Theoretical and metholocical principles

of integrated Earth System Research:
state of research and perspectives


In recent times, the relationship between nature and people has significantly gained diversity, complexity and dynamism. At the same time, global environmental changes are increasing and have now reached a geological dimension that has led to the concept of the Anthropocene. Important examples of these global environmental changes are climate and land use change, biodiversity loss and ocean pollution. As insights into individual physical, chemical, and biological processes and components progress, there is a growing need for holistic considerations of the Earth system, including its interactions with social activities. The relatively new field of Earth system science is dedicated to this demand.

 

 

Measurements or rather experiments, remote sensing and numerical modeling play a central role in Earth system science, focusing on physical and ecological processes. The present investigations are the first important step towards a better understanding of the earth system. In addition, societies can have tremendous impact on the Earth system through world trade, consumer behavior, investment, innovation, etc. The term "integrative Earth System Research" particularly includes these social influences. Due to the interdisciplinary research framework, Earth system research is associated with considerable theoretical and methodological challenges. However, a topic-independent scientific examination of these challenges has so far been poorly developed.

 

 

 

Integrated Earth System Research requires the involvement of progress in Earth system modelling to present approaches. Earth system modeling, which focuses primarily on the climate system and is important for the IPCC process (1), must be supplemented by the many other dimensions of planetary load limits through a more comprehensive modeling approach, a simulator for interacting planetary load limits. Theoretical principles for this are provided by new approaches of functional ecology and system ecology, complexity theory and the theory of social material flows.

 

 

 


The aim is to achieve progress in the form of a threefold integration, which is reflected on the one hand in analytical, methodological and theoretical progress, and on the other in the development or further development of corresponding numerical models:

 

 

I

Integration of Earth system components into an Earth system model of interacting planetary load limits.

 

A planetary boundary simulator requires an interdisciplinary Earth system model that does not fundamentally operate a climate model but integrates and fairly weights all elements of the Earth system. In particular, the dynamics of the biosphere and the Anthroposphere require greater weighting in the future. Emphases of the analysis of the interaction of planetary load limits, their definition and quantification lie on:

 

Process understanding of the interactions between different system components of the Earth system

 

 

Nonlinear interactions, tipping points (2) and complex biogeochemical and ecological relationships

 

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

 


II

Integration of important ecological macro dynamics into Earth system modeling.

 

 

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 (United Nations)
(2) Tipping point = Critical threshold, that when exceeded leads to large changes in the climate system