Theoretische und Methodische Grundlagen

der integrierten Erdsystemforschung:
Forschungsstand und Perspektiven


Das Verhältnis zwischen Natur und Mensch hat in der Gegenwart signifikant an Vielfalt, Kompliziertheit und Dynamik gewonnen.
Zugleich nehmen globale Umweltveränderungen zu und haben mittlerweile eine geologische Dimension erreicht, die zum Begriff des Anthropozäns geführt hat. Wichtige Beispiele für diese globalen Umweltveränderungen sind der Klimawandel, der Landnutzungswandel, der Verlust an Biodiversität sowie stoffliche Belastungen der Ozeane. Während die Erkenntnisse über einzelne physikalische, chemische und biologische Prozesse und Komponenten voranschreiten, besteht ein wachsender Bedarf nach ganzheitlichen Betrachtungen des Erdsystems mit seinen Wechselwirkungen mit gesellschaftlichen Aktivitäten. Diesem Bedarf widmet sich das relativ junge Feld der Erdsystemwissenschaft (earth system science). 

 

In der Erdsystemwissenschaft spielen Messungen bzw. Experimente, Fernerkundung und nummerische Modellierung eine zentrale Rolle, wobei bisher physikalische und ökologische Prozesse im Mittelpunkt stehen. Die vorliegenden Untersuchungen sind erste wichtige Schritt zum Verständnis des Erdsystems. Darüber hinaus können Gesellschaften durch Welthandel, Konsumverhalten, Investitionen, Innovationen, etc. enorme Einflüsse auf das Erdsystem haben. Mit dem Begriff „integrative Erdsystemforschung“ sollen diese gesellschaftlichen Einflüsse explizit einbezogen werden. Durch den Disziplinen übergreifenden Untersuchungsrahmen ist die Erdsystemforschung mit erheblichen theoretischen und methodischen Herausforderungen verbunden. Eine themenunabhängige wissenschaftliche Auseinandersetzung mit diesen Herausforderungen ist bisher allerdings wenig entwickelt. 

 

 

 

Integrierte Erdsystemforschung erfordert in Ergänzung der bestehenden Ansätze Fortschritte in der Erdsystemmodellierung.
Die vor allem auf das Klimasystem fokussierte und für den IPCC-Prozess (1)
wichtige bestehende „Erdsystemmodellierung“
muss um die zahlreichen anderen Dimensionen der „planetaren Belastungsgrenzen“ durch eine umfassendere Erdsystemmodellierung, einen Simulator für wechselwirkende planetare Belastungsgrenzen ergänzt werden.
Theoretische Grundlagen hierfür liefern neue Ansätze
der funktionellen Ökologie und der Systemökologie, der Komplexitätstheorie und der Theorie gesellschaftlicher Stoffströme.

 


Angestrebt werden Fortschritte in Form einer dreifachen Integration,
die sich einerseits in analytischem, methodologischem und theoretischem Fortschritt niederschlagen,
andererseits in der Entwicklung oder Weiterentwicklung entsprechender numerischer Modelle:

 

I

Integration von Erdsystemkomponenten
in ein Erdsystemmodell wechselwirkender planetare Belastungsgrenzen

Ein Planetare-Grenzen-Simulator erfordert ein interdisziplinäres Erdsystemmodell, das im Kern nicht ein Klimamodell betreibt, sondern alle Elemente des Erdsystems integriert und fair gewichtet. Hier bedürfen insbesondere die Dynamiken der Biosphäre und Anthroposphäre zukünftig einer stärkeren Gewichtung. Schwerpunkte der Analyse der Wechselwirkung von planetaren Belastungsgrenzen, ihre Definition und Quantifizierung liegen auf:

·         Prozessverständnis der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Systemkomponenten des Erdsystems

 

          Nichtlinearen Wechselwirkungen,
Kipp-Punkten (2) und komplexen biogeochemischen und ökologischen Zusammenhängen

 

         Variabilität, Extreme, Systemresilienz
und Systemtransitionen
anstelle einer Analyse vor allem des mittleren Systemzustandes

 


II

Integration wichtiger ökologischer Makrodynamiken in die Erdsystemmodellierung

Trotz vieler Fortschritte in den Landoberflächen- und Vegetationsmodellen, wie sie in derzeitigen Erdsystemmodellen integriert sind, ist die ökologische Komplexität dieser Modelle unzureichend um die dringenden Fragen des Anthropozäns zu beantworten. Wie sich die künftige Integrität der Biosphäre und damit des Habitats der Menschheit unter dem simultanen Druck von Klimawandel, Landnutzung und Umweltverschmutzung entwickelt, bleibt weiterhin unzureichend beantwortet. Es fehlt insbesondere die Abbildung der natürlichen Widerstandskraft und dazugehörigen Kippdynamiken (2) von Ökosystemen und Landnutzungssystemen. Hier verspricht die Anwendung moderner Prinzipien aus der funktionellen Ökologie und Systemökologie sowie die systematische Integration der Prozesse der Landnutzung mit verbesserter  Darstellungstiefe eine neue Qualität. Eine neue Generation von Biosphärenmodellen steht bereit um genau diese Aspekte in die Erdsystemforschung zu integrieren.

III

Integration ausgewählter Makrodynamiken
des gesellschaftlich vernetzten „anthropos“ in die Erdsystemmodellierung

Fortschritte in der Modellierung und Analyse adaptiver Netzwerke erlaubt neue Zugänge zur Erforschung der Makrodynamik gesellschaftlicher Meinungsbildungs- und Ressourcennutzungsprozesse und deren Komplexitäten. Einerseits lässt sich die Interaktion verschiedener Strukturebenen von regionalen über intermediäre bis zur internationale Gouvernante untersuchen und die Frage nach Interventionspunkten, gesellschaftlichen Lock-Ins und der Rolle verschiedener Formen von Agency untersuchen, andererseits finden sich in der Dynamik solcher gesellschaftlicher Netzwerkstrukturen häufig Bifurkationspunkte mit direkten Auswirkungen auf den Umweltzustand. Die Untersuchung von Bifurkationen in urweltlichen Parametern, welche ihren Ursprung in Bifurkationen im sozialen Bereich haben, sind eine wichtige Ergänzung aus den complexity sciences zu umweltökonomischen Ansätzen, wie sie vor allem in der Klimaforschung etabliert sind. Die Konstruktion von Erdsystemmodellen mit teilweise interaktiven Gesellschaften ist derzeit zwar noch im Pionierstadium, steht aber zunehmend in der internationalen Diskussion und wichtige Fortschritte scheinen erreichbar.

(1) IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change, zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen "Weltklimarat"
(2) Kipp-Punkt = Kritischer Umschlagspunkt für abrupte qualitative Veränderung im Klimasystem