Beyond boundaries: Earth’s water cycle is being bent to breaking point

Гленном Шерером

23-33 минуты

---

• Гидрологический цикл является фундаментальным естественным процессом, обеспечивающим целостность операционной системы Земли. Человечество и цивилизация тесно зависят от круговорота воды, но мы широко и разрушительно манипулировали им, чтобы удовлетворить свои потребности.
• Мы еще не знаем всех глобальных последствий антропогенных изменений водного цикла. Мы знаем, что такие изменения могут привести к огромным сдвигам в земных системах, угрожая существующей жизни. Исследователи задаются вопросом, где и как они могут измерить изменения, чтобы определить, приближается ли круговорот воды к пределу.
• Недавние исследования показали, что изменения в аспектах круговорота воды в настоящее время вызывают дестабилизацию земной системы в таких масштабах, с которыми современная цивилизация, возможно, никогда не сталкивалась. Это уже проявляется в экстремальных погодных явлениях и долгосрочных медленно наступающих изменениях климата с последствиями, которые мы еще не понимаем.
• Нет легких и простых решений. Чтобы увеличить наши шансы остаться в «безопасном жизненном пространстве», нам необходимо обратить вспять ущерб глобальному гидрологическому циклу с помощью широкомасштабных вмешательств, включая сокращение использования воды и обращение вспять обезлесения, деградации земель, эрозии почвы, загрязнения воздуха и изменение климата.

Вода кажется обманчиво простой, и ее легко принять как должное. Он не имеет цвета, вкуса или запаха и является одним из самых распространенных химических соединений на Земле. Бесконечно перерабатываемый биосферой в различных формах, он имеет основополагающее значение для сохранения неповрежденной операционной системы нашей планеты, и так было на протяжении миллионов лет.

Вода это жизнь. Земные океаны — это место, где, вероятно, зародилась жизнь, а пресная вода необходима для сохранения и процветания растений и животных. Это основа любого человеческого развития. Но по мере того, как наш мир 21- ^го века мчится вперед, мы в значительной степени манипулируем круговоротом воды с беспрецедентной скоростью и в беспрецедентных масштабах, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности стремительно растущего населения.

К 2030 году мы построим достаточно плотин, чтобы изменить 93% рек мира . Оценки разнятся, но мы уже используем около 90% пресной воды планеты для выращивания пищи . Сейчас более половины из нас живет в городах, но к 2050 году прогнозируется, что 68% из почти 8 миллиардов человек в мире будут проживать в городских районах. Такой городской образ жизни потребует астрономических объемов воды — добываемой, очищаемой и транспортируемой по трубопроводу на большие расстояния. Человечество также предотвращает легкое проникновение большого количества дождевой воды под землю, сокращая водоносные горизонты, поскольку мы прокладываем огромные площади непроницаемым бетоном и асфальтом.

Но эти легко заметные изменения — лишь пресловутая верхушка айсберга. Исследователи проливают новый свет на масштабные изменения антропогенного цикла воды на Земле, многие из которых проявляются в процессах, в значительной степени невидимых. В антропоцене — неофициальном названии современной единицы геологического времени, находящейся под влиянием человека, — мы уже подталкиваем одну из самых фундаментальных и основополагающих систем Земли, гидрологический цикл, к критической точке.

Проблема в том, что мы еще не знаем, когда этот порог может быть достигнут или каковы будут точные последствия. Ученые решительно ищут ответы.

Основы водного цикла

Гидрологический круговорот питается от солнца и протекает через вечные вдохи и выдохи воды в разных состояниях, так как она обменивается между атмосферой и планетой. Жидкая вода из океанов, озер и рек поднимается в результате испарения в небо, образуя водяной пар, важный парниковый газ, который, как и углекислый газ, помогает изолировать планету, чтобы поддерживать «правильную» температуру для поддержания жизни, какой мы ее знаем.

Атмосферный водяной пар затем превращается в жидкость, выпадая на землю в виде осадков. Затем он снова течет по ландшафту в виде стока, а то, что не возвращается в водоемы, оседает в почве, поглощается растениями и высвобождается через транспирацию в виде пара к небу. Большое количество пресной воды также заперто в ледниках и ледяных шапках.

В рамках этого цикла происходят постоянные сложные взаимодействия между тем, что ученые называют синей и зеленой водой. Голубая вода включает реки, озера, водохранилища и возобновляемые запасы подземных вод. Зеленая вода определяется как наземные осадки, испарение и влажность почвы.

