[論文レビュー] Understanding the Earth as a whole system: From the Gaia Hypothesis to Thermodynamic Optimality and Human Societies

Axel Kleidon|arXiv (Cornell University)|May 19, 2020

Earth Systems and Cosmic Evolution参考文献 28被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、地球システムが太陽放射からのエネルギー変換が物理的・生物学的・人間的プロセスを駆動する熱力学的限界近くで機能する熱力学的システムとして機能すると提案している。地球を統合的システムとして、熱力学的最適性に従うものとすることで、出現的行動をガイア仮説と結びつけ、エネルギーの流れの制約を通じて持続可能性と人間の影響を統合的かつ簡略化された枠組みで理解する手がかりを提供する。

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.

研究の動機と目的

• 地球の物理的・生物学的・人間的プロセスの行動を統一する熱力学的原則が存在するかどうかを調査すること。
• 地球システムのダイナミクスを支配する一般的で単純な法則を特定することで、地球システム科学における複雑性の課題に取り組むこと。
• 熱力学的最適性がガイア仮説で観察される出現的行動をどのように説明できるかを検討すること。
• 熱力学的制約を用いて人間社会が地球システム内で果たす役割を評価すること。
• エネルギー系分析を通じて持続可能な開発の道筋を確立すること。

提案手法

• 太陽放射の入力と地球放射によるエネルギー散逸によって駆動される熱力学的システムとして地球を形式化すること。
• 地球システムのプロセスにおける熱力学的最適性の代理として、最大エントロピー生成の原理（MEP）を適用すること。
• 大気循環、生物圏の生産性、人間のエネルギー利用におけるエネルギー変換を、自由エネルギー変換の現れとして分析すること。
• エネルギーとエントロピーの収支を用いて、低エントロピーの太陽放射入力から高エントロピーの出力へのエネルギー変換の効率を定量化すること。
• 観察された地球システムの行動と理論的熱力学的限界を比較することで、最適な動作状態を推定すること。
• 人間社会を地球のエネルギー流れネットワークの一部としてモデル化することで、熱力学的枠組みに統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的原則は、物理的・生物学的・人間的分野における地球システムプロセスの自己組織的行動をどのように説明できるか。
• RQ2 観察された地球システムのダイナミクスが、最大エントロピー生成のような熱力学的最適性とどの程度一致するか。
• RQ3 エネルギー変換効率の概念が、地球システム内での人間社会の持続可能性とどのように関係するか。
• RQ4 ガイア仮説は、熱力学的制約とエネルギー流れの最適化によってどの程度支持されるか。
• RQ5 地球規模のエネルギー流れの限界が、地球の持続可能性への将来的な道筋にどのような意味を持つのか。

主な発見

• 地球システムは、大気的・海洋的・生物圏的・人間的プロセスを駆動するエネルギー変換によって、熱力学的限界近くで動作している。
• 特に最大エントロピー生成に基づく熱力学的最適性は、多様な地球システム行動を統合する原則を提供する。
• 気候調節や生物圏の生産性といった地球システムの出現的行動は、制約下でのエネルギー流れの最大化の結果として理解できる。
• 人間社会は外部からの摂動ではなく、エネルギー流れシステムの不可欠な構成要素であり、そのエネルギー利用が全体のエントロピー生成に寄与している。
• この枠組みは、効率的なエネルギー利用と最小限の散逸が鍵となる、持続可能な開発が熱力学的原則と一致することを支持する。
• 人間システムを熱力学的枠組みに統合することで、長期的な持続可能性は、惑星規模のエネルギー流れの限界に適合する必要があることが明らかになった。