stringtranslate.com

Наука о системе Земли

Экологический анализ CO
2в экосистеме . Как и системная биология , системная экология стремится к целостному взгляду на взаимодействия и транзакции внутри и между биологическими и экологическими системами.

Наука о системах Земли ( ESS ) — это приложение системной науки к Земле . [1] [2] [3] [4] В частности, она рассматривает взаимодействия и «обратные связи» через потоки материи и энергии между циклами, процессами и «сферами» подсистем Земли — атмосферой , гидросферой , криосферой , [5] геосферой , педосферой , литосферой , биосферой , [6] и даже магнитосферой [7] — а также влияние человеческих обществ на эти компоненты. [8] В самом широком масштабе наука о системах Земли объединяет исследователей как естественных , так и социальных наук, из таких областей, как экология , экономика , география , геология , гляциология , метеорология , океанография , климатология , палеонтология , социология и космическая наука . [9] Как и более широкий предмет системной науки , наука о системах Земли предполагает целостный взгляд на динамическое взаимодействие между сферами Земли и их многочисленными составляющими подсистемами, потоками и процессами, результирующей пространственной организацией и временной эволюцией этих систем, а также их изменчивостью, стабильностью и нестабильностью. [10] [11] [12] Подразделы науки о системах Земли включают системную геологию [13] [14] и системную экологию , [15] и многие аспекты науки о системах Земли являются основополагающими для предметов физической географии [16] [17] и климатологии . [18]

Определение

Центр ресурсов научного образования Карлтонского колледжа предлагает следующее описание: «Наука о системе Земли охватывает химию, физику, биологию, математику и прикладные науки, выходя за пределы дисциплинарных границ и рассматривая Землю как целостную систему. Она стремится к более глубокому пониманию физических, химических, биологических и человеческих взаимодействий, которые определяют прошлое, настоящее и будущее состояние Земли. Наука о системе Земли обеспечивает физическую основу для понимания мира, в котором мы живем и в котором человечество стремится достичь устойчивости». [19]

Наука о системе Земли сформулировала четыре всеобъемлющие, определяющие и критически важные характеристики системы Земли, к которым относятся:

  1. Изменчивость: Многие из естественных «режимов» и изменчивости земной системы в пространстве и времени выходят за рамки человеческого опыта из-за стабильности недавнего голоцена. Поэтому большая часть науки о земной системе опирается на исследования прошлого поведения Земли и модели для прогнозирования будущего поведения в ответ на давления.
  2. Жизнь: Биологические процессы играют гораздо более важную роль в функционировании и реакциях Системы Земли, чем считалось ранее. Похоже, что они неотъемлемы для каждой части Системы Земли.
  3. Связность: процессы связаны способами, на глубине и на горизонтальных расстояниях, которые ранее были неизвестны и немыслимы.
  4. Нелинейность: Поведение Системы Земли характеризуется сильными нелинейностями. Это означает, что резкие изменения могут возникнуть, когда относительно небольшие изменения в «функции воздействия» толкают Систему через « порог ».

История

На протяжении тысячелетий люди размышляли о том, как сочетаются физические и живые элементы на поверхности Земли, при этом боги и богини часто считались олицетворением определенных элементов. Представление о том, что сама Земля является живой, было постоянной темой греческой философии и религии. [20]

Ранние научные интерпретации системы Земли начались в области геологии , изначально на Ближнем Востоке [21] и в Китае [22] , и в основном были сосредоточены на таких аспектах, как возраст Земли и крупномасштабные процессы, связанные с образованием гор и океанов . По мере развития геологии как науки , понимание взаимодействия различных аспектов системы Земли увеличивалось, что привело к включению таких факторов, как внутренняя часть Земли , планетарная геология , живые системы и миры, подобные Земле .

Во многих отношениях основополагающие концепции науки о системе Земли можно увидеть в работах географа-натурфилософа XIX века Александра фон Гумбольдта . [23] В XX веке Владимир Вернадский (1863–1945) рассматривал функционирование биосферы как геологическую силу, порождающую динамическое неравновесие, которое, в свою очередь, способствовало разнообразию жизни.

Параллельно с этим системная наука развивалась в многочисленных других научных областях, отчасти благодаря растущей доступности и мощности компьютеров , что привело к разработке климатических моделей , которые начали позволять проводить детальное и интерактивное моделирование погоды и климата Земли . [24] Последующее расширение этих моделей привело к разработке «моделей земной системы» (ESM), которые включают такие аспекты, как криосфера и биосфера. [25]

В 1980-х годах, когда в 1983 году был сформирован комитет NASA под названием Комитет по науке о системе Земли, самые ранние отчеты ESSC NASA, Earth System Science: Overview (1986), и книга Earth System Science: A Closer View (1988), представляют собой важную веху в формальном развитии науки о системе Земли. [26] Ранние работы, обсуждающие науку о системе Земли, такие как эти отчеты NASA, в целом подчеркивали растущее воздействие человека на систему Земли как основной фактор необходимости большей интеграции между науками о жизни и науками о Земле, делая истоки науки о системе Земли параллельными началу исследований и программ по глобальным изменениям .

