علم نظام الأرض

علم نظام الأرض ( ESS ) هو تطبيق علم الأنظمة على الأرض . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} ويركز بشكل خاص على دراسة التفاعلات و"التغذية الراجعة"، من خلال تدفقات المواد والطاقة، بين دورات وعمليات و"أغلفة" الأنظمة الفرعية للأرض - الغلاف الجوي ، والغلاف المائي ، والغلاف الجليدي ، ^{[ 5 ]} والغلاف الأرضي ، والغلاف التربي ، والغلاف الصخري ، والغلاف الحيوي ، ^{[ 6 ]} وحتى الغلاف المغناطيسي ^{[ 7 ]} - بالإضافة إلى تأثير المجتمعات البشرية على هذه المكونات. ^{[ 8 ]} وعلى أوسع نطاق، يجمع علم نظام الأرض باحثين من مختلف مجالات العلوم الطبيعية والاجتماعية ، بما في ذلك علم البيئة ، والاقتصاد ، والجغرافيا ، والجيولوجيا ، وعلم الجليد ، والأرصاد الجوية، وعلم المحيطات ، وعلم المناخ ، وعلم الأحياء القديمة ، وعلم الاجتماع ، وعلوم الفضاء . ^{[ 9 ]} على غرار علم النظم الأوسع نطاقًا ، يفترض علم نظام الأرض نظرة شاملة للتفاعل الديناميكي بين أغلفة الأرض وتدفقات وعمليات أنظمتها الفرعية العديدة، والتنظيم المكاني الناتج والتطور الزمني لهذه الأنظمة، وتقلباتها واستقرارها وعدم استقرارها. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} تشمل فروع علم نظام الأرض جيولوجيا النظم ^{[ 13 ] [ 14 ]} وعلم بيئة النظم ، ^{[ 15 ]} وتُعدّ جوانب عديدة من علم نظام الأرض أساسية لموضوعي الجغرافيا الطبيعية ^{[ 16 ] [ 17 ]} وعلم المناخ . ^{[ 18 ]}

يقدم مركز موارد تعليم العلوم في كلية كارلتون الوصف التالي: "يشمل علم نظام الأرض الكيمياء والفيزياء والأحياء والرياضيات والعلوم التطبيقية، متجاوزًا حدود التخصصات لدراسة الأرض كنظام متكامل. ويسعى هذا العلم إلى فهم أعمق للتفاعلات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والبشرية التي تحدد حالات الأرض الماضية والحالية والمستقبلية. ويوفر علم نظام الأرض أساسًا ماديًا لفهم العالم الذي نعيش فيه والذي تسعى البشرية من خلاله إلى تحقيق الاستدامة". ^{[ 19 ]}

لقد حدد علم نظام الأرض أربع سمات شاملة وحاسمة وذات أهمية بالغة لنظام الأرض، والتي تشمل ما يلي:

1. التباين: إن العديد من "أنماط" وتقلبات نظام الأرض الطبيعية عبر المكان والزمان تتجاوز التجربة البشرية، وذلك بسبب استقرار العصر الهولوسيني الأخير. ولذلك، يعتمد جزء كبير من علم نظام الأرض على دراسات سلوك الأرض في الماضي ونماذج للتنبؤ بسلوكها المستقبلي استجابةً للضغوط.
2. الحياة: تلعب العمليات البيولوجية دورًا أقوى بكثير في وظائف واستجابات نظام الأرض مما كان يُعتقد سابقًا. ويبدو أنها جزء لا يتجزأ من كل جزء من أجزاء نظام الأرض.
3. الاتصال: ترتبط العمليات بطرق وعبر أعماق ومسافات جانبية كانت غير معروفة وغير متصورة سابقًا.
4. غير خطي: ​​يتميز سلوك نظام الأرض بسلوك غير خطي قوي. وهذا يعني أن تغيراً مفاجئاً قد يحدث عندما تدفع تغيرات صغيرة نسبياً في "دالة القوة" النظام عبر " عتبة ".