Полностью функционирующий гидрологический цикл со сбалансированными запасами и потоками голубой и зеленой воды имеет важное значение для наземных и водных экосистем, наличия и производства продуктов питания для человека и нашей энергетической безопасности.

Он также регулирует погоду на Земле и влияет на климат. Температура атмосферы, например, зависит от испарения и конденсации. Это потому, что при испарении вода поглощает энергию и охлаждает окружающую среду, а конденсируясь, она высвобождает энергию и нагревает мир. На протяжении геологической эпохи голоцена относительно стабильный круговорот воды помогал поддерживать сбалансированные температуры и условия, способные поддерживать цивилизацию.

Однако в антропоцене деятельность человека повлияла на круговорот воды, климат и экосистемы. Во-первых, по мере того, как в атмосфере накапливается все больше антропогенного CO ₂ и метана, планета удерживает больше солнечной энергии, вызывая глобальное потепление. И чем горячее воздух, тем большее количество водяного пара может удерживать атмосфера. Это плохая новость, потому что водяной пар сам по себе является мощным парниковым газом, значительно усиливающим потепление.

Измерение изменения гидрологического цикла: «Это сложно»

Поскольку наши антропогенные манипуляции с круговоротом воды обостряются в глобальном масштабе, нам срочно нужен целостный способ отслеживания этих изменений и понимания их воздействия. Тем не менее, эта тема не получила необходимого научного внимания. «Насколько нам известно, не существует исследования, всесторонне изучающего, привели ли изменения водного цикла человека, могут ли они привести или приведут к сдвигам режима планетарного масштаба в земной системе», — отметили исследователи в статье 2020 года о роль круговорота воды в поддержании фундаментального функционирования Земли.

Одна ключевая проблема ученых: если серьезные гидрологические сдвиги произойдут в слишком многих регионах или в ключевых регионах, которые сильно влияют на круговорот воды или доступность воды (например, в Амазонке), то это может спровоцировать сдвиги в других регионах в виде глобальной цепной реакции. — говорит соавтор исследования Дитер Гертен, руководитель рабочей группы и координатор моделирования Земли в Потсдамском институте исследований воздействия климата в Германии.

«Концептуально мы знаем, что должен быть предел тому, насколько сильно мы можем нарушить [гидрологическую] систему, прежде чем мы почувствуем серьезное воздействие на систему Земли, а затем, в более широком смысле, на человечество», — говорит один из других соавторов статьи. , Миина Поркка, научный сотрудник Группы по водным ресурсам и развитию Университета Аалто в Финляндии.

Международные исследователи под эгидой Стокгольмского центра устойчивости пытаются найти ответы на эти вопросы. Они должны были начать с основ. Одной из больших проблем на сегодняшний день является отсутствие у ученых метрики для количественной оценки серьезных изменений водного цикла. Как мы вообще измеряем изменения в круговороте воды?

«Все усложняется», — говорит Гертен, который с 2009 года участвует в исследовании, направленном на то, чтобы привнести глобальную перспективу в местное управление водными ресурсами, которое проводится в рамках Planetary Boundaries Framework ; Гертен также является профессором климатологии и гидрологии глобальных изменений в Берлинском университете им. Гумбольдта.

Измерение изменения: голубая вода

Концепция планетарных границ определяет безопасное рабочее пространство для человечества, представленное девятью естественными глобальными процессами, которые в случае серьезной дестабилизации могут нарушить операционную систему Земли и поставить под угрозу жизнь и цивилизацию. Пресноводная планетарная граница представляет собой один из таких порогов, и ученые работают над определением глобального предела антропогенных модификаций водного цикла.

Первоначально, в 2009 году, речной сток использовался для измерения граничного порога, объясняет Гертен, потому что голубая вода во всех ее формах интегрировала три крупнейших антропогенных манипуляции с круговоротом воды: воздействие человека на характер осадков, изменения почвы. влажность по землепользованию и растительному покрову; и забор воды для нужд человека.

В этом исследовании использовался простой расчет глобальной суммы среднегодового стока поверхностных вод в реках, при этом предполагалось, что 30% этой доступной воды необходимо защищать. Эта граница «использования пресной воды» была установлена ​​​​на уровне 4000 кубических километров (960 кубических миль) в год потребления голубой воды. Это нижний предел годового диапазона в 4000-6000 км3 (960-1440 миль3), обозначенного как опасная зона, которая подводит нас «слишком близко к риску синих и зеленых порогов, вызванных водой, которые могут иметь пагубные или даже катастрофические последствия. в земной системе», — написали исследователи в статье 2020 года , в которой оценивалась водная планетарная граница.

