Jordsystemvitenskap - Earth system science

En økologisk analyse av CO
2
i et økosystem . Som systembiologi , systemer økologi søker en helhetlig syn på interaksjoner og transaksjoner innenfor og mellom biologiske og økologiske systemer.

Earth system science ( ESS ) er anvendelsen av systemvitenskapjorden . Spesielt vurderer den interaksjoner og "tilbakemeldinger", gjennom materiale- og energiflukser, mellom jordens undersystemers sykluser, prosesser og "sfærer" -atmosfære , hydrosfære , kryosfære , geosfære , pedosfære , litosfære , biosfære og til og med magnetosfæren - så vel som virkningen av menneskelige samfunn på disse komponentene. På sitt bredeste skala, bringer Earth System Science sammen forskere på tvers av både naturlige og samfunnsvitenskapene, fra felt som økologi , økonomi , geografi , geologi , glasiologi , meteorologi , oseanografi , klimatologi , paleontologi , sosiologi , og romforskning . I likhet med det bredere emnet systemvitenskap , antar jordsystemvitenskap et helhetlig syn på det dynamiske samspillet mellom jordens sfærer og deres mange bestanddeler av flusser og prosesser, den resulterende romlige organisasjonen og tidsutviklingen av disse systemene, og deres variabilitet, stabilitet og ustabilitet. . Undergrupper av jordsystemvitenskap inkluderer systemgeologi og systemøkologi , og mange aspekter av jordsystemvitenskap er grunnleggende for fagene fysisk geografi og klimavitenskap .

Definisjon

The Science Education Resource Center , Carleton College , gir følgende beskrivelse: "Earth System vitenskap omfavner kjemi, fysikk, biologi, matematikk og anvendt vitenskap i transcendere faggrenser å behandle Jorden som et integrert system den søker en dypere forståelse av det fysiske. , kjemiske, biologiske og menneskelige interaksjoner som bestemmer tidligere, nåværende og fremtidige tilstander på jorden. Jordsystemvitenskap gir et fysisk grunnlag for å forstå verden vi lever i og som menneskeheten søker å oppnå bærekraft på ".

Jordsystemvitenskap har artikulert fire overordnede, definitive og kritisk viktige trekk ved jordsystemet, som inkluderer:

  1. Variabilitet: Mange av jordsystemets naturlige 'moduser' og variasjoner på tvers av rom og tid er utenfor menneskelig erfaring, på grunn av stabiliteten i det siste Holocene. Mye Earth System -vitenskap er derfor avhengig av studier av Jordens tidligere atferd og modeller for å forutse fremtidig atferd som svar på press.
  2. Livet: Biologiske prosesser spiller en mye sterkere rolle i jordsystemets funksjon og respons enn tidligere antatt. Det ser ut til å være integrert i alle deler av jordsystemet.
  3. Tilkobling: Prosesser er koblet på måter og på tvers av dybder og laterale avstander som tidligere var ukjente og utenkelige.
  4. Ikke-lineær: Jordsystemets oppførsel er preget av sterke ikke-lineariteter. Dette betyr at det kan oppstå brå endringer når relativt små endringer i en "tvangsfunksjon" skyver systemet over en " terskel ".

Opprinnelse

I årtusener har mennesker spekulert i hvordan de fysiske og levende elementene på jordoverflaten kombineres, med guder og gudinner som ofte er posisjonert for å legemliggjøre spesifikke elementer. Forestillingen om at jorden i seg selv er i live var et vanlig tema for gresk filosofi og religion. Tidlige vitenskapelige tolkninger av jordsystemet begynte innen geologi , først i Midtøsten og Kina, og fokuserte i stor grad på aspekter som Jordens alder og de store prosessene som er involvert i fjell- og havdannelse . Etter hvert som geologi utviklet seg som vitenskap , økte forståelsen av samspillet mellom forskjellige fasetter av jordsystemet, noe som førte til inkludering av faktorer som jordens indre , planetariske geologi og levende systemer .

På mange måter kan de grunnleggende begrepene for jordsystemvitenskap sees i de holistiske tolkningene av naturen som ble fremmet av 1800 -tallets geograf Alexander von Humboldt . På 1900 -tallet så Vladimir Vernadsky (1863–1945) biosfærens funksjon som en geologisk kraft som genererer en dynamisk ubalanse, som igjen fremmet mangfoldet i livet. På midten av 1960-tallet postulerte James Lovelock først en regulerende rolle for biosfæren i tilbakemeldingsmekanismer i jordsystemet. Opprinnelig kalt "Earth Feedback -hypotesen", omdøpte Lovelock den senere til Gaia -hypotesen , og utviklet deretter teorien videre med den amerikanske evolusjonsteoretikeren Lynn Margulis i løpet av 1970 -årene . Parallelt utviklet feltet systemvitenskap seg på tvers av mange andre vitenskapelige felt, delvis drevet av den økende tilgjengeligheten og kraften til datamaskiner , og førte til utviklingen av klimamodeller som begynte å tillate detaljerte og samhandlende simuleringer av jordens vær og klima . Senere forlengelse av disse modellene har ført til utviklingen av "Earth system models" (ESMs) som inkluderer fasetter som kryosfæren og biosfæren.