على مرّ العصور، تساءل البشر عن كيفية تفاعل العناصر المادية والحيوية على سطح الأرض، حيث افترضوا في كثير من الأحيان أن الآلهة والإلهات تجسد عناصر محددة. وكانت فكرة أن الأرض نفسها حية موضوعًا متكررًا في الفلسفة والدين اليونانيين. ^{[ 20 ]}

بدأت التفسيرات العلمية المبكرة لنظام الأرض في مجال الجيولوجيا ، وتحديدًا في الشرق الأوسط ^{[ 21 ]} والصين ^{[ 22 ]} ، وركزت بشكل أساسي على جوانب مثل عمر الأرض والعمليات واسعة النطاق التي تنطوي عليها عملية تكوين الجبال والمحيطات . ومع تطور الجيولوجيا كعلم ، ازداد فهم التفاعل بين مختلف جوانب نظام الأرض، مما أدى إلى إدراج عوامل مثل باطن الأرض ، وجيولوجيا الكواكب ، والأنظمة الحية ، والعوالم الشبيهة بالأرض .

من نواحٍ عديدة، يمكن رؤية المفاهيم الأساسية لعلم نظام الأرض في فلسفة الجغرافي ألكسندر فون هومبولت في القرن التاسع عشر . ^{[ 23 ]} في القرن العشرين، رأى فلاديمير فيرنادسكي (1863-1945) أن عمل المحيط الحيوي هو قوة جيولوجية تولد اختلالًا ديناميكيًا، والذي بدوره عزز تنوع الحياة.

بالتوازي مع ذلك، كان مجال علم الأنظمة يتطور في العديد من المجالات العلمية الأخرى، مدفوعًا جزئيًا بتزايد توافر الحواسيب وقدرتها ، مما أدى إلى تطوير نماذج مناخية سمحت بإجراء محاكاة تفصيلية وتفاعلية لطقس الأرض ومناخها . ^{[ 24 ]} وقد أدى التوسع اللاحق لهذه النماذج إلى تطوير "نماذج نظام الأرض" (ESMs) التي تشمل جوانب مثل الغلاف الجليدي والغلاف الحيوي . ^{[ 25 ]}

في عام ١٩٨٣، شُكّلت لجنة تابعة لوكالة ناسا تُعرف باسم لجنة علوم نظام الأرض. وتُشكّل التقارير الأولى لهذه اللجنة، "علوم نظام الأرض: نظرة عامة" (١٩٨٦)، وكتاب " علوم نظام الأرض: نظرة فاحصة" (١٩٨٨)، علامةً فارقةً في التطور الرسمي لعلوم نظام الأرض. ^{[ ٢٦ ]} وقد ركّزت الأعمال المبكرة التي تناولت علوم نظام الأرض، مثل تقارير ناسا هذه، بشكل عام على تزايد التأثيرات البشرية على نظام الأرض كدافع رئيسي لضرورة تعزيز التكامل بين علوم الحياة وعلوم الأرض، مما جعل نشأة علوم نظام الأرض متوازيةً مع بدايات دراسات وبرامج التغير المناخي العالمي .

لطالما شكّلت علوم المناخ وتغير المناخ محورًا أساسيًا في علم نظام الأرض منذ نشأته، ويتجلى ذلك في المكانة البارزة التي حظي بها تغير المناخ في تقارير ناسا المبكرة المذكورة آنفًا. يُعدّ نظام مناخ الأرض مثالًا بارزًا على خاصية ناشئة للنظام الكوكبي ككل، أي خاصية لا يمكن فهمها فهمًا كاملًا دون اعتباره كيانًا متكاملًا واحدًا. كما أنه نظام تتزايد فيه التأثيرات البشرية بوتيرة متسارعة في العقود الأخيرة، مما يُضفي أهمية بالغة على نجاح تطوير أبحاث علوم نظام الأرض والارتقاء بها. وكمثال واحد على مركزية علم المناخ في هذا المجال، تنصّ رسالة أحد أقدم مراكز أبحاث علوم نظام الأرض، وهو مركز علوم نظام الأرض في جامعة ولاية بنسلفانيا، على أن "مركز علوم نظام الأرض (ESSC) يضطلع بمهمة وصف نظام مناخ الأرض ونمذجته وفهمه". ^{[ 27 ]}