With only an estimated 2,600 km3 (624 mi3) of water withdrawn annually at the time of the study, scientists concluded we were still in the safe zone. However, “That [conclusion] was immediately criticized,” Gerten says, in part because scientists were already seeing ample regional water-related problems. Another criticism argued that the measure of blue water alone did not reflect all types of human interference with the water cycle and Earth system.

Gerten later led work that proposed quantifying the boundary by assessing the amount of streamflow needed to maintain environmental flow requirements in all river basins on Earth. This approach had the advantage of recognizing regionally transgressed limits and thereby deduced a global value.

According to this newer calculation, the freshwater use planetary boundary should be set much lower, at about 2,800 km3 (672 mi3), Gerten says, which means humanity is already much closer to the danger zone than previously thought. “Water is more limited on Planet Earth than we think,” Gerten cautions.

Переопределение границы пресной воды: Зеленая вода

Со временем был сформирован консорциум исследователей, чтобы тщательно изучить границу с пресной водой. В результате в 2019 и 2020 годах была проведена дополнительная работа , в которой предлагалось разделить границу пресной воды на подграницы, относящиеся к основным запасам пресной воды: а именно атмосферные воды, замороженные воды, подземные воды, влажность почвы и поверхностные воды.

С тех пор ученые еще больше упростили свой подход. «Несмотря на то, что мы говорим об очень сложных вещах, — говорит Поркка, — определение границ, чтобы быть полезным в качестве метрики, должно оставаться «относительно простым».

Самая последняя и масштабная переоценка пресноводной планетарной границы была опубликована в 2022 году . «Мы предлагаем… изменить название с «планетарная граница использования пресной воды» на «планетарная граница изменения пресной воды», — говорит ведущий автор исследования Лан Ванг-Эрландссон из Стокгольмского центра устойчивости. «Тогда, чтобы иметь два компонента, — добавляет она, — один для зеленой воды, а другой для голубой воды».

«У воды так много функций в земной системе, и многие из них выполняются невидимо через зеленую воду», — объясняет Гертен. «Мы этого не видим и не чувствуем. Вот почему [зеленой воде] не уделялось должного внимания на протяжении десятилетий. Основное внимание уделялось речным потокам и подземным водам, потому что мы можем их видеть, чувствовать, использовать и прикасаться к ним. Но [в результате] большая часть круговорота воды была упущена из виду».

Недавно принятая метрика для отслеживания зеленой воды: влажность почвы в корневой зоне растений, или более технически: «процент свободной ото льда площади суши, на которой аномалии влажности почвы в корневой зоне выходят за локальные границы базовой изменчивости в любой месяц». года.»

Этот новый прокси привлекателен тем, что на него напрямую влияет человеческое давление с измеримыми изменениями с течением времени. В свою очередь, влажность почвы напрямую влияет на целый ряд крупномасштабных экологических, климатических, биогеохимических и гидрологических явлений.

Используя этот новый критерий нарушения границы зеленой воды, ученые обнаружили серьезное гидрологическое отклонение от базовой линии, установленной в голоцене. И доказательства такого ухода неопровержимы: исследователи обнаружили «беспрецедентные области [Земли] с аномалиями влажности почвы в корневой зоне», что указывает на выход из так называемой «безопасной зоны».

Также был введен второй критерий, устойчивость систем Земли. Исследователи оценили состояние региональных климатических систем (от муссонов до поглотителей углерода на суше и крупных биомов), чтобы увидеть, в каких из них произошли повышенные изменения в скорости их процессов, что привело к волновым эффектам, которые могут дестабилизировать систему Земли, объясняет Ван-Эрландссон.

Нарушенная граница изменения пресной воды

К сожалению, примеры скомпрометированных нарушений устойчивости Земной системы широко распространены по всей планете.

Возьмем, к примеру, тропический лес Амазонки. В настоящее время известно, что пик поглощения углерода, вероятно, пришелся на 1990-е годы , а с тех пор снижение секвестрации было вызвано эскалацией изменения климата и пожаров, а также глобальным спросом на сельскохозяйственные товары, что привело к обширной вырубке амазонских лесов, что привело к серьезным изменениям в землепользовании. Совсем недавно африканские тропические леса прошли пик поглощения углерода .

Когда эти обширные биомы и природные системы подвергаются экстремальным множественным стрессовым факторам, последствия могут усиливаться и приводить к большим и более быстрым темпам изменений, говорит Ван-Эрландссон: изменения, вызывает усиливающуюся засуху, которая в настоящее время приводит к каскадным возмущениям в живых системах. Теперь ученые считают, что биом тропического леса, стабильный на протяжении тысячелетий, достигает критической точки и может быстро превратиться в сезонный лес или даже в деградировавшую саванну . Этот сдвиг может привести к трансформации южноамериканской системы муссонов и к постоянному уменьшению количества осадков и обеднению биоразнообразия.