Климатология

Климатология и изменение климата были центральными для науки о системе Земли с момента ее зарождения, о чем свидетельствует важное место, отведенное изменению климата в ранних отчетах НАСА, обсуждавшихся выше. Климатическая система Земли является ярким примером возникающего свойства всей планетарной системы, то есть такого, которое невозможно полностью понять, не рассматривая ее как единое целое. Это также система, в которой антропогенное воздействие быстро росло в последние десятилетия, придавая огромное значение успешному развитию и продвижению научных исследований системы Земли. В качестве одного из примеров центральной роли климатологии в этой области, ведущий американский климатолог Майкл Э. Манн является директором одного из самых ранних центров научных исследований системы Земли, Центра науки о системе Земли в Университете штата Пенсильвания, и его миссия гласит: «Центр науки о системе Земли (ESSC) поддерживает миссию по описанию, моделированию и пониманию климатической системы Земли». [27]

Пять компонентов климатической системы взаимодействуют между собой. Это атмосфера , гидросфера , криосфера , литосфера и биосфера . [ 28] : 1451 

Климатическая система Земли представляет собой сложную систему с пятью взаимодействующими компонентами: атмосферой (воздухом), гидросферой (водой), криосферой (льдом и вечной мерзлотой), литосферой (верхним каменистым слоем Земли) и биосферой (живыми существами). [28] : 1451  Климат является статистической характеристикой климатической системы. [28] : 1450  Он представляет собой среднюю погоду , как правило, за период в 30 лет, и определяется комбинацией процессов, таких как океанические течения и ветровые режимы. [29] [30] Циркуляция в атмосфере и океанах переносит тепло из тропических регионов в регионы, которые получают меньше энергии от Солнца . Солнечная радиация является основной движущей силой этой циркуляции. Круговорот воды также перемещает энергию по всей климатической системе. Кроме того, некоторые химические элементы постоянно перемещаются между компонентами климатической системы. Двумя примерами этих биохимических циклов являются циклы углерода и азота .

Климатическая система может меняться из-за внутренней изменчивости и внешних воздействий . Эти внешние воздействия могут быть естественными, такими как изменения интенсивности солнечного излучения и извержения вулканов, или вызванными людьми. Накопление парниковых газов в атмосфере, в основном выбрасываемых людьми, сжигающими ископаемое топливо , вызывает изменение климата . Человеческая деятельность также высвобождает охлаждающие аэрозоли , но их чистый эффект намного меньше, чем у парниковых газов. [28] : 1451  Изменения могут быть усилены процессами обратной связи в различных компонентах климатической системы.

Образование

Науку о Земле можно изучать на уровне аспирантуры в некоторых университетах. В области общего образования Американский геофизический союз в сотрудничестве с Геологическим консорциумом Кека и при поддержке пяти подразделений Национального научного фонда в 1996 году провел семинар, «чтобы определить общие образовательные цели среди всех дисциплин в науках о Земле». В своем отчете участники отметили, что «области, составляющие науки о Земле и космосе, в настоящее время переживают значительный прогресс, способствующий пониманию Земли как ряда взаимосвязанных систем». Признавая рост этого системного подхода , отчет семинара рекомендовал разработать учебную программу по науке о Земле при поддержке Национального научного фонда. [31]

В 2000 году был создан Альянс по образованию в области наук о Земле (ESSEA), в настоящее время в нем участвуют более 40 учреждений, а по состоянию на осень 2009 года более 3000 преподавателей прошли курс ESSEA». [32]