يُعدّ نظام مناخ الأرض نظامًا معقدًا يتألف من خمسة مكونات متفاعلة: الغلاف الجوي (الهواء)، والغلاف المائي (الماء)، والغلاف الجليدي (الجليد والتربة الصقيعية)، والغلاف الصخري (الطبقة الصخرية العليا للأرض)، والغلاف الحيوي (الكائنات الحية). ^{[ 28 ] : 1451} المناخ هو التوصيف الإحصائي لنظام المناخ. ^{[ 28 ] : 1450} وهو يُمثّل متوسط ​​حالة الطقس ، عادةً على مدى 30 عامًا، ويتحدد بمجموعة من العمليات، مثل التيارات المحيطية وأنماط الرياح. ^{[ 29 ] [ 30 ]} ينقل الدوران في الغلاف الجوي والمحيطات الحرارة من المناطق الاستوائية إلى المناطق التي تتلقى طاقة أقل من الشمس. الإشعاع الشمسي هو القوة الدافعة الرئيسية لهذا الدوران. كما تُساهم دورة الماء في نقل الطاقة عبر نظام المناخ. بالإضافة إلى ذلك، تتحرك بعض العناصر الكيميائية باستمرار بين مكونات نظام المناخ. ومن الأمثلة على هذه الدورات البيوكيميائية دورتا الكربون والنيتروجين .

يمكن أن يتغير النظام المناخي نتيجةً للتقلبات الداخلية والعوامل الخارجية . قد تكون هذه العوامل الخارجية طبيعية، مثل التغيرات في شدة الإشعاع الشمسي والانفجارات البركانية، أو ناتجة عن الأنشطة البشرية. يُساهم تراكم غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي، والتي تنبعث بشكل رئيسي من حرق الوقود الأحفوري ، في تغير المناخ . كما تُطلق الأنشطة البشرية رذاذًا مُبرِّدًا ، إلا أن تأثيره الصافي أقل بكثير من تأثير غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 28 ] : 1451.} ويمكن أن تتفاقم هذه التغيرات بفعل عمليات التغذية الراجعة في مختلف مكونات النظام المناخي.

يمكن دراسة علوم نظام الأرض على مستوى الدراسات العليا في بعض الجامعات. وفي مجال التعليم العام، عقد الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي ، بالتعاون مع اتحاد كيك للجيولوجيا وبدعم من خمسة أقسام تابعة للمؤسسة الوطنية للعلوم ، ورشة عمل عام 1996، "لتحديد أهداف تعليمية مشتركة بين جميع تخصصات علوم الأرض". وأشار المشاركون في تقريرهم إلى أن "المجالات التي تُشكل علوم الأرض والفضاء تشهد حاليًا تطورًا كبيرًا يُعزز فهم الأرض كمجموعة من الأنظمة المترابطة". وإدراكًا لأهمية هذا النهج النظمي ، أوصى تقرير ورشة العمل بتطوير منهج دراسي لعلوم نظام الأرض بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم. ^{[ 31 ]}

في عام 2000، تم تأسيس تحالف تعليم علوم نظام الأرض (ESSEA)، ويضم حاليًا مشاركة أكثر من 40 مؤسسة، مع أكثر من 3000 معلم أكملوا دورة ESSEA اعتبارًا من خريف 2009. ^{[ 32 ]}

يُعد مفهوم قانون نظام الأرض (الذي لا يزال في مراحله الأولى حتى عام 2021) فرعاً من فروع حوكمة نظام الأرض ، وهو بدوره فرع من فروع علوم نظام الأرض التي يتم تحليلها من منظور العلوم الاجتماعية. ^{[ 33 ]}

• الوسائط المتعلقة بعلوم نظام الأرض على ويكيميديا ​​كومنز
• علوم نظام الأرض على موقع Nature.com