Наука о системах Земли ( ESS ) – это применение системной науки к Земле . [1] [2] [3] [4] В частности, он рассматривает взаимодействия и «обратные связи» через материальные и энергетические потоки между циклами, процессами и «сферами» подсистем Земли — атмосферой , гидросферой , криосферой , [5] геосфера , педосфера , литосфера , биосфера , [6] и даже магнитосфера [7] — а также влияние человеческого общества на эти компоненты. [8] В самом широком масштабе наука о системе Земли объединяет исследователей как естественных , так и социальных наук из таких областей, как экология , экономика , география , геология , гляциология , метеорология , океанография , климатология , палеонтология , социология и космические науки . [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, результирующую пространственную организацию и эволюцию во времени этих систем, а также их изменчивость. стабильность и нестабильность. [10] [11] [12] Подразделы науки о системе Земли включают системную геологию [13] [14] и системную экологию , [15] и многие аспекты науки о системе Земли являются фундаментальными для предметов физической географии [16] [17] ] и климатология . [18]
Ресурсный центр научного образования Карлтон-колледжа предлагает следующее описание: «Наука о системе Земли охватывает химию, физику, биологию, математику и прикладные науки, преодолевая дисциплинарные границы и рассматривая Землю как интегрированную систему. Она стремится к более глубокому пониманию физического мира. «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 особенности системы Земли, которые включают в себя:
На протяжении тысячелетий люди размышляли о том, как сочетаются физические и живые элементы на поверхности Земли, при этом часто предполагалось, что боги и богини воплощают определенные элементы. Идея о том, что Земля сама по себе живая, была постоянной темой греческой философии и религии. [20]
Ранние научные интерпретации системы Земли начались в области геологии , первоначально на Ближнем Востоке [21] и в Китае [22] и в основном были сосредоточены на таких аспектах, как возраст Земли и крупномасштабные процессы, связанные с горными и образование океана . По мере того как геология развивалась как наука , понимание взаимодействия различных аспектов системы Земли увеличивалось, что привело к включению таких факторов, как недра Земли , планетарная геология , живые системы и миры, подобные Земле .
Во многих отношениях основополагающие концепции науки о системе Земли можно увидеть у географа-натурфилософа XIX века Александра фон Гумбольдта . [23] В ХХ веке Владимир Вернадский (1863–1945) рассматривал функционирование биосферы как геологическую силу, порождающую динамическое неравновесие, что, в свою очередь, способствовало разнообразию жизни.
Параллельно системная наука развивалась во многих других научных областях, отчасти благодаря растущей доступности и мощности компьютеров и приводя к разработке климатических моделей , которые начали позволять детальное и интерактивное моделирование погоды на Земле и климат . [24] Последующее расширение этих моделей привело к разработке «моделей системы Земли» (ESM), которые включают такие аспекты, как криосфера и биосфера. [25]
В 1980-х годах, когда в 1983 году был сформирован комитет НАСА под названием «Комитет по науке о системе Земли». Самые ранние отчеты ESSC НАСА: «Наука о системе Земли: обзор» (1986) и книга «Наука о системе Земли: более близкий взгляд» (1988). , представляют собой важную веху в формальном развитии науки о системе Земли. [26] Ранние работы, обсуждающие науку о системе Земли, такие как эти отчеты НАСА, в целом подчеркивали растущее воздействие человека на систему Земли как основную движущую силу необходимости большей интеграции между науками о жизни и геонауками, что положило начало науке о системе Земли. параллельно с началом исследований и программ глобальных изменений .
Климатология и изменение климата занимали центральное место в науке о системе Земля с момента ее зарождения, о чем свидетельствует видное место, отведенное изменению климата в ранних отчетах НАСА, обсуждавшихся выше. Климатическая система Земли является ярким примером эмерджентного свойства всей планетарной системы, то есть такого, которое невозможно полностью понять, не рассматривая ее как единое целое. В последние десятилетия это также система, в которой антропогенное воздействие быстро растет, что придает огромное значение успешному развитию и продвижению научных исследований в системе Земли. В качестве одного из примеров центральной роли климатологии в этой области можно привести: ведущий американский климатолог Майкл Э. Манн является директором одного из первых центров научных исследований системы Земли, Научного центра системы Земли в Университете штата Пенсильвания, и его миссия гласит: , «Научный центр системы Земли (ESSC) выполняет миссию по описанию, моделированию и пониманию климатической системы Земли». [27]
Науку о системе Земли можно изучать на последипломном уровне в некоторых университетах, а известные программы есть в таких учреждениях, как Калифорнийский университет в Ирвайне, Государственный университет Пенсильвании и Стэнфордский университет. В сфере общего образования Американский геофизический союз в сотрудничестве с Геологическим консорциумом Кека и при поддержке пяти подразделений Национального научного фонда созвал в 1996 году семинар, «чтобы определить общие образовательные цели среди всех дисциплин наук о Земле». В своем отчете участники отметили, что «Области, составляющие науки о Земле и космосе, в настоящее время переживают значительный прогресс, который способствует пониманию Земли как ряда взаимосвязанных систем». Признавая распространение такого системного подхода , в отчете семинара было рекомендовано разработать учебную программу по наукам о системе Земли при поддержке Национального научного фонда. [28] В 2000 году был основан Альянс по образованию в области наук о системе Земли, и в настоящее время в нем участвуют более 40 учреждений, причем по состоянию на осень 2009 года более 3000 преподавателей прошли курс ESSEA». [29]