Erdsystemwissenschaft

Gegenstand und Bedeutung

Die Erdsystemwissenschaft, auch Erdsystemforschung oder Erdsystemanalyse genannt, ist eine interdisziplinäre Wissenschaft zur Erforschung des „Systems Erde“. Das Erdsystem umfasst alle physikalischen, chemischen, biologischen und sozialen Komponenten, Prozesse und Wechselwirkungen, die den Zustand der Erde und ihre Veränderungen beeinflussen.

Der Ansatz betrachtet die Erde als zusammenhängendes dynamisches System. Veränderungen in einem Teilbereich können deshalb andere Bereiche beeinflussen und Rückkoppelungen auslösen. Die Erdsystemwissenschaft verbindet unter anderem Erkenntnisse über Land, Atmosphäre, Wasser, Eis und Biosphäre mit der Untersuchung von Gesellschaften, Technologien und Wirtschaft.

Globale Umweltveränderungen

Ein Schwerpunkt ist die Beobachtung, Analyse und Vorhersage globaler Umweltveränderungen. Damit sind Veränderungen der physikalischen und biogeochemischen Umwelt gemeint. Biogeochemische Prozesse verbinden biologische Vorgänge mit chemischen Stoffkreisläufen und den Bestandteilen der Erde.

Globale Umweltveränderungen können natürlichen Ursprungs sein oder durch menschliches Verhalten beeinflusst werden. Zu den menschlichen Einflüssen zählen Entwaldung, die Nutzung fossiler Energieträger wie Erdöl und Kohle, Urbanisierung, Landgewinnung, intensive Landnutzung, Trinkwassergewinnung, Überfischung und Müllproduktion. Untersucht werden besonders die Wechselwirkungen dieser Tätigkeiten mit den natürlichen Teilsystemen der Erde.

Messungen, Modelle und Forschungsziele

Eine wichtige Grundlage der Erdsystemwissenschaft sind globale und regionale Messdaten. Seit den 1960er Jahren ermöglichen weltraumbasierte Messgeräte die großräumige Beobachtung des Erdsystems. Bereits seit 1957 führte Charles Keeling kontinuierliche Messungen des Kohlenstoffdioxidgehalts in der Erdatmosphäre durch. Die daraus entstandene Keeling-Kurve machte Zusammenhänge zwischen Atmosphäre und Biosphäre sichtbar.

Fernerkundung bezeichnet die Gewinnung von Informationen aus der Entfernung, beispielsweise durch Erdbeobachtungssatelliten. Daneben spielen mathematische und quantitative Modelle eine zentrale Rolle. Sie sollen komplexe Interaktionen und Rückkoppelungen im Erdsystem zumindest annähernd beschreiben und Vorhersagen ermöglichen.

Der NASA-Bericht „Earth System Science: A Program For Global Change“ von 1986 formulierte vier zentrale Ziele: weltweite Messungen zum Verständnis der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse in der Entwicklung der Erde; die Dokumentation globaler Veränderungen in den folgenden Jahrzehnten; Vorhersagen künftiger Veränderungen mithilfe quantitativer Modelle; und die Zusammenführung der gewonnenen Informationen, damit wirksamer auf die Folgen globaler Veränderungen reagiert werden kann.

Entwicklung des Forschungsfeldes

Ein wichtiger theoretischer Hintergrund war James Lovelocks Gaia-Theorie aus den 1970er Jahren. Sie beschreibt die Erde aus der Perspektive des Weltraums als ein einziges dynamisches System, das weit von einem thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist. Seit 1972 gehörte das International Institute for Applied Systems Analysis zu den europäischen Pionieren des Forschungsfeldes. Seit Ende der 1970er Jahre arbeitete auch der Geograph und Mathematiker Dieter Klaus von der Universität Bonn auf diesem Gebiet. Einen weiteren Meilenstein bildete 1980 die US-amerikanische Studie „Global 2000“, deren Aussagen auf komplexen globalen Systemmodellen beruhten.

1983 gründete die NASA das Earth System Sciences Committee unter dem Vorsitz von Francis Bretherton. Bretherton verwendete den Begriff „Earth System Science“ erstmals 1985 in einer Veröffentlichung. Der Bericht des Komitees von 1986 trug später zur Einrichtung des U.S. Global Change Research Program (USGCRP) bei. 1988 folgte Brethertons häufig zitierter Bericht „Earth System Science: A closer view“.

Anfang der 1990er Jahre entwickelte Hans Joachim Schellnhuber bei der konzeptuellen Planung des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung sein später erweitertes Konzept der Erdsystemanalyse. 2001 verabschiedeten Delegierte aus mehr als 100 Ländern die Amsterdam Declaration. Beteiligt waren vier große internationale Forschungsprogramme zu globalen Umweltveränderungen: das International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change, das International Geosphere-Biosphere Programme, das World Climate Research Programme und DIVERSITAS. Die Erklärung markierte formal die Gründung des Earth System Science Partnership (ESSP).

Forschung und Studium im deutschsprachigen Raum

In Deutschland wurde 2008 das Forschungszentrum Erdsystemwissenschaften an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz gegründet. Seit 2010 bietet die Universität Hohenheim den Masterstudiengang „Erdsystemwissenschaft“ an. An der Technischen Universität München gibt es den englischsprachigen Masterstudiengang „Earth Oriented Space Science and Technology“ mit den drei Schwerpunkten Erdsystemwissenschaften, Fernerkundung und Navigation.

In der Schweiz bieten die Universität Zürich und die ETH Zürich gemeinsam einen Bachelor- und einen Masterstudiengang an. Die Pflichtveranstaltungen des Bachelorstudiums finden in der Regel auf Deutsch statt, die Lehrveranstaltungen des Masterprogramms überwiegend auf Englisch.