En økologisk analyse av karbondioksid i et økosystem. I likhet med systembiologi søker systemøkologi å gi en helhetlig forståelse av samspillet og utvekslingen innenfor og mellom biologiske og økologiske systemer.
Jordsystemvitenskap (engelsk: Earth system science) er anvendelsen av systemvitenskap på Jorden. Fagfeltet studerer særlig samspillet og tilbakekoblingene mellom jordens delsystemer gjennom strømmer av stoff og energi. Disse delsystemene omfatter blant annet atmosfæren, hydrosfæren, kryosfæren, pedosfæren, litosfæren, biosfæren og til og med magnetosfæren, i tillegg til hvordan menneskelige samfunn påvirker disse systemene.
I vid forstand er jordsystemvitenskap et tverrfaglig forskningsfelt som omfatter både naturvitenskap og samfunnsvitenskap, med fagområder som økologi, økonomi, geografi, geologi, glasiologi, meteorologi, oseanografi, klimatologi, paleontologi, sosiologi og romforskning. Som systemvitenskap generelt bygger jordsystemvitenskap på et helhetlig syn på det dynamiske samspillet mellom jordens ulike sfærer og deres mange delsystemer, strømmer og prosesser. Fagfeltet undersøker hvordan disse systemene er organisert i rom, hvordan de utvikler seg over tid, og deres variasjon, stabilitet og ustabilitet. Underområder av jordsystemvitenskap omfatter systemgeologi og systemøkologi, og mange sider ved fagfeltet står sentralt innen fysisk geografi og klimatologi.
Definisjon
Science Education Resource Center ved Carleton College beskriver jordsystemvitenskap slik: «Jordsystemvitenskap omfatter kjemi, fysikk, biologi, matematikk og anvendt vitenskap og overskrider grensene mellom fagområdene ved å betrakte jorden som et integrert system. Fagfeltet søker en dypere forståelse av de fysiske, kjemiske, biologiske og menneskelige samspillene som bestemmer jordens tidligere, nåværende og fremtidige tilstand. Jordsystemvitenskap gir et fysisk grunnlag for å forstå verden vi lever i, og som menneskeheten søker å oppnå bærekraft innenfor.»
Innen jordsystemvitenskap fremheves fire overordnede og grunnleggende egenskaper ved jordsystemet:
Variasjon: Mange av jordsystemets naturlige tilstander og variasjoner i tid og rom ligger utenfor menneskelig erfaring på grunn av den forholdsvis stabile perioden i sen holocen. Jordsystemvitenskap bygger derfor i stor grad på undersøkelser av hvordan jorden har oppført seg tidligere, samt på modeller som brukes til å forutsi hvordan systemet kan reagere på fremtidige påvirkninger.
Liv: Biologiske prosesser spiller en langt større rolle for jordsystemets funksjon og reaksjoner enn man tidligere antok. Livet ser ut til å være en integrert del av hele jordsystemet.
Sammenkobling: Prosesser er forbundet med hverandre på måter og over dybder og horisontale avstander som tidligere var ukjente og vanskelige å forestille seg.
Ikke-linearitet: Jordsystemet kjennetegnes av sterke ikke-lineære sammenhenger. Det innebærer at brå endringer kan oppstå når forholdsvis små endringer i en ytre påvirkning fører systemet over en terskel.
Historie
I flere tusen år har mennesker undret seg over hvordan de fysiske og levende delene av jordoverflaten henger sammen. Guder og gudinner har ofte blitt oppfattet som legemliggjøringer av bestemte deler av naturen, og forestillingen om at selve jorden er levende, var et tilbakevendende tema i gresk filosofi og religion.
De første vitenskapelige forsøkene på å forstå jordsystemet oppstod innen geologi, først i Midtøsten og Kina. De dreide seg i stor grad om spørsmål som jordens alder og de omfattende prosessene som danner fjell og hav. Etter hvert som geologien utviklet seg som vitenskap, økte forståelsen av samspillet mellom ulike deler av jordsystemet. Dette førte til at blant annet jordens indre, planetgeologi, levende systemer og jordlignende planeter ble trukket inn i studiet.
Mange av de grunnleggende tankene i jordsystemvitenskap kan spores tilbake til naturfilosofien til geografen Alexander von Humboldt (1769–1859) på 1800-tallet. På 1900-tallet betraktet russeren Vladimir Vernadskij (1863–1945) biosfærens virksomhet som en geologisk kraft som skapte en dynamisk ubalanse, noe som igjen fremmet livets mangfold.
Parallelt utviklet systemvitenskap seg innen en rekke andre vitenskapelige fagområder. Utviklingen ble delvis drevet frem av at datamaskiner ble stadig mer tilgjengelige og fikk større regnekraft. Dette bidro til utviklingen av klimamodeller som gjorde det mulig å utføre stadig mer detaljerte og sammenkoblede simuleringer av jordens vær og klima. Videreutviklingen av disse modellene har ført til såkalte «jordsystemmodeller» (ESM), som også omfatter deler av jordsystemet som kryosfæren og biosfæren.
