行星边界

行星边界是一个涉及地球系统过程的概念,其中包含环境边界,由一群地球系统和环境科学家提出,由斯德哥尔摩恢复力中心的JohanRockström和澳大利亚国立大学的Will Steffen领导。 该小组希望为国际社会,包括各级政府,国际组织,民间社会,科学界和私营部门确定一个“人类安全的行动空间”,作为可持续发展的先决条件。 该框架基于科学证据,即工业革命以来的人类行为已成为全球环境变化的主要驱动力。

根据范例,“超越一个或多个行星边界可能是有害的,甚至是灾难性的,因为跨越阈值的风险将引发大陆 – 行星尺度系统内的非线性,突然的环境变化。” 地球系统过程边界标志着行星的安全区域达到它们未被交叉的程度。 截至2009年,已经跨越了两个边界,而其他边界则面临着越过危险的危险。

框架的历史
2009年,由斯德哥尔摩复原中心的JohanRockstrm和澳大利亚国立大学的Will Steffen领导的一组地球系统和环境科学家与26位着名学者合作,包括诺贝尔奖获得者Paul Crutzen,戈达德空间研究所气候科学家James Hansen和德国总理的首席气候顾问Hans Joachim Schellnhuber确定了九个对人类生存至关重要的“行星生命支持系统”,试图量化其中七个系统已被推动的程度。 他们估计,在行星居住环境受到威胁之前,人类可以走多远。 估计表明,这些边界中的三个 – 气候变化,生物多样性丧失和生物地球化学流动边界 – 似乎已被越过。 边界是“粗略的,仅首先估计,被大的不确定性和知识差距所包围”,这些边界以复杂的方式相互作用,而这些方式尚未被充分理解。 边界被定义为帮助定义“人类发展的安全空间”,这是对旨在最大限度地减少人类对地球影响的方法的改进。 2009年的报告提交给了阿姆斯特丹罗马俱乐部的大会。 该报告的编辑摘要作为2009年特刊“自然”中的特色文章发表。 此外还有来自诺贝尔奖获得者马里奥·莫利纳和生物学家克里斯蒂安·桑佩尔等着名学者的评论性评论。

2015年,第二篇论文发表在“科学”杂志上,以更新“行星边界”概念,并在2015年1月达沃斯世界经济论坛上发表了研究结果。

由Rockström共同撰写的2018年的一项研究质疑国际协议,将升温限制在比“巴黎协定”规定的工业化前温度高2度。 科学家们提出了这样的可能性,即即使温室气体排放大幅减少以将升温限制在2度,这可能是自我强化气候反馈增加额外变暖的“门槛”,直到气候系统在温室气候状态稳定。 这将使世界上的部分地区无法居住,将海平面提高60米(200英尺),并将温度提高4-5°C(7.2-9.0°F),达到高于过去任何间冰期的水平120万年。 Rockström指出,这是否会发生“是科学中最具存在性的问题之一。” 研究作者凯瑟琳·理查森强调,“我们注意到,地球历史上从来没有一个准稳态,比工业化前温度高2°C,并表明该系统本身存在很大的风险。由于所有这些其他过程而继续变暖 – 即使我们停止排放。这不仅意味着减少排放,而且还意味着更多。“

背景

这个想法
我们这个星球有限制的想法,包括人类活动给它带来的负担,已经存在了一段时间。 1972年,出版了“增长极限”。 它提出了一个模型,其中包括五个变量:世界人口,工业化,污染,粮食生产和资源枯竭,并被认为是指数增长,而技术增加资源可用性的能力只是线性的。 随后,该报告被广泛驳回,特别是经济学家和商人,并且经常声称历史证明这些预测是不正确的。 2008年,来自英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的格雷厄姆·特纳发表了“将增长的极限与三十年的现实进行比较”。 特纳发现,观察到的1970年至2000年的历史数据与所报告的几乎所有产出的“标准运行”增长模型限值的模拟结果非常接近。 “在数量和趋势随时间变化的情况下,几乎所有数据的不确定性范围内都存在差异。” 特纳还审查了一些报告,特别是经济学家的报告,这些报告多年来一直声称会破坏限制增长模式。 特纳说这些报道存在缺陷,反映出对该模型的误解。 2010年,Nørgård,Peet和Ragnarsdóttir称这本书为“开创性报告”,并称它“经受住了时间的考验,而且确实变得更加相关。”

我们的共同未来由联合国世界环境与发展委员会于1987年出版。 它试图重新获得斯德哥尔摩会议的精神。 其目的是将发展和环境的概念联系起来,以便进行未来的政治讨论。 它介绍了可持续发展的着名定义:

