Khoa học hệ thống Trái đất

Trung tâm Tài nguyên giáo dục khoa học Cao đẳng Carleton đưa ra mô tả về ngành khoa học này như sau: "Khoa học hệ thống Trái Đất bao gồm hóa học, vật lý, sinh học, toán học và khoa học ứng dụng trong việc vượt qua các ranh giới kỷ luật để coi Trái Đất là một hệ thống tích hợp. Nó tìm hiểu sâu hơn về các tương tác vật lý, hóa học, sinh học và con người xác định quá khứ, hiện tại và tương lai của Trái Đất. Khoa học Hệ thống Trái Đất cung cấp một cơ sở vật chất để hiểu thế giới chúng ta đang sống và nhân loại tìm cách đạt được sự bền vững".^[19]

Khoa học Hệ thống Trái Đất đã đưa ra bốn đặc điểm bao quát, dứt khoát và cực kỳ quan trọng của Hệ thống Trái Đất, bao gồm:

1. Tính biến đổi: Nhiều 'chế độ' tự nhiên và khả năng biến đổi theo không gian và thời gian của Hệ thống Trái Đất vượt quá kinh nghiệm của con người vì tính ổn định của Holocene gần đây. Do đó, nhiều khoa học về Hệ thống Trái Đất dựa vào các nghiên cứu về hành vi và mô hình trong quá khứ của Trái Đất để dự đoán hành vi trong tương lai để đối phó với áp lực.
2. Sự sống: Các quá trình sinh học đóng vai trò mạnh mẽ hơn nhiều trong hoạt động và phản ứng của Hệ thống Trái Đất so với suy nghĩ trước đây. Nó dường như là không thể thiếu đối với mọi bộ phận của Hệ thống Trái Đất.
3. Kết nối: Các quy trình được kết nối theo cách và trên các độ sâu và khoảng cách bên mà trước đây không thể biết và không thể tưởng tượng được.
4. Phi tuyến tính: Hành vi của Hệ thống Trái Đất được tiêu biểu hóa bởi các phi tuyến tính mạnh. Điều này có nghĩa là thay đổi đột ngột có thể dẫn đến khi những thay đổi tương đối nhỏ trong 'chức năng buộc' đẩy Hệ thống qua một''ngưỡng'.

Trong nhiều thiên niên kỷ, con người đã suy đoán làm thế nào các yếu tố vật lý và sống trên bề mặt Trái Đất kết hợp với các vị thần và nữ thần thường được đặt ra để thể hiện các yếu tố cụ thể. Quan niệm rằng Trái Đất, chính nó, còn sống là một chủ đề thường xuyên của triết học và tôn giáo Hy Lạp.^[20] Những giải thích khoa học ban đầu về hệ thống Trái Đất bắt đầu trong lĩnh vực địa chất học, ban đầu ở Trung Đông^[21] và Trung Quốc,^[22] và chủ yếu tập trung vào các khía cạnh như tuổi của Trái Đất và các quy trình quy mô lớn liên quan đến núi và đại dương. Địa chất phát triển như một khoa học,sự hiểu biết về sự tương tác của các khía cạnh khác nhau của hệ thống Trái Đất tăng lên, dẫn đến việc bao gồm các yếu tố như nội địa Trái Đất, địa chất hành tinh và hệ thống sống.

Trong nhiều khía cạnh, các khái niệm nền tảng của khoa học Hệ thống Trái Đất có thể được nhìn thấy trong các diễn giải tổng thể về tự nhiên được thúc đẩy bởi nhà địa lý thế kỷ 19 Alexander von Humboldt.^[23] Trong thế kỷ 20, Vladimir Vernadsky (1863–1945) đã nhìn thấy chức năng của sinh quyển như một lực lượng địa chất tạo ra sự mất cân bằng động, từ đó thúc đẩy sự đa dạng của cuộc sống. Vào giữa những năm 1960, James Lovelock lần đầu tiên đưa ra một vai trò điều tiết cho sinh quyển trong Phản hồi các cơ chế trong hệ thống Trái Đất. Ban đầu được đặt tên là "giả thuyết phản hồi Trái Đất",^[24][25][26] Lovelock sau đó đổi tên nó thành Giả thuyết Gaia,^[20] và sau đó tiếp tục phát triển lý thuyết với nhà lý thuyết tiến hóa Mỹ Lynn Margulis suốt những năm 1970.^[25][27] Song song đó, ngành khoa học hệ thống đã phát triển trên nhiều lĩnh vực khoa học khác, một phần do sự sẵn có ngày càng tăng và năng lượng của máy tính,và dẫn đến sự phát triển về mô hình khí hậu điều đó bắt đầu cho phép chi tiết và tương tác mô phỏng về Trái Đất với thời tiết và khí hậu.^[28] Sự mở rộng sau đó của các mô hình này đã dẫn đến sự phát triển của "các mô hình hệ thống Trái Đất" (ESM) bao gồm các khía cạnh như tầng lạnh và sinh quyển.^[29]

