Integrative Erdsystemwissenschaft
Forschungsüberblick und Ansatz
Die Dynamik des Erdsystems wird zunehmend durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Anthropogener Klimawandel, Veränderungen der Ökosysteme und globale Ressourcennutzung verändern planetare Prozesse grundlegend. Diese Veränderungen resultieren aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Kryosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und menschlichen Gesellschaften. Dabei spielen häufig nichtlineare Dynamiken, Rückkopplungen sowie langfristige und irreversible Auswirkungen eine Rolle. Das Verständnis dieser verflochtenen Prozesse sowie die Entwicklung von Strategien zur Bewältigung der vielfältigen, miteinander verbundenen Herausforderungen des Anthropozäns bilden den Schwerpunkt des Fachbereichs Integrative Erdsystemwissenschaften (DE).
Ausgehend von der Prämisse, dass Erdsystem und menschliche Gesellschaften eng verbunden sind und sich über räumliche sowie zeitliche Skalen gemeinsam entwickeln, fördert der Fachbereich ein systemisches Verständnis der gekoppelten Mensch-Erde-Dynamik. Die Forschung konzentriert sich auf die Identifikation und Quantifizierung von Schlüsselprozessen, Rückkopplungsschleifen und potenziellen nichtlinearen Übergängen, die das planetare Verhalten unter zunehmendem anthropogenem Druck bestimmen.
Eine besondere Stärke des Fachbereichs liegt in der Entwicklung numerischer Modelle und fortschrittlicher Analysewerkzeuge, ergänzt durch empirische Erkenntnisse aus Erdbeobachtung, Feldforschung und paläoklimatischen Aufzeichnungen. Die Arbeiten umfassen ein breites Spektrum an Ansätzen – von der Modellierung von Eisschilden und gekoppelten Erdsystemen bis zur automatisierten Erkennung abrupter Veränderungen und Kipppunkte in Zeitreihen, Erdbeobachtungsdaten und Modellausgaben. Diese Ansätze ermöglichen eine fundierte Bewertung systemischer Risiken und zukünftiger Entwicklungspfade.
Gleichzeitig leistet die Abteilung gemeinsam mit der Carl-Zeiss Forschungsgruppe „Coevolutionary Human-Earth System Modelling“, Pionierarbeit bei Modellierungsansätzen, die das dynamische Zusammenspiel zwischen menschlichen Gesellschaften und dem Erdsystem explizit abbilden. Dabei werden biophysikalische Prozesse mit Erkenntnissen zu sozioökonomischen Dynamiken, Meinungsbildung und politischen Reaktionen verknüpft.
Technisch erfordert dies kontinuierlichen Zugang zu leistungsstarken HPC-Ressourcen und entsprechendem Datenspeicher, angemessene HPC-Unterstützung bei der Entwicklung der zugrunde liegenden Methoden sowie gezielte Feldforschung in Schlüsselbereichen des Erdsystems, die einem raschen Wandel unterliegen, etwa im Amazonas-Regenwald oder an Eisschilden.
Eine zentrale, verbindende Perspektive der Forschung des Fachbereichs ist die entscheidende Rolle der Zeit bei der Gestaltung der Dynamik des Anthropozäns. Die folgenreichsten Prozesse resultieren aus einer tiefgreifenden Diskrepanz der Zeitskalen zwischen biogeophysikalischen und soziotechnischen Systemen. Aufgrund der Trägheit von Komponenten wie der Kryosphäre können Maßnahmen, die in den kommenden Jahren bis Jahrzehnten ergriffen werden, Veränderungen festlegen, die sich über die kommenden Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende entfalten. Um diese Dynamiken zu verstehen, müssen mehrere zeitliche Dimensionen zusammengeführt werden – darunter Auslösezeitpunkte, Interventionsfenster und Reaktionszeiten des Systems. Die Untersuchung der Zusammenhänge und Reibungen zwischen diesen Zeitskalen sowie die systematische Kartierung der unvermeidbaren Auswirkungen auf das gesamte Erdsystem sind zentrale Ziele des Fachbereichs und leisten einen wesentlichen Beitrag zum aufstrebenden Forschungsfeld der Geoanthropologie.
Indem der Fachbereich das Mensch-Erde-System als komplexes adaptives System konzeptualisiert, befasst er sich mit folgenden zentralen Fragestellungen:
- Wie reagieren wesentliche Komponenten des Erdsystems – von Eisschilden bis zu Ökosystemen – auf die kombinierten Belastungen durch Klimawandel, Landnutzungsänderungen und weitere Formen menschlichen Einflusses?
- Welche Prozesse bestimmen Stabilität, Resilienz und langfristige Entwicklung des Erdsystems?
- Wie führen Wechselwirkungen zwischen Teilsystemen zu Rückkopplungen, Kaskadeneffekten und emergentem Verhalten auf regionaler und globaler Ebene?
- Wie lassen sich ko-evolutionäre Dynamiken zwischen menschlichen Gesellschaften und dem Erdsystem in Modellen der nächsten Generation erfassen?
- Welche plausiblen Zukunftsszenarien für das gekoppelte Mensch-Erde-System existieren, und wo liegen zentrale Ansatzpunkte für Interventionen?
- Wie beeinflussen Diskrepanzen zwischen soziotechnischen und biogeophysikalischen Zeitskalen Risiken, bereits feststehende Auswirkungen und das Potenzial für systemische Regimewechsel im Anthropozän?
Durch die Integration von Erdsystemanalyse, Komplexitätstheorie und Erkenntnissen aus den Sozialwissenschaften entwickelt die Abteilung innovative Ansätze zur Untersuchung des Mensch-Erde-Systems als Ganzes. Ihre Arbeit liefert grundlegendes Wissen zu planetarischen Grenzen, Resilienz und Transformation und trägt dazu bei, umsetzbare Wege zur Stabilität des Erdsystems im Anthropozän zu identifizieren.
