или нет. С этим пришлось подождать до 1950-х годов, когда Чарльз Килинг изобрел аппарат, который мог с высокой точностью измерять уровень CO2, — через несколько лет после того, как он был установлен, стало абсолютно ясно, что концентрация CO2 действительно увеличивается. Разумеется, с того времени она только продолжает расти.
Чтобы подтвердить идеи Аррениуса о повышении концентрации углекислого газа, нам пришлось прождать столетие, а чтобы подтвердить его идеи о глобальном потеплении, пришлось ждать еще больше, поскольку климат — это очень сложная вещь, он не меняется равномерно от года к году. Температура повышается, но мы не можем разобрать этого в наших данных вплоть до примерно 1980-х годов — именно тогда сигнал становится виден в шуме.
Теперь мы знаем, что Аррениус был прав. С этим открытием изменилось и то, как мы рассматриваем биосферу. CO2 фундаментально важен в жизни растений: они его принимают, перерабатывают и выделяют обратно в окружающую среду. Этот поток углекислого газа в экосистему и обратно настолько масштабен, что даже небольшие пертурбации в нем могут повлиять на атмосферу так же, как и тот углекислый газ, который мы выбрасываем в атмосферу при сжигании органического топлива сейчас.
Постепенно мы поняли, что биосфера и атмосфера интенсивно взаимодействуют между собой и что существует глобальный углеродный цикл: обмен CO2 между атмосферой и океаном и между атмосферой и сушей. По сути все это является одной системой. С учетом этого нового понимания биосферы возникла острая необходимость создать глобальные модели, описывающие работу экосистем и то, как климат модифицирует и контролирует их и как экосистемы, в свою очередь, влияют на углеродный цикл.
Со временем стало ясно, что экосистемы должны иметь более прямое влияние на климат, поскольку большая часть воды, которая попадает в атмосферу с поверхности земли, проходит через растения, а значит, любые перемены в растительном покрове могут повлиять на водный обмен, а также на физические показатели, например на поглощение тепла.
У нас появилось новое понимание биосферы — как компонента земной системы, который активно взаимодействует с другими ее компонентами, но вот науки, необходимой для создания численных моделей, у нас не было. Экология вся сводилась к мелкомасштабным процессам — в основном к пищевым взаимодействиям и видам, а не к физическим процессам и физическим взаимодействиям обмена, так что нам необходимо было как можно быстрее развить теорию.
Системные климатические модели основаны на моделях прогноза погоды, но ориентированы на долгосрочную перспективу. В настоящий момент они включают в себя биосферу, и это очень большое достижение. Но есть и несколько проблем, одна из которых состоит в том, что, когда нас просят сделать прогноз по различным сценариям, все эти модели дают разные результаты. Они не могут быть верны все одновременно. Также в них допускается довольно много системных ошибок, и в этой области еще нужно проделать много работы. Наши модели становятся все более и более сложными, но, к сожалению, не более точными, и многие ученые в этой области сейчас понимают, что нужно их улучшать. Оглядываясь назад, можно сказать, что мы все сделали в огромной спешке: разные исследовательские группы разрабатывали модели независимо друг от друга без особой перекрестной проверки, без достаточного сравнения данных.
Данные — это ключевая проблема в нашей области. Когда мы только начали разрабатывать эти модели, данных для анализа в крупном масштабе было очень мало, мы не могли проверить все наши предположения. Сейчас ситуация радикально изменилась, в основном к лучшему, и теперь мы не только намного точнее измеряем присутствие диоксида углерода и других элементов в атмосфере, но у нас также есть данные о потоках CO2 и энергии между экосистемами и атмосферой на локальном уровне в нескольких сотнях мест по всему миру. Кроме того, у нас есть сгруппированные в базы данных физиологические показатели растительности, собранные разными группами исследователей: по отдельности они незначительны, но, если объединить тысячи таких исследований, получится глобальная картина. И наконец, мы обладаем огромным количеством спутниковых данных, которых становится все больше, мы накапливаем более длительную историю наблюдений, а также больше данных о свойствах поверхности земли, таких как зелень (фундаментально важное свойство, поскольку зеленый — это цвет хлорофилла, который отвечает за фотосинтез, за поглощение CO2) или отражающая способность земной поверхности. Поразительно, что некоторые индикаторы, такие как эффективность светового поглощения при фотосинтезе, сегодня можно измерять прямо из космоса.
Иен Колин Прентис, биолог