Erdsystemwissenschaft - Earth system science

Eine ökologische Analyse von CO
₂in einem Ökosystem . Als Systembiologie , Systemökologie sucht eine ganzheitliche Sicht auf die Interaktionen und Transaktionen innerhalb und zwischen dem biologischen und ökologischen Systemen.

Erdsystemwissenschaft ( ESS ) ist die Anwendung der Systemwissenschaft auf die Erde . Es berücksichtigt insbesondere Wechselwirkungen und „Rückkopplungen“ durch Material- und Energieflüsse zwischen den Zyklen, Prozessen und „Sphären“ der Subsysteme der Erde – Atmosphäre , Hydrosphäre , Kryosphäre , Geosphäre , Pedosphäre , Lithosphäre , Biosphäre und sogar der Magnetosphäre —sowie die Auswirkungen menschlicher Gesellschaften auf diese Komponenten. An seinem breitesten Maßstab bringt Erdsystemforschung zusammen Forscher über beide die natürlichen und soziale Wissenschaften, aus Bereichen wie Ökologie , Ökonomie , Geographie , Geologie , Glaziologie , Meteorologie , Ozeanographie , Klimatologie , Paläontologie , Soziologie und Weltraumwissenschaft . Wie das breitere Fach der Systemwissenschaften geht die Erdsystemwissenschaft von einer ganzheitlichen Betrachtung der dynamischen Interaktion zwischen den Erdkugeln und ihren vielen konstituierenden Subsystemflüssen und -prozessen, der daraus resultierenden räumlichen Organisation und zeitlichen Entwicklung dieser Systeme sowie ihrer Variabilität, Stabilität und Instabilität aus . Subsets von Erdsystemwissenschaften umfassen Systeme Geologie und Systeme Ökologie , und viele Aspekte der Erdsystemforschung sind von grundlegender Bedeutung für die Themen der Physischen Geographie und Klimaforschung .

Definition

Das Science Education Resource Center , Carleton College , bietet die folgende Beschreibung: „Die Erdsystemwissenschaft umfasst Chemie, Physik, Biologie, Mathematik und angewandte Wissenschaften, um disziplinäre Grenzen zu überschreiten, um die Erde als integriertes System zu behandeln , chemische, biologische und menschliche Wechselwirkungen, die die vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Zustände der Erde bestimmen. Die Erdsystemwissenschaft bietet eine physikalische Grundlage für das Verständnis der Welt, in der wir leben und auf der die Menschheit nach Nachhaltigkeit strebt".

Die Erdsystemwissenschaft hat vier übergreifende, definitive und von entscheidender Bedeutung wichtige Merkmale des Erdsystems formuliert, darunter:

1. Variabilität: Viele der natürlichen „Modi“ und Variabilitäten des Erdsystems über Raum und Zeit gehen aufgrund der Stabilität des jüngsten Holozäns über die menschliche Erfahrung hinaus. Ein Großteil der Erdsystemwissenschaft stützt sich daher auf Studien des vergangenen Verhaltens der Erde und auf Modelle, um zukünftiges Verhalten als Reaktion auf Belastungen zu antizipieren.
2. Leben: Biologische Prozesse spielen eine viel stärkere Rolle bei der Funktionsweise und den Reaktionen des Erdsystems als bisher angenommen. Es scheint ein integraler Bestandteil jedes Teils des Erdsystems zu sein.
3. Konnektivität: Prozesse sind auf bisher unbekannte und undenkbare Weisen und über Tiefen und seitliche Distanzen verbunden.
4. Nichtlinear: Das Verhalten des Erdsystems ist durch starke Nichtlinearitäten gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass eine abrupte Änderung erfolgen kann, wenn relativ kleine Änderungen einer „Forcing-Funktion“ das System über einen „ Schwellenwert “ bringen.

Ursprünge

Seit Jahrtausenden spekulieren die Menschen, wie sich die physischen und lebendigen Elemente auf der Erdoberfläche verbinden, wobei Götter und Göttinnen häufig als Verkörperung bestimmter Elemente postuliert werden. Die Vorstellung, dass die Erde selbst lebt, war ein regelmäßiges Thema der griechischen Philosophie und Religion. Frühe wissenschaftliche Interpretationen des Erdsystems begannen auf dem Gebiet der Geologie , zunächst im Nahen Osten und in China, und konzentrierten sich hauptsächlich auf Aspekte wie das Alter der Erde und die großräumigen Prozesse der Gebirgs- und Ozeanbildung . Mit der Entwicklung der Geologie als Wissenschaft wuchs das Verständnis für das Zusammenspiel verschiedener Facetten des Erdsystems, was zur Einbeziehung von Faktoren wie dem Erdinneren , der planetaren Geologie und lebenden Systemen führte .

Die Grundkonzepte der Erdsystemwissenschaft lassen sich in vielerlei Hinsicht in den ganzheitlichen Naturdeutungen des Geographen Alexander von Humboldt des 19. Jahrhunderts erkennen . Im 20. Jahrhundert sah Vladimir Vernadsky (1863–1945) die Funktion der Biosphäre als eine geologische Kraft, die ein dynamisches Ungleichgewicht erzeugte, das wiederum die Vielfalt des Lebens förderte. Mitte der 1960er Jahre postulierte James Lovelock erstmals eine regulierende Rolle für die Biosphäre bei Rückkopplungsmechanismen innerhalb des Erdsystems. Ursprünglich als "Earth Feedback-Hypothese" bezeichnet, benannte Lovelock sie später in Gaia-Hypothese um und entwickelte die Theorie in den 1970er Jahren mit der amerikanischen Evolutionstheoretikerin Lynn Margulis weiter . Parallel dazu entwickelte sich das Gebiet der Systemwissenschaften auf zahlreichen anderen wissenschaftlichen Gebieten, teilweise angetrieben durch die zunehmende Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit von Computern , und führte zur Entwicklung von Klimamodellen , die detaillierte und interagierende Simulationen des Erdwetters und Klima . Die anschließende Erweiterung dieser Modelle hat zur Entwicklung von "Earth System Models" (ESMs) geführt, die Facetten wie die Kryosphäre und die Biosphäre umfassen.