I 1983 opprettet NASA en komité kalt Earth System Science Committee. Komiteens første rapporter, Earth System Science: Overview fra 1986 og den mer omfattende Earth System Science: A Closer View fra 1988, regnes som viktige milepæler i den formelle utviklingen av jordsystemvitenskap. Tidlige arbeider om jordsystemvitenskap, blant annet disse NASA-rapportene, la vanligvis stor vekt på menneskenes økende påvirkning på jordsystemet. Denne utviklingen skapte behov for tettere integrasjon mellom biovitenskapene og geovitenskapene. Fremveksten av jordsystemvitenskap skjedde derfor parallelt med utviklingen av forskning og forskningsprogrammer om globale miljøendringer.
Klimatologi og klimaendringer har stått sentralt i jordsystemvitenskap helt siden fagfeltet oppstod. Dette kommer blant annet til uttrykk gjennom den fremtredende plassen klimaendringer fikk i NASAs tidlige rapporter omtalt ovenfor. Jordens klimasystem er et godt eksempel på en egenskap som oppstår gjennom samspillet i planetsystemet som helhet, og som derfor ikke kan forstås fullt ut dersom systemets enkelte deler studeres isolert. Samtidig har menneskelig påvirkning på klimasystemet økt raskt de siste tiårene, noe som har gjort utviklingen av jordsystemvitenskap stadig viktigere. Klimatologiens sentrale plass i fagfeltet illustreres blant annet av formålsbeskrivelsen til et av de tidligste forskningssentrene for jordsystemvitenskap, Earth System Science Center ved Pennsylvania State University, som har som mål å «beskrive, modellere og forstå jordens klimasystem».
Jordens klimasystem er et komplekst system med fem komponenter som påvirker hverandre: atmosfæren (luft), hydrosfæren (vann), kryosfæren (is og permafrost), litosfæren (jordens øvre, faste berglag) og biosfæren (levende organismer).:1451Klima er en statistisk beskrivelse av klimasystemet.:1450 Det uttrykker de gjennomsnittlige værforholdene, vanligvis over en periode på 30 år, og bestemmes av en kombinasjon av prosesser, blant annet havstrømmer og vindmønstre. Sirkulasjonen i atmosfæren og havene transporterer varme fra tropene til områder som mottar mindre energi fra solen. Solstråling er den viktigste drivkraften for denne sirkulasjonen. I tillegg foregår det en kontinuerlig utveksling av visse kjemiske grunnstoffer mellom klimasystemets ulike komponenter. To eksempler på slike biogeokjemiske kretsløp er karbonkretsløpet og nitrogenkretsløpet.
Klimasystemet kan endres som følge av intern variasjon og ytre påvirkninger. Slike ytre påvirkninger kan ha naturlige årsaker, som variasjoner i solinnstrålingen og vulkanutbrudd, eller være menneskeskapte. Opphopning av drivhusgasser i atmosfæren, hovedsakelig som følge av menneskers forbrenning av fossilt brensel, fører til klimaendringer. Menneskelig aktivitet fører også til utslipp av aerosoler som virker avkjølende, men den samlede virkningen av disse er langt mindre enn oppvarmingen fra drivhusgassene.:1451 Endringer kan forsterkes gjennom tilbakekoblingsprosesser i klimasystemets ulike komponenter.
Utdanning
En plan for utdanning innen jordsystemvitenskap ble arrangert av American Geophysical Union, i samarbeid med Keck Geology Consortium og med støtte fra fem avdelinger i National Science Foundation. En konferanse i 1996 for å fastsette felles utdanningsmål for de ulike geovitenskapelige fagområdene. I rapporten fra konferansen påpekte deltakerne at fagområdene som utgjør geo- og romvitenskapene, var inne i en omfattende utvikling mot en forståelse av jorden som en rekke sammenkoblede systemer.
↑Ohtani, Shin-ichi; Fujii, Ryoichi; Hesse, Michael; Lysak, Robert L. (2000). Magnetospheric Current Systems. American Geophysical Union. ISBN978-0-87590-976-9.
↑Fielding H. Garrison, An introduction to the history of medicine, W.B. Saunders, 1921.
↑Asimov, M. S.; Bosworth, Clifford Edmund (red.). The Age of Achievement: A.D. 750 to the End of the Fifteenth Century: The Achievements. History of civilizations of Central Asia. s.211–214. ISBN978-92-3-102719-2.
↑Washington, W.M.; Buja, L.; Craig, A. (2009). «The computational future for climate and Earth system models: on the path to petaflop and beyond». Phil. Trans. Roy. Soc. A. 367 (1890): 833–846. Bibcode:2009RSPTA.367..833W. PMID19087933. doi:10.1098/rsta.2008.0219.
↑Bridgman, Howard A.; Oliver, John. E. (2014). The Global Climate System: Patterns, Processes, and Teleconnections. Cambridge University Press. s.131. ISBN978-1-107-66837-9.