[논문 리뷰] Understanding the Earth as a whole system: From the Gaia Hypothesis to Thermodynamic Optimality and Human Societies

Axel Kleidon|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 19.

Earth Systems and Cosmic Evolution참고 문헌 28인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 지구 시스템이 태양 복사 에너지에서 일로 전환되는 과정이 물리적, 생물학적, 인간 시스템 전반에서 복잡한 과정을 이끄는 열역학적 한계 근처에서 작동하는 열역학적 시스템으로 기능한다고 제안한다. 지구를 열역학적 최적성에 의해 지배되는 통합 시스템으로 프레임워크화함으로써, 기원하는 행동 양태를 가이아 가설과 연결하고, 에너지 흐름 제약을 통해 지속 가능성과 인간 영향을 통합적이고 단순화된 프레임워크로 이해할 수 있다.

ABSTRACT

The notion that the whole is more than the sum of its parts has a long tradition in science. This, of course, also applies to the Earth system. With its myriad of processes, spanning from purely physical to life and human activity, the Earth is a vastly complex system. It may thus seem that there is nothing simple and general to say because of this overwhelming complexity. What I want to show here is that by formulating the Earth as a thermodynamic system, one can identify general directions and infer simple functioning because thermodynamics imposes fundamental limits on the dynamics. At the center of this description are energy conversions and states of disequilibrium, which are at the core of the dynamics of Earth system processes, from convection cells to living organisms and human societies. They are linked to each other and interact by their exchanges of energy and mass, and ultimately affect how much of the input of low entropy solar radiation from the Sun is converted into free energy, energy able to perform work, before the energy gets re-emitted by the Earth as high entropy terrestrial radiation. The emergent thermodynamic behavior of the Earth then becomes simple because the dynamics evolve to and operate at thermodynamic limits. Such behavior of Earth system processes operating at the edge of their limit can then be linked to previously described holistic theories, such as the Gaia hypothesis, with similarities in the described emergent behavior. Such a thermodynamic view, however, can go further, as it can also be used to understand the role of human societies in the Earth system and the potential pathways to a sustainable future. Thermodynamics taken together with the energy conversions and interactions within the Earth system can thus provide a basis to understand why the whole Earth system is more, and simpler, than the sum of its spheres.

연구 동기 및 목표

• 열역학 원리가 지구의 물리적, 생물학적, 인간 시스템의 행동을 통합할 수 있는지 조사하기.
• 지구 시스템 과학에서의 복잡성 문제에 대응하기 위해 그 역학을 지배하는 일반적이고 단순한 법칙을 식별하기.
• 열역학적 최적성이 가이아 가설에서 관찰된 기원하는 행동 양태를 어떻게 설명하는지 탐구하기.
• 열역학적 제약을 통해 인간 사회가 지구 시스템 내에서 어떤 역할을 하는지 평가하기.
• 에너지 시스템 분 析를 통해 지속 가능한 발전 경로의 기초를 제공하기.

제안 방법

• 태양 복사 에너지 입력과 지구 복사 에너지의 에너지 소산에 의해 구동되는 열역학적 시스템으로서 지구를 정형화하기.
• 지구 시스템 과정에서 열역학적 최적성의 대리로 최대 엔트로피 생성 원리(MEP)를 적용하기.
• 대기 대류, 생물권 생산성, 인간 에너지 사용에서 자유 에너지 변환의 표현으로서 에너지 전환 분석하기.
• 에너지 및 엔트로피 수지에 기반해 저엔트로피 태양 복사 입력에서 고엔트로피 출력으로의 에너지 전환 효율을 정량화하기.
• 관측된 지구 시스템 행동을 이론적 열역학적 한계와 비교하여 최적 작동 상태를 추론하기.
• 인간 사회를 지구의 에너지 흐름 네트워크의 일부로 모델링함으로써 열역학 프레임워크에 통합하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학 원리는 지구 시스템 과정의 자가조직화 행동을 물리적, 생물학적, 인간 영역 전반에서 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 지구 시스템 역학이 최대 엔트로피 생성과 같은 열역학적 최적성과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 에너지 전환 효율 개념이 인간 사회가 지구 시스템 내에서 지속 가능성을 확보하는 데 어떻게 관련되는가?
• RQ4 가이아 가설은 열역학적 제약과 에너지 흐름 최적화에서 어떤 방식으로 지지되는가?
• RQ5 지구 시스템의 열역학적 한계는 행성 수준의 지속 가능성 향한 미래 경로에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 지구 시스템은 대기, 해양, 생물권, 인간 과정 전반에서 에너지 전환이 작동하는 열역학적 한계 근처에서 작동한다.
• 특히 최대 엔트로피 생성 원리에 기반한 열역학적 최적성은 다양한 지구 시스템 행동을 통합하는 원리로 기능한다.
• 기후 조절과 생물권 생산성과 같은 지구 시스템의 기원하는 행동은 제약 조건 하에서 에너지 흐름 최대화의 결과로 이해할 수 있다.
• 인간 사회는 외부 교란 요소가 아니라 지구의 에너지 흐름 시스템의 필수 구성 요소이며, 그들의 에너지 사용이 총 엔트로피 생성에 기여한다.
• 이 프레임워크는 지속 가능한 발전이 열역학 원리와 일치하며, 효율적인 에너지 사용과 최소한의 소산이 핵심이라는 것을 지지한다.
• 인간 시스템을 열역학적 프레임워크에 통합함으로써 장기적인 지속 가능성은 행성 규모의 에너지 흐름 한계와의 일치가 필요하다는 것이 드러난다.