[論文レビュー] Towards a Physically Motivated Planetary Accounting Framework

Miguel Barbosa, Orfeu Bertolami+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ランダウ＝ギンツブルグの相転移理論を用いて、地球システムにおける人間の影響を物理的に根拠づけた会計枠組みを提案する。これは、惑星境界変数（例：二酸化炭素濃度、海洋の酸性度）を熱力学的変換に結びつけるものであり、境界間の相互作用項が個々の影響に比べて小さいことを示し、年間スケールでは簡略化された配分ベースの会計システムが有効であることを検証する。

ABSTRACT

In this work we present a physically motivated planetary Accounting Framework for the Earth System. We show that the impact of the human activity in terms of the Planetary Boundary variables can be accounted for in our Landau-Ginzburg phase transition physical formulation. We then use the interaction between climate change and ocean acidification mechanisms to exemplify the relation of the concentration and flux of substances of the Planetary Boundaries variables, as proposed by the accounting framework of Kate and Newman, with the underlying thermodynamical transformation, quantifiable by the Landau-Ginzburg inspired model. In this work we present a physically motivated planetary Accounting Framework for the Earth System. We show that the impact of the human activity in terms of the Planetary Boundary variables can be accounted for in our Landau-Ginzburg phase transition physical formulation. We then use the interaction between climate change and ocean acidification mechanisms to exemplify the relation of the concentration and flux of substances of the Planetary Boundaries variables, as proposed by the accounting framework of Kate and Newman, with the underlying thermodynamical transformation, quantifiable by the Landau-Ginzburg inspired model.

研究の動機と目的

• 地球システムにおける人間の影響を、熱力学および相転移理論に基づいた物理的根拠に基づいた会計枠組みとして開発すること。
• 社会経済的影響指標と直接的な生物地球化学的プロセスの間のギャップを埋めるために、惑星境界を測定可能な物理的変数に結びつけること。
• 相互作用項の相対的重要性を定量化することで、配分ベースの環境会計の実現可能性を検証すること。
• ホーストハウス・アースのシナリオが、地球システム進化の力学的系における安定なアトラクターに対応することを示すこと。
• 惑星境界に整合した多スケール的で実証的根拠に基づく持続可能性枠組みの理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 温度がホロセーン平均からのずれであることを秩序パラメータとして用い、地球システムをランダウ＝ギンツブルグ理論に基づく相転移として定式化する。
• 人間活動を外部制御パラメータ H としてモデル化し、個々の惑星境界変数からの寄与に分解する。
• 個々の境界項とそれらの間の相互作用項を含む熱力学的自由エネルギー汎関数を導出する。
• 二酸化炭素濃度と海洋の酸性度の間の相互作用を事例として、クロス項係数 g₁₂ を用いて結合を定量化する。
• バイオマス枯渇率とエネルギー含量を用いて物理的パラメータ（α₁, α₂, g₁₂）を推定し、個々の影響と相互作用の影響の相対的大きさを評価する。
• 系の位相空間解析を実施し、ホーストハウス・アース状態を含むアトラクターを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球システムがホロセーンからアンソロロプセンに移行する過程を、ランダウ＝ギンツブルグ理論を用いて相転移として記述できるか？
• RQ2 人間の惑星境界への影響を、地球システム内の熱力学的変換に定量的に結びつける方法は何か？
• RQ3 持続可能性会計枠組みにおいて、惑星境界間の相互作用項の相対的意義は何か？
• RQ4 ホーストハウス・アースのシナリオは、地球システム進化の力学的系における安定なアトラクターを表すか？
• RQ5 この枠組みを用いて、配分ベースの会計システムがどの程度物理的に正当化できるか？

主な発見

• 二酸化炭素濃度と海洋の酸性度の間の相互作用項 g₁₂ は 3.4×10⁻²⁴ J⁻¹ と推定され、個々の影響項 h₁ と h₂ よりも少なくとも1桁以上小さい。
• バイオマス枯渇に関連する個々の影響項 h₁ は 2×10²¹ J に、二酸化炭素に関連する h₂ は 4×10²² J に推定され、このモデルでは二酸化炭素の直接的影響がバイオマス枯渇より大きいことが示された。
• 相互作用項 h₁h₂g₁₂ の寄与は約 2.7×10²⁰ J であり、これは h₁ より1桁小さく、h₂ より2桁も小さいため、年間スケールでは無視できる。
• ホーストハウス・アースのシナリオは、自由エネルギーの地形における安定な最小点に対応しており、地球システムの力学的アトラクターであることが示された。
• 提案された枠組みは、ケイトとニューマン（2023）が提唱した配分ベースの会計システムの構造を自然に再現し、任意の換算係数の代わりに物理的パラメータを用いる。
• このモデルは、人口、面積、またはGDPをスケーリング変数として用いることで、国別または地域レベルに応用可能な多スケール的で物理的に整合性のある会計枠組みを支持する。