Но то, что началось в Амазонии, вряд ли останется там: разрушение тропических лесов приведет к выбросу огромного количества углерода, усилив изменение климата, что потенциально может привести к климатическим и экологическим переломным моментам в других биомах.

Другим вызывающим беспокойство примером (хотя и обсуждаемым) сдвига системы Земли является предположение об ослаблении процесса углеродного удобрения , при котором более высокие концентрации углерода в атмосфере приводят к ускорению фотосинтеза, поскольку растения пытаются улучшить эффективность использования воды перед лицом засухи. Считается, что этот эффект уже имеет место, вызванный ограничениями доступности питательных веществ и влаги в почве.

В засушливых районах изменение климата и деградация экосистем запускают порочный круг потери способности инфильтрации — уменьшения влажности почвы и рециркуляции влаги, что приводит к увеличению опустынивания и утрате биоразнообразия. В полярных регионах вечной мерзлоты насыщение почвы влагой может ускорить оттаивание, вызывая опасные выбросы метана . Метан является парниковым газом гораздо более мощным, чем углекислый газ.

Встревоженные отклонением круговорота воды от исходного уровня голоцена и отметив «тревожные» признаки низкой устойчивости Земной системы, исследователи в начале 2022 года объявили границу зеленых вод «значительно нарушенной ». По их словам, ситуация, вероятно, ухудшится до того, как будет наблюдаться какой-либо разворот тренда. «Модификации зеленой воды в настоящее время вызывают растущие риски для системы Земли в масштабах, с которыми современные цивилизации, возможно, никогда не сталкивались», — говорится в исследовании.

Мы еще не знаем, какими в конечном итоге будут последствия планетарного масштаба, но, говорит Поркка, у нас есть представление о том, как последствия могут ощущаться в разных частях мира.

Катастрофические экстремальные погодные явления

Региональные экстремальные явления, включая наводнения и мегазасухи, уже происходят, отмечает Поркка. Примеры можно найти на каждом континенте.

Например, на юго-восточном побережье Африки: сеть ученых World Weather Attribution (WWA) обнаружила, что антропогенное изменение климата увеличило вероятность и интенсивность проливных дождей, связанных с тропическими циклонами. Группа основывала свои выводы на анализе тропических штормов Ана и Батисраи, обрушившихся на части Мадагаскара, Мозамбика, Малави и Зимбабве в начале 2022 года. масштабный ущерб инфраструктуре. Такого рода экстремальные погодные явления оказывают сильное давление на социально-экономические и политические институты и могут легко дестабилизировать развивающиеся страны, испытывающие трудности.

И ситуация ухудшается. число бедствий, связанных с погодными, климатическими или водными опасностями, увеличилось в пять раз за последние 50 лет По данным Всемирной метеорологической организации, . Оценка с 1970 по 2019 год выявила более 11 000 сообщений о стихийных бедствиях, связанных с такими опасностями во всем мире, в результате которых погибло более 2 миллионов человек и был нанесен ущерб в размере 3,64 триллиона долларов. Все они свидетельствуют о виляющем гидрологическом цикле.

Из 10 крупнейших климатических бедствий самыми большими человеческими жертвами за этот период стали засухи (650 000 смертей), ураганы (577 232), наводнения (58 700) и экстремальные температуры (55 736 смертей). С экономической точки зрения в первую десятку событий вошли ураганы (стоимостью 521 млрд долларов) и наводнения (115 млрд долларов).

Однако Поркка отмечает, что последствия дестабилизации пресноводной системы могут быть более тонкими, чем экстремальные явления. Широкое орошение пахотных земель, например, может увеличить испарение до такой степени, что изменится даже характер распределения осадков в отдаленных районах. Часть проблемы заключается в том, что мы не знаем, являются ли такие последствия негативными или позитивными.

«[Мы] знаем, что мы коренным образом меняем [гидрологическую] систему, и когда мы это делаем, мы на самом деле не знаем, как накапливаются воздействия», — говорит Поркка.

Хотя многие загадки остаются, ученые теперь считают, что у них есть надежный показатель для точного отслеживания нарушений границы изменения пресной воды. «Главный вопрос заключался в том, каковы ключевые переменные, и я думаю, что сейчас они относительно стабильны с влажностью почвы [зеленая вода] и речным стоком [голубая вода]», — говорит Гертен. «Следующие вопросы: где именно провести границы и что произойдет, если они будут нарушены?»