Som et integrerende felt antar jordsystemvitenskap historiene til et stort spekter av vitenskapelige disipliner, men som en diskret studie utviklet den seg på 1980 -tallet, spesielt ved NASA , hvor en komité kalt Earth System Science Committee ble dannet i 1983. Den tidligste rapporter om NASAs ESSC, Earth System Science: Overview (1986), og boklengden Earth System Science: A Closer View (1988), utgjør et stort landemerke i den formelle utviklingen av jordsystemvitenskap. Tidlige arbeider som diskuterte jordsystemvitenskap, som disse NASA-rapportene, understreket generelt de økende menneskelige påvirkningene på jordsystemet som en hoveddriver for behovet for større integrasjon mellom liv og geofag, noe som gjorde opprinnelsen til jordsystemvitenskap parallell med begynnelsen på globale endringsstudier og programmer.

Klimavitenskap

Det dynamiske samspillet mellom jordens hav , klimatologiske , geokjemiske systemer .

Klimatologi og klimaendringer har vært sentrale for Earth System -vitenskapen siden oppstarten, noe som fremgår av den fremtredende plassen gitt til klimaendringer i de tidlige NASA -rapportene som ble diskutert ovenfor. Jordens klimasystem er et godt eksempel på en fremvoksende egenskap for hele planetsystemet, det vil si en som ikke kan forstås fullt ut uten å betrakte den som en enkelt integrert enhet. Det er også et system der menneskelige påvirkninger har vokst raskt de siste tiårene, noe som har gitt enorm betydning for den vellykkede utviklingen og utviklingen av forskning i jordsystemet. Som bare et eksempel på sentraliteten i klimatologi til feltet, er ledende amerikansk klimatolog Michael E. Mann direktør for et av de tidligste sentrene for forskning i jordsystemforskning, Earth System Science Center ved Pennsylvania State University, og dens misjonserklæring lyder , "har Earth System Science Center (ESSC) et oppdrag om å beskrive, modellere og forstå jordens klimasystem".

Forholdet til Gaia -hypotesen

Gaia-hypotesen antar at levende systemer samhandler med fysiske komponenter i jordsystemet for å danne en selvregulerende helhet som opprettholder gunstige forhold for livet. Hypotesen ble først utviklet av James Lovelock og forsøker å redegjøre for viktige trekk ved jordsystemet, inkludert den lange perioden (flere milliarder år) med relativt gunstige klimatiske forhold på bakgrunn av stadig økende solstråling . Følgelig har Gaia -hypotesen viktige implikasjoner for jordsystemvitenskap, som bemerket av NASAs direktør for planetarisk vitenskap, James Green, i oktober 2010: "Dr. Lovelock og Dr. Margulis spilte en nøkkelrolle i opprinnelsen til det vi nå kjenner som Jordsystemvitenskap ".

Selv om Gaia-hypotesen og jordvitenskap har en tverrfaglig tilnærming til å studere systemoperasjoner på planetarisk skala, er de ikke synonymt med hverandre. En rekke potensielle Gaian -tilbakemeldingsmekanismer har blitt foreslått - for eksempel CLAW -hypotesen - men hypotesen har ikke universell støtte i det vitenskapelige samfunnet , selv om den fortsatt er et aktivt forskningstema.

utdanning

Jordsystemvitenskap kan studeres på høyere nivå ved noen universiteter, med bemerkelsesverdige programmer ved institusjoner som University of California, Irvine , Pennsylvania State University og Stanford University . I generell utdanning innkalte American Geophysical Union , i samarbeid med Keck Geology Consortium og med støtte fra fem divisjoner i National Science Foundation , til en workshop i 1996, "for å definere felles utdanningsmål blant alle disipliner innen geofag". I rapporten bemerket deltakerne at, "Feltene som utgjør jord- og romfag, gjennomgår for tiden et stort fremskritt som fremmer forståelsen av Jorden som en rekke sammenhengende systemer". Som en erkjennelse av økningen i denne systemtilnærmingen , anbefalte workshoprapporten at det ble utviklet en læreplan for Earth System -vitenskap med støtte fra National Science Foundation. I 2000 ble Earth System Science Education Alliance startet, og inkluderer for tiden deltakelse av 40+ institusjoner, med over 3000 lærere som hadde fullført et ESSEA -kurs høsten 2009 ".

Se også

Referanser