Jordsystemvetenskap - Earth system science

En ekologisk analys av CO
2
i ett ekosystem . Som systembiologi , systemekologi söker en helhets utsikt över interaktioner och transaktioner inom och mellan biologiska och ekologiska system.

Jordsystemvetenskap ( ESS ) är tillämpningen av systemvetenskapjorden . I synnerhet överväger den interaktioner och "återkopplingar", genom material- och energiflöden, mellan jordens undersystems cykler, processer och "sfärer" -atmosfär , hydrosfär , kryosfär , geosfär , pedosfär , litosfär , biosfär och till och med magnetosfären - liksom det mänskliga samhällets inverkan på dessa komponenter. I sin största skala samlar jordsystemvetenskap forskare inom både naturvetenskap och samhällsvetenskap , från områden som ekologi , ekonomi , geografi , geologi , glaciologi , meteorologi , oceanografi , klimatologi , paleontologi , sociologi och rymdvetenskap . Liksom den bredare frågan om systemvetenskap , antar Earth System Science en helhetssyn av det dynamiska samspelet mellan jordens sfärer och deras många ingående delsystem flöden och processer, den resulterande rumsliga organisation och tidsutvecklingen av dessa system, och deras variation, stabilitet och instabilitet . Delmängder av Earth System Science inkluderar systemgeologi och systemekologi , och många aspekter av Earth System Science är grundläggande för ämnena fysisk geografi och klimatvetenskap .

Definition

Den Science Education Resource Center , Carleton College , erbjuder följande beskrivning: "Earth System Science omfamningar kemi, fysik, biologi, matematik och tillämpad vetenskap i överskrider ämnesgränser för att behandla jorden som ett integrerat system som det är avsett en djupare förståelse av den fysiska. , kemiska, biologiska och mänskliga interaktioner som bestämmer jordens förflutna, nuvarande och framtida tillstånd. Jordens systemvetenskap ger en fysisk grund för att förstå den värld vi lever i och på vilken mänskligheten försöker uppnå hållbarhet ".

Jordsystemets vetenskap har artikulerat fyra övergripande, definitiva och kritiskt viktiga funktioner i jordsystemet, som inkluderar:

  1. Variabilitet: Många av jordsystemets naturliga "lägen" och variationer över rymden och tiden är bortom mänsklig erfarenhet, på grund av stabiliteten i det senaste Holocen. Mycket Earth System -vetenskap förlitar sig därför på studier av jordens tidigare beteende och modeller för att förutse framtida beteende som svar på påtryckningar.
  2. Liv: Biologiska processer spelar en mycket starkare roll i jordsystemets funktion och svar än man tidigare trott. Det verkar vara en integrerad del av varje del av jordsystemet.
  3. Anslutning: Processer är sammankopplade på sätt och över djup och laterala avstånd som tidigare var okända och otänkbara.
  4. Icke-linjärt: Jordsystemets beteende kännetecknas av starka icke-lineariteter. Detta innebär att abrupta förändringar kan uppstå när relativt små förändringar i en "tvingande funktion" driver systemet över en " tröskel ".

Ursprung

I årtusenden har människor spekulerat i hur de fysiska och levande elementen på jordens yta kombineras, med gudar och gudinnor ofta poserade för att förkroppsliga specifika element. Föreställningen att jorden i sig är levande var ett vanligt tema för grekisk filosofi och religion. Tidiga vetenskapliga tolkningar av jordsystemet började inom geologi , inledningsvis i Mellanöstern och Kina, och fokuserade till stor del på aspekter som jordens ålder och de storskaliga processer som är involverade i berg- och havsbildning . När geologin utvecklades som en vetenskap ökade förståelsen för samspelet mellan olika aspekter av jordsystemet, vilket ledde till att faktorer som jordens inre , planetariska geologi och levande system inkluderades .

I många avseenden kan de grundläggande begreppen för Earth System -vetenskapen ses i de holistiska tolkningar av naturen som främjas av 1800 -talets geograf Alexander von Humboldt . Under 1900 -talet såg Vladimir Vernadsky (1863–1945) biosfärens funktion som en geologisk kraft som genererar en dynamisk obalans, vilket i sin tur främjar livets mångfald. I mitten av 1960-talet postulerade James Lovelock först en reglerande roll för biosfären i återkopplingsmekanismer inom jordsystemet. Initialt kallad "Earth Feedback -hypotesen", döpte Lovelock senare till Gaia -hypotesen och utvecklade sedan teorin vidare med den amerikanska evolutionsteoretikern Lynn Margulis under 1970 -talet. Parallellt utvecklades området systemvetenskap inom många andra vetenskapliga områden, delvis drivs av den ökande tillgängligheten och kraften hos datorer , och ledde till utvecklingen av klimatmodeller som började möjliggöra detaljerade och samverkande simuleringar av jordens väder och klimat . Efterföljande förlängning av dessa modeller har lett till utvecklingen av "jordsystemmodeller" (ESM) som inkluderar aspekter som kryosfären och biosfären.

