地球システム科学

COの生態学的分析2生態系におけるシステム生物学として、システム生態学は生物系と生態系間の相互作用と取引を総合的に捉えようとします。

地球システム科学( ESS ) は、システム科学を地球に応用する学問です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]特に、大気圏、水圏、氷圏、[ 5]地圏、土壌圏、岩石圏、生物圏、 [ 6 ]さらには磁気圏 [7] といった地球のサブシステムの循環、プロセス、および「圏」間の物​​質およびエネルギーの流れを通じた相互作用および「フィードバック」、ならびに人間社会がこれらの構成要素に与える影響を考察します。[8 ]地球システム科学は、最も広いスケールで、生態学、経済学、地理学、地質学、氷河学、気象学、海洋学、気候学、古生物学、社会学、宇宙科学などの分野の自然科学と社会科学の両方の研究者を集めています。[ 9 ]より広範なシステム科学と同様に、地球システム科学は、地球の球体とその多くの構成サブシステムのフラックスとプロセスとの間の動的な相互作用、これらのシステムの結果としての空間的構成と時間的進化、およびそれらの変動性、安定性、不安定性について、全体論的な見方を前提としています。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]地球システム科学のサブセットには、システム地質学[ 13 ] [ 14 ]とシステム生態学[ 15 ]が含まれ、地球システム科学の多くの側面は、自然地理学[ 16 ] [ 17 ]と気候科学[ 18 ]の基礎となっています。

意味

カールトン大学科学教育リソースセンターは、次のように説明しています。「地球システム科学は、化学、物理学、生物学、数学、応用科学を学際的な枠組みを超えて包含し、地球を統合システムとして扱います。地球の過去、現在、そして未来の状態を決定づける物理的、化学的、生物学的、そして人間の相互作用をより深く理解することを目指します。地球システム科学は、私たちが住み、人類が持続可能性の実現を目指す世界を理解するための物理的な基盤を提供します。」[ 19 ]

地球システム科学は、地球システムの包括的、決定的かつ極めて重要な 4 つの特徴を明確に示しています。

  1. 変動性：地球システムの自然な「モード」や空間的・時間的な変動の多くは、近年の完新世の安定性により、人類の体験を超えています。そのため、地球システム科学の多くは、地球の過去の挙動の研究と、圧力に対する将来の挙動を予測するためのモデルに依存しています。
  2. 生命：生物学的プロセスは、地球システムの機能と反応において、これまで考えられていたよりもはるかに大きな役割を果たしています。地球システムのあらゆる部分に不可欠な要素であると考えられます。
  3. 接続性: プロセスは、これまで知られておらず、考えられなかった方法、深さ、横方向の距離にわたって接続されます。
  4. 非線形性：地球システムの挙動は強い非線形性によって特徴づけられます。これは、「強制関数」の比較的小さな変化がシステムを「閾値」を超えると、急激な変化が生じる可能性があることを意味します。

歴史

人類は数千年にわたり、地球表面の物質的要素と生命的要素がどのように融合しているのかを考察し、神々が特定の要素を体現しているとしばしば考えられてきました。地球自体が生きているという考えは、ギリシャ哲学と宗教において常にテーマとなっていました。[ 20 ]

地球システムの初期の科学的解釈は地質学の分野で始まり、当初は中東[ 21 ]と中国[ 22 ]で、地球の年齢や山や海の形成に関わる大規模なプロセスといった側面に主に焦点を当てていました。地質学が科学として発展するにつれて、地球システムの様々な側面の相互作用についての理解が深まり、地球内部、惑星地質、生命システム、地球に似た世界といった要素が研究対象に含まれるようになりました。

多くの点で、地球システム科学の基礎概念は、19世紀の自然哲学地理学者アレクサンダー・フォン・フンボルトに見ることができます。[ 23 ] 20世紀には、ウラジミール・ヴェルナツキー（1863-1945）が、生物圏の機能は動的な不均衡を生み出す地質学的力であり、それが今度は生命の多様性を促進すると考えました。

同時に、システム科学の分野は、コンピュータの利用可能性と性能の向上に牽引され、他の多くの科学分野にまたがって発展し、地球の気象と気候の詳細かつ相互作用的なシミュレーションを可能にする気候モデルの開発につながりました。[ 24 ]その後、これらのモデルの拡張により、氷圏や生物圏などの側面を含む「地球システムモデル」（ESM）が開発されました。[ 25 ]