Связанные концепции

Концепция права земных систем (по состоянию на 2021 год все еще находящаяся в зачаточном состоянии) является подразделом управления земными системами , который сам по себе является подразделом наук о земных системах, анализируемым с точки зрения социальных наук. [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Стэнли, Стивен М. (2005). История системы Земли. Macmillan. ISBN 9780716739074.
  2. ^ Якобсон, Майкл и др. (2000). Наука о системе Земли, от биогеохимических циклов до глобальных изменений (2-е изд.). Лондон: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0123793706. Получено 7 сентября 2015 г.
  3. ^ Камп, Ли и др. (2004). Система Земли (2-е изд.). Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-142059-5.
  4. ^ Кристиансен, Э. Х.; Хамблин, В. К. (2014). Динамическая Земля. Jones & Bartlett Learning. ISBN 9781449659028.
  5. ^ Харрис, Чарльз; Мёртон, Джулиан Б. (2005). Криосферные системы: ледники и вечная мерзлота. Геологическое общество Лондона. ISBN 9781862391758.
  6. ^ Кокелл, Чарльз (28 февраля 2008 г.). Введение в систему «Земля-жизнь». Cambridge University Press. ISBN 9780521493918.
  7. ^ Отани, Син-ити; Фудзи, Рёити; Гессе, Майкл; Лысак, Роберт Л. (2000). Магнитосферные токовые системы. Американский геофизический союз. ISBN 9780875909769.
  8. ^ Элерс, Эккарт; Мосс, К.; Крафт, Томас (2006). Наука о системе Земли в антропоцене: возникающие вопросы и проблемы. Springer Science+Business Media. ISBN 9783540265900.
  9. ^ Батц, Стивен Д. (2004). Наука о системах Земли. Thomson Learning. ISBN 978-0766833913.
  10. ^ Хергартен, Стефан (2002). Самоорганизованная критичность в земных системах. Springer-Verlag. ISBN 9783540434528.
  11. ^ Цонис, Анастасиос А.; Элснер, Джеймс Б. (2007). Нелинейная динамика в науках о Земле. Springer Science+Business Media. ISBN 9780387349183.
  12. ^ Нойгебауэр, Хорст Дж.; Симмер, Клеменс (2003). Динамика многомасштабных систем Земли. Спрингер. ISBN 9783540417965.
  13. ^ Мерриттс, Дороти; Де Вет, Эндрю; Менкинг, Кирстен (1998). Геология окружающей среды: подход к науке о системе Земли. WH Freeman. ISBN 9780716728344.
  14. ^ Мартин, Рональд (2011). Эволюционирующие системы Земли: История планеты Земля. Jones & Bartlett Learning. ISBN 9780763780012.
  15. ^ Уилкинсон, Дэвид М. (2006). Фундаментальные процессы в экологии: подход систем Земли. Oxford University Press. ISBN 9780198568469.
  16. ^ Пидвирни, Майкл; Джонс, Скотт (1999–2015). «Физическая география».
  17. ^ Марш, Уильям М.; Кауфман, Мартин М. (2013). Физическая география: Великие системы и глобальная окружающая среда. Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521764285.
  18. ^ Корнелл, Сара Э.; Прентис, И. Колин; Хаус, Джоанна И.; Дауни, Кэтрин Дж. (2012). Понимание системы Земли: Наука о глобальных изменениях для применения. Cambridge University Press. ISBN 9781139560542.
  19. ^ "Earth System Science in a Nutshell". Карлтонский колледж . Получено 10 марта 2009 г.
  20. ^ Тикелл, Криспин (2006). «Наука о системах Земли: слишком ли сильно мы давим на Гею?». 46-я ежегодная лекция Беннетта — Университет Лестера . Лондон: Университет Лестера . Получено 21 сентября 2015 г.
  21. ↑ Филдинг Х. Гаррисон, Введение в историю медицины , WB Saunders, 1921.
  22. ^ Азимов, М.С.; Босворт, Клиффорд Эдмунд (ред.). Эпоха достижений: 750 г. н.э. до конца пятнадцатого века: достижения . История цивилизаций Центральной Азии. стр. 211–214. ISBN 978-92-3-102719-2.
  23. ^ Джексон, Стивен Т. (2009). «Александр фон Гумбольдт и общая физика Земли» (PDF) . Science . 324 (5927): 596–597. doi :10.1126/science.1171659. PMID  19407186. S2CID  206518912. Архивировано из оригинала (PDF) 12 апреля 2019 года . Получено 11 ноября 2015 года .
  24. ^ Эдвардс, П. Н. (2010). «История моделирования климата» (PDF) . Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change . 2 : 128–139. doi : 10.1002/wcc.95. hdl : 2027.42/79438 . S2CID  38650354.
  25. ^ Вашингтон, В. М.; Буджа, Л.; Крейг, А. (2009). «Вычислительное будущее для моделей климата и системы Земли: на пути к петафлопс и далее». Phil. Trans. Roy. Soc. A . 367 (1890): 833–846. Bibcode :2009RSPTA.367..833W. doi : 10.1098/rsta.2008.0219 . PMID  19087933.
  26. ^ Муни, Гарольд и др. (26 февраля 2013 г.). «Эволюция взаимодействия естественных и социальных наук в программах исследования глобальных изменений». Труды Национальной академии наук . 110 (Приложение 1, 3665–3672): 3665–3672. Bibcode : 2013PNAS..110.3665M. doi : 10.1073/pnas.1107484110 . PMC 3586612. PMID  23297237 . 
  27. ^ Манн, Майкл. "Earth System Science Center". Университет штата Пенсильвания . Получено 25 июля 2015 г.
  28. ^ abcd IPCC, 2013: Приложение III: Глоссарий [Planton, S. (ред.)]. В: Изменение климата 2013: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Stocker, TF, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, SK Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex и PM Midgley (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
  29. ^ "Климатические системы". climatechange.environment.nsw.gov.au . Архивировано из оригинала 6 мая 2019 . Получено 6 мая 2019 .
  30. ^ "Климатическая система Земли". Обзор мирового океана . Получено 13 октября 2019 г.
  31. ^ "Формирование будущего бакалавриата по наукам о Земле". Американский геофизический союз. Архивировано из оригинала 16 сентября 2008 года . Получено 12 мая 2009 года .
  32. ^ "Earth System Science Education Alliance". Архивировано из оригинала 22 сентября 2017 года . Получено 25 июля 2015 года .
  33. ^ Петерсманн, Мари-Катрин (2021). «Симпоэтическое мышление и закон о системе Земли: Земля, ее субъекты и закон». Управление системой Земли . 9 : 100114. doi : 10.1016/j.esg.2021.100114 . Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.

Внешние ссылки