Là một lĩnh vực tích hợp, khoa học Hệ thống Trái Đất giả định lịch sử của một loạt các ngành khoa học, nhưng như một nghiên cứu rời rạc, nó đã phát triển vào những năm 1980, đặc biệt là tại NASA, nơi một ủy ban được gọi là Ủy ban Khoa học Hệ thống Trái Đất được thành lập vào năm 1983.Những bản báo cáo đầu tiên về khoa học hệ thống Trái Đất, Khoa học hệ thống Trái Đất: Tổng quan (1986), và độ dài sách Khoa học hệ thống Trái Đất: Một cái nhìn cận cảnh hơn (1988), tạo thành một cột mốc quan trọng trong sự phát triển chính thức của khoa học hệ thống Trái Đất.^[30] Các công trình ban đầu thảo luận về khoa học hệ thống Trái Đất, như các báo cáo của NASA, nói chung nhấn mạnh tác động của con người ngày càng tăng đối với hệ Trái Đất là động lực chính cho nhu cầu hội nhập lớn hơn giữa đời sống và khoa học địa lý, làm cho nguồn gốc của khoa học hệ thống Trái Đất song song với sự khởi đầu của thay đổi toàn cầu

Khí hậu học và biến đổi khí hậu là trung tâm của khoa học Hệ thống Trái Đất kể từ khi thành lập, bằng chứng là nơi nổi bật được đưa ra cho sự thay đổi khí hậu trong các báo cáo ban đầu của NASA đã thảo luận ở trên. Hệ thống khí hậu của Trái Đất là một ví dụ điển hình của một thuộc tính mới nổi của toàn bộ hệ thống hành tinh, nghĩa là, một thứ không thể hiểu đầy đủ mà không liên quan đến nó như một thực thể tích hợp duy nhất. Đây cũng là một hệ thống mà các tác động của con người đã phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ gần đây, cho thấy tầm quan trọng to lớn đối với sự phát triển và tiến bộ thành công của nghiên cứu khoa học Hệ thống Trái Đất. Chỉ là một ví dụ về tính trung tâm của khí hậu học đến lĩnh vực này, nhà khí hậu học hàng đầu của Mỹ Michael E. Mann là Giám đốc của một trong những trung tâm đầu tiên về nghiên cứu khoa học Hệ thống Trái Đất, Trung tâm Khoa học Hệ thống Trái Đất tại Đại học Bang Pennsylvania, và tuyên bố sứ mệnh của nó là "Trung tâm Khoa học Hệ thống Trái Đất để duy trì sứ mệnh mô tả, mô hình hóa và hiểu hệ thống khí hậu Trái Đất".^[31]

Giả thuyết Gaia đặt ra rằng các hệ thống sống tương tác với các thành phần vật lý của hệ Trái Đất để tạo thành một tự điều chỉnh toàn bộ duy trì các điều kiện thuận lợi cho cuộc sống. Được phát triển ban đầu bởi James Lovelock, giả thuyết này cố gắng tính đến các đặc điểm chính của hệ Trái Đất, bao gồm cả thời gian dài (vài tỷ năm) trong điều kiện khí hậu tương đối thuận lợi trong bối cảnh của tăng đều đặn bức xạ năng lượng mặt trời.Do đó, giả thuyết Gaia có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học hệ thống Trái Đất, theo ghi nhận của Giám đốc Khoa học Hành tinh của NASA, James Green, vào tháng 10 năm 2010: "Tiến sĩ Lovelock và Tiến sĩ Margulis đóng vai trò chính trong nguồn gốc của những gì chúng ta biết bây giờ là Khoa học hệ thống Trái Đất".^[32]

Mặc dù giả thuyết Gaia và khoa học hệ thống Trái Đất có cách tiếp cận liên ngành để nghiên cứu các hoạt động của hệ thống ở quy mô hành tinh, nhưng chúng không đồng nghĩa với nhau. Một số cơ chế phản hồi tiềm năng của Gaian đã được đề xuất, ví dụ như Giả thuyết CLAW^[33]—nhưng giả thuyết không có sự hỗ trợ phổ quát trong cộng đồng khoa học,^{[34][35][36][37]} tvẫn còn là một chủ đề nghiên cứu tích cực.^{[38][39][40][41]}

Khoa học hệ thống Trái Đất có thể được nghiên cứu ở cấp độ sau đại học tại một số trường đại học, với các chương trình đáng chú ý tại các tổ chức như University of California, Irvine, Đại học Bang Pennsylvania, and Đại học Stanford. Trong giáo dục phổ thông, Hiệp hội Địa vật lý Hoa Kỳ,hợp tác với Hiệp hội Địa chất Keck và với sự hỗ trợ từ năm bộ phận trong Quỹ khoa học quốc gia, triệu tập một hội thảo vào năm 1996, "để xác định các mục tiêu giáo dục phổ biến trong số tất cả các ngành trong khoa học Trái Đất". Trong báo cáo của mình, những người tham gia lưu ý rằng, "Các lĩnh vực tạo nên Trái Đất và khoa học vũ trụ hiện đang trải qua một bước tiến lớn thúc đẩy sự hiểu biết về Trái Đất như một số hệ thống có liên quan với nhau". Nhận thấy sự gia tăng của điều này phương pháp tiếp cận hệ thống, Ông đã báo cáo hội thảo đề xuất một chương trình khoa học về Hệ thống Trái Đất được phát triển với sự hỗ trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia.^[42] Năm 2000, Liên minh Giáo dục Khoa học Hệ thống Trái Đất đã được bắt đầu và hiện có sự tham gia của hơn 40 tổ chức, với hơn 3.000 giáo viên đã hoàn thành khóa học về liên minh khoa học hệ thống Trái Đất vào mùa thu năm 2009".^[43]