Als integratives Feld nimmt die Erdsystemwissenschaft die Geschichte einer Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen an, aber als eigenständige Studie entwickelte sie sich in den 1980er Jahren, insbesondere bei der NASA , wo 1983 ein Ausschuss namens Earth System Science Committee gegründet wurde Berichte des ESSC der NASA, Earth System Science: Overview (1986) und das buchlange Earth System Science: A Closer View (1988), bilden einen wichtigen Meilenstein in der formalen Entwicklung der Erdsystemwissenschaft. Frühe Arbeiten zur Erdsystemwissenschaft, wie diese NASA-Berichte, betonten im Allgemeinen die zunehmenden Auswirkungen des Menschen auf das Erdsystem als Hauptantrieb für die Notwendigkeit einer stärkeren Integration zwischen den Lebens- und Geowissenschaften, wodurch die Ursprünge der Erdsystemwissenschaft parallel zu den Anfänge von Studien und Programmen zum globalen Wandel .

Klimawissenschaft

Das dynamische Zusammenspiel der Ozeane der Erde , klimatologischen , geochemischen Systemen .

Klimatologie und Klimawandel sind seit ihrer Gründung von zentraler Bedeutung für die Erdsystemwissenschaft, wie der prominente Platz belegt, der dem Klimawandel in den oben diskutierten frühen NASA-Berichten eingeräumt wurde. Das Klimasystem der Erde ist ein Paradebeispiel für eine emergente Eigenschaft des gesamten Planetensystems, die nicht vollständig verstanden werden kann, ohne es als eine einzige integrierte Einheit zu betrachten. Es ist auch ein System, in dem die menschlichen Auswirkungen in den letzten Jahrzehnten schnell zugenommen haben, was der erfolgreichen Entwicklung und Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Forschung zum Erdsystem eine immense Bedeutung verleiht. Als nur ein Beispiel für die zentrale Bedeutung der Klimatologie auf diesem Gebiet ist der führende amerikanische Klimatologe Michael E. Mann Direktor eines der frühesten Zentren für Erdsystemforschung, des Earth System Science Center an der Pennsylvania State University, und sein Leitbild lautet , "das Earth System Science Center (ESSC) unterhält eine Mission, das Klimasystem der Erde zu beschreiben, zu modellieren und zu verstehen".

Beziehung zur Gaia-Hypothese

Die Gaia-Hypothese postuliert, dass lebende Systeme mit physischen Komponenten des Erdsystems interagieren, um ein sich selbst regulierendes Ganzes zu bilden, das für das Leben günstige Bedingungen aufrechterhält. Ursprünglich von James Lovelock entwickelt, versucht die Hypothese, Schlüsselmerkmale des Erdsystems zu erklären, einschließlich der langen Periode (mehrere Milliarden Jahre) relativ günstiger klimatischer Bedingungen vor dem Hintergrund einer stetig zunehmenden Sonneneinstrahlung . Folglich hat die Gaia-Hypothese wichtige Implikationen für die Erdsystemwissenschaft, wie der NASA-Direktor für Planetenwissenschaften, James Green, im Oktober 2010 feststellte: „Dr. Lovelock und Dr. Margulis spielten eine Schlüsselrolle bei den Ursprüngen dessen, was wir heute als Erdsystemwissenschaft".

Obwohl die Gaia-Hypothese und die Erdsystemwissenschaft einen interdisziplinären Ansatz verfolgen, um Systemoperationen auf planetarer Ebene zu untersuchen, sind sie nicht gleichbedeutend miteinander. Es wurden eine Reihe potenzieller gaianischer Rückkopplungsmechanismen vorgeschlagen – wie die CLAW-Hypothese – , aber die Hypothese findet keine universelle Unterstützung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft , obwohl sie ein aktives Forschungsthema bleibt.

Ausbildung

Erdsystemwissenschaften können an einigen Universitäten auf postgradualer Ebene studiert werden, mit bemerkenswerten Programmen an Institutionen wie der University of California, Irvine , der Pennsylvania State University und der Stanford University . Im Bereich Allgemeinbildung berief die American Geophysical Union in Zusammenarbeit mit dem Keck Geology Consortium und mit Unterstützung von fünf Abteilungen der National Science Foundation 1996 einen Workshop ein, „um gemeinsame Bildungsziele für alle Disziplinen der Geowissenschaften zu definieren“. In seinem Bericht stellten die Teilnehmer fest, dass "die Gebiete, aus denen die Erd- und Weltraumwissenschaften bestehen, derzeit einen großen Fortschritt erfahren, der das Verständnis der Erde als eine Reihe miteinander verbundener Systeme fördert". In Anerkennung den Aufstieg dieses Ansatzes Systeme empfahl der Workshop - Bericht , dass ein Erdsystemwissenschaften Lehrplan mit Unterstützung der National Science Foundation entwickelt werden. Im Jahr 2000 wurde die Earth System Science Education Alliance ins Leben gerufen, an der derzeit über 40 Institutionen teilnehmen, wobei im Herbst 2009 über 3.000 Lehrer einen ESSEA-Kurs absolviert haben.

Siehe auch

Verweise