1983年、NASAに地球システム科学委員会が設立されました。NASAのESSC（地球システム科学委員会）の初期の報告書である『地球システム科学：概要』（1986年）と単行本『地球システム科学：より詳細な視点』（1988年）は、地球システム科学の正式な発展における重要なマイルストーンを構成しています。[ 26 ]これらのNASA報告書のような、地球システム科学を論じた初期の研究は、概して、地球システムへの人間の影響の増大が生命科学と地球科学のより緊密な統合の必要性を促している主な要因であると強調しており、地球システム科学の起源は地球変動研究およびプログラムの始まりと並行しています。

気候科学

気候学と気候変動は、前述のNASAの初期報告書において気候変動が重要な位置を占めていることからもわかるように、地球システム科学の創設以来、その中心的な役割を担ってきました。地球の気候システムは、惑星システム全体の新たな特性、すなわち、単一の統合された実体として捉えなければ完全に理解できない特性の代表例です。また、近年、人間の影響が急速に拡大しているシステムでもあり、地球システム科学研究の成功と発展に計り知れない重要性を与えています。気候学がこの分野の中心的役割を担っていることの一例として、地球システム科学研究の最も初期のセンターの一つであるペンシルベニア州立大学地球システム科学センターのミッションステートメントには、「地球システム科学センター（ESSC）は、地球の気候システムを記述、モデル化し、理解するという使命を維持する」と記されています。[ 27 ]

気候システムの5つの構成要素はすべて相互作用している。それらは、大気圏、水圏、氷圏、岩石圏、そして生物圏である。[ 28 ] : 1451

地球の気候システムは、大気、水圏、氷圏（氷と永久凍土）、岩石圏（地球の上部岩石層） 、生物圏（生物）という 5 つの要素が相互作用する複雑なシステムです。 [ 28 ] : 1451 気候は、気候システムの統計的な特徴付けです。[ 28 ] : 1450 気候は通常 30 年の期間にわたる平均的な天候を表し、海流や風のパターンなどのプロセスの組み合わせによって決まります。[ 29 ] [ 30 ]大気と海洋の循環により、熱帯地域から太陽から受け取るエネルギーが少ない地域に熱が輸送されます。太陽放射がこの循環の主な原動力です。水循環も、気候システム全体でエネルギーを移動させます。さらに、特定の化学元素が気候システムの要素間を絶えず移動しています。これらの生化学的循環の 2 つの例は、炭素循環と窒素循環です。

気候システムは、内部変動と外部強制力によって変化する可能性があります。これらの外部強制力は、太陽強度の変動や火山噴火などの自然現象である場合もあれば、人為的要因による場合もあります。大気中の温室効果ガスの蓄積は、主に化石燃料の燃焼によって排出され、気候変動を引き起こしています。人間の活動は冷却エアロゾルも放出しますが、その正味の影響は温室効果ガスの影響よりもはるかに小さいです。[ 28 ]：1451 気候システムの様々な構成要素におけるフィードバックプロセスによって、変化が増幅される可能性があります。

教育

地球システム科学は、一部の大学では大学院レベルで学ぶことができます。一般教育においては、アメリカ地球物理学連合がケック地質学コンソーシアムと協力し、国立科学財団の5つの部門の支援を受けて、1996年に「地球科学におけるすべての分野に共通の教育目標を定義する」ためのワークショップを開催しました。報告書の中で、参加者は「地球科学と宇宙科学を構成する分野は現在、地球を相互に関連する複数のシステムとして理解することを促進する大きな進歩を遂げている」と指摘しました。このシステムアプローチの台頭を踏まえ、ワークショップ報告書は、国立科学財団の支援を受けて地球システム科学のカリキュラムを開発することを勧告しました。[ 31 ]

2000年に地球システム科学教育同盟（ESSEA）が発足し、現在40以上の教育機関が参加し、2009年秋までに3,000人以上の教師がESSEAのコースを修了しています。[ 32 ]

地球システム法の概念（2021年時点ではまだ初期段階にある）は、地球システムガバナンスのサブ分野であり、それ自体が社会科学の観点から分析された地球システム科学のサブフィールドである。[ 33 ]

参照

参考文献

  1. ^スタンリー、スティーブン・M. (2005).地球システムの歴史. マクミラン. ISBN 978-0-7167-3907-4。
  2. ^ジェイコブソン、マイケル他 (2000).地球システム科学：生物地球化学循環から地球規模の変化へ（第2版）. ロンドン: エルゼビア・アカデミック・プレス. ISBN 978-0-12-379370-6. 2015年9月7日閲覧。
  3. ^カンプ、リー他 (2004). 『地球システム』（第2版）. ニュージャージー州: プレンティス・ホール. ISBN 978-0-13-142059-5。
  4. ^ Christiansen, EH; Hamblin, WK (2014).ダイナミック・アース. Jones & Bartlett Learning. ISBN 978-1-4496-5902-8。
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