Основываясь на этих выводах, исследователи призывают к безотлагательным действиям: «Нынешние глобальные тенденции и траектории увеличения водопользования, обезлесения, деградации земель, эрозии почвы, загрязнения атмосферы и изменения климата должны быть незамедлительно остановлены и обращены вспять, чтобы увеличить шансы оставаться в безопасном рабочем пространстве [Земли]».

Это трудная задача, и независимо от действий человечества, мы не знаем, как все обернется. «Вода настолько фундаментальна и элементарна, и в то же время так разнообразна», — говорит Гертен, и не существует панацеи для решения наших гидрологических проблем.

Изображение баннера: Фермеры, ухаживающие за своими сельскохозяйственными угодьями в Узбекистане. Изображение Петра Коце.

Цитаты:

Скэнлон, Б.Р., Джолли, И., Софоклеус, М., и Чжан, Л. (2007). Глобальное воздействие преобразования природных экосистем в сельскохозяйственные на водные ресурсы: количество в сравнении с качеством. Исследования водных ресурсов , 43 (3). дои: 10.1029/2006wr005486

Глисон, Т., Ван-Эрландссон, Л., Поркка, М., Зиппер, С. К., Харамильо, Ф., Гертен, Д., … Фамильетти, Дж. С. (2020). Освещение изменений водного цикла и устойчивости земной системы в антропоцене. Исследования водных ресурсов , 56 (4). дои: 10.1029/2019wr024957

Глисон, Т., Ван-Эрландссон, Л., Циппер, С. К., Поркка, М., Харамильо, Ф., Гертен, Д., … Фамильетти, Дж. С. (2020). Водная планетарная граница: Опрос и проверка. Одна Земля , 2 (3), 223-234. doi: 10.1016/j.oneear.2020.02.009

Гертен Д., Хофф Х., Рокстрем Дж., Ягермейр Дж., Кумму М. и Пастор А.В. (2013). На пути к пересмотру планетарных границ безвозвратного использования пресной воды: роль требований к экологическому стоку. Текущее мнение об экологической устойчивости , 5 (6), 551-558. doi: 10.1016/j.cosust.2013.11.001

Зиппер, С. К., Джарамилло, Ф., Ван-Эрландссон, Л., Корнелл, С. Э., Глисон, Т., Поркка, М., … Гордон, Л. (2020). Интеграция водной планетарной границы с управлением водными ресурсами от локального до глобального масштаба. Будущее Земли , 8 (2). дои: 10.1029/2019ef001377

Ван-Эрландссон, Л., Тобиан, А., ван дер Энт, Р. Дж., Фетцер, И., те Вирик, С., Поркка, М., … Рокстрем, Дж. (2022). Планетарная граница зеленой воды. Обзоры природы Земля и окружающая среда . дои: 10.1038/s43017-022-00287-8

Хубау, В., Льюис, С.Л., Филлипс, О.Л., Аффум-Баффо, К., Бекман, Х., Куни-Санчес, А., … Земаго, Л. (2020). Асинхронное насыщение поглотителей углерода в тропических лесах Африки и Амазонки. Природа , 579 (7797), 80-87. дои: 10.1038/s41586-020-2035-0

Ван, С., Чжан, Ю., Джу, В., Чен, Дж. М., Сиаис, П., Ческатти, А., … Пеньюэлас, Дж. (2020). Недавнее глобальное снижение количества удобрений CO ₂ влияет на фотосинтез растительности. Наука , 370 (6522), 1295-1300. doi: 10.1126/science.abb7772

Рави, С., Брешерс, Д.Д., Хаксман, Т.Е., и Д’Одорико, П. (2010). Деградация земель в засушливых районах: взаимодействие гидролого-эоловой эрозии и динамики растительности. Геоморфология , 116 (3-4), 236-245. doi: 10.1016/j.geomorph.2009.11.023

Ван Люйк, Г., Коулинг, Р. М., Риксен, М. Дж. П.М., и Глендей, Дж. (2013). Гидрологические последствия опустынивания: деградация полузасушливых субтропических зарослей в Южной Африке. Журнал засушливых сред , 91 , 14-21. doi: 10.1016/j.jaridenv.2012.10.022

Кноблаух, К., Бир, К., Либнер, С., Григорьев, М.Н., и Пфайффер, Э. (2018). Производство метана как ключ к балансу парниковых газов при таянии вечной мерзлоты. Изменение климата природы , 8 (4), 309-312. дои: 10.1038/s41558-018-0095-z