Som ett integrerande område antar Earth System Science historierna från ett stort antal vetenskapliga discipliner, men som en diskret studie utvecklades den på 1980 -talet, särskilt vid NASA , där en kommitté kallad Earth System Science Committee bildades 1983. Den tidigaste rapporter om NASA: s ESSC, Earth System Science: Overview (1986), och boklängden Earth System Science: A Closer View (1988), utgör ett viktigt landmärke i den formella utvecklingen av jordsystemvetenskap. Tidiga arbeten som diskuterade jordsystemvetenskap, som dessa NASA-rapporter, betonade i allmänhet de ökande mänskliga effekterna på jordsystemet som en primär drivkraft för behovet av större integration mellan liv och geovetenskap, vilket gjorde ursprunget till jordsystemvetenskap parallellt med början på globala förändringsstudier och program.

Klimatvetenskap

Den dynamiska interaktionen mellan jordens hav , klimatologiska , geokemiska system .

Klimatologi och klimatförändringar har varit centrala för Earth System -vetenskapen sedan starten, vilket framgår av den framträdande platsen som ges till klimatförändringar i de tidiga NASA -rapporterna som diskuterats ovan. Jordens klimatsystem är ett utmärkt exempel på en framväxande egenskap hos hela planetsystemet, det vill säga ett som inte kan förstås helt utan att betrakta det som en enda integrerad enhet. Det är också ett system där mänskliga effekter har ökat snabbt under de senaste decennierna, vilket ger oerhört stor betydelse för framgångsrik utveckling och framsteg inom vetenskaplig forskning inom jordsystemet. Som bara ett exempel på klimatologins centralitet på fältet är ledande amerikansk klimatolog Michael E. Mann direktör för ett av de tidigaste centren för forskning om jordsystemvetenskap, Earth System Science Center vid Pennsylvania State University, och dess uppdragsbeskrivning lyder , "Earth System Science Center (ESSC) har ett uppdrag att beskriva, modellera och förstå jordens klimatsystem".

Förhållande till Gaia -hypotesen

Gaia-hypotesen antyder att levande system interagerar med fysiska komponenter i jordsystemet för att bilda en självreglerande helhet som upprätthåller förhållanden som är gynnsamma för livet. Hypotesen utvecklades inledningsvis av James Lovelock och försöker redogöra för viktiga funktioner i jordsystemet, inklusive den långa perioden (flera miljarder år) av relativt gynnsamma klimatförhållanden mot bakgrund av stadigt ökande solstrålning . Följaktligen har Gaia -hypotesen viktiga implikationer för jordens systemvetenskap, vilket noterades av NASA: s direktör för planetvetenskap, James Green, i oktober 2010: "Dr. Lovelock och Dr. Margulis spelade en nyckelroll i ursprunget till det vi nu känner till som Jordsystemvetenskap ".

Även om Gaia-hypotesen och jordens systemvetenskap har ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för att studera systemoperationer på planetarisk skala, är de inte synonymt med varandra. Ett antal potentiella Gaian -feedbackmekanismer har föreslagits - såsom CLAW -hypotesen - men hypotesen har inte universellt stöd inom det vetenskapliga samfundet , även om det fortfarande är ett aktivt forskningsämne.

Utbildning

Jordsystemsvetenskap kan studeras på forskarnivå vid vissa universitet, med anmärkningsvärda program vid institutioner som University of California, Irvine , Pennsylvania State University och Stanford University . Inom allmän utbildning sammankallade American Geophysical Union , i samarbete med Keck Geology Consortium och med stöd från fem avdelningar inom National Science Foundation , en workshop 1996, "för att definiera gemensamma utbildningsmål bland alla discipliner inom jordvetenskaperna". I sin rapport noterade deltagarna att "Fälten som utgör jorden och rymdvetenskap genomgår för närvarande ett stort framsteg som främjar förståelsen av jorden som ett antal sammankopplade system". Erkänner uppkomsten av detta systemtänkande , rekommenderas verkstaden rapport som en Earth System Science läroplan utvecklas med stöd av National Science Foundation. År 2000 påbörjades Earth System Science Education Alliance, och omfattar för närvarande deltagande av 40+ institutioner, med över 3 000 lärare som genomfört en ESSEA -kurs hösten 2009 ”.

Se även

Referenser