“满足当前需求的发展,同时不影响后代满足其需求的能力。”

– 1987年布伦特兰报告

另一种是詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)的做法。 在20世纪70年代,他和微生物学家Lynn Margulis提出了Gaia理论或假设,该理论或假设指出地球上的所有生物及其无机环境都被整合到一个自我调节系统中。 该系统具有对扰动或偏差作出反应的能力,就像生物体调整其调节机制以适应环境变化(例如温度(体内平衡))一样。 然而,这种能力有限。 例如,当生物体受到低于或高于其生存范围的温度时,它可能会死亡,因为其调节机制不能进行必要的调整。 同样地球可能无法对关键参数的大偏差作出反应。 在他的“盖亚的复仇”一书中,他肯定热带雨林和生物多样性的破坏,加上人类温室气体的增加,正在引发全球变暖。

从全新世到人类世
全新世大约在一万年前开始。 这是当前的间冰期,它已被证明是一个相对稳定的地球环境。 全新世期间存在自然环境波动,但关键的大气和生物地球化学参数相对稳定。 这种稳定性和复原力使农业得以发展,复杂的社会得以蓬勃发展。 根据Rockström等人的说法,我们“现在已经变得如此依赖这些投资来维持我们的生活方式,以及我们如何组织社会,技术和经济,我们必须采取地球系统处理的范围。全新世作为理想行星状态的科学参考点。“

根据Paul Crutzen,Will Steffen等人的说法,自工业革命以来,这个星球已经进入了一个新的时代 – 人类世。 在人类世中,人类已成为改变地球系统的主要动因。 关于气候变化和平流层臭氧领域的风险,已经公布了很好的科学警告。 然而,其他生物物理过程也很重要。 例如,自人类世出现以来,物种被熄灭的速度已经增加了100多倍,人类现在成为改变全球河流流量以及来自陆地表面的水蒸气流动的驱动力。 人类活动对地球生物物理系统的持续压力引发了人们的担忧,即进一步的压力可能会破坏稳定,并导致环境突然或不可逆转的变化。 根据Rockström等人的研究,“本世纪高达30%的哺乳动物,鸟类和两栖动物将面临灭绝的威胁。” 解决这个问题很困难,因为社会和经济发展的主要范式对人类引发的大规模环境灾难的迫在眉睫的可能性基本上无动于衷。 法律界限可以帮助控制人类活动,但只有制定和执行它们的政治意愿才有效。

九个界限

门槛和边界

阈值或气候临界点是控制变量(如CO2)的非常小的增量在响应变量(全球变暖)中产生大的,可能是灾难性的变化的值。

由于地球系统非常复杂,因此难以定位阈值点。 该研究不是定义阈值,而是建立一个范围,并且阈值应该位于其中。 该范围的下端定义为边界。 因此,它定义了一个安全空间,从某种意义上说,只要我们低于边界,我们就低于阈值。 如果越过边界,我们进入危险区域。

行星边界
地球系统过程 控制变量 边界
当前
边界交叉 工业化前
评论
1.气候变化 大气二氧化碳浓度(体积ppm)

350 400 280
或者:自工业革命开始以来(~1750)增加辐射强迫(W / m 2 ) 1.0 1.5 0
2.生物多样性丧失 灭绝率(每年每百万物种数) 10 > 100 0.1-1
3.生物地球化学 (a)从大气中清除的人为氮(每年数百万吨) 35 121 0
(b)进入海洋的人为磷(每年数百万吨) 11 8.5-9.5 没有 -1
4.海洋酸化 表层海水中文石的全球平均饱和状态(欧米茄单位) 2.75 2.90 没有 3.44
5.土地使用 地表转为耕地(百分比) 15 11.7 没有
6.淡水 全球人类用水量(km 3 / yr) 4000 2600 没有 415
7.臭氧消耗 平流层臭氧浓度(多布森单位) 276 283 没有 290
8.大气气溶胶 大气中的总颗粒物浓度,以区域为基础 尚未量化
9.化学污染 浓缩有毒物质,塑料,内分泌干扰物,重金属和放射性污染物进入环境 尚未量化

拟议的框架为改变治理和管理方法奠定了基础,远离对旨在最大限度地减少负外部性的增长限制的基本部门分析,以及对人类发展安全空间的估计。 如果要避免全球范围内人为引起的重大环境变化,行星边界就会定义人类“行星竞技场”的界限

超越一个或多个行星边界可能是高度破坏性的,甚至是灾难性的,因为跨越阈值的风险会触发大陆到行星尺度系统内的非线性,突然的环境变化。 2009年的研究确定了9个行星边界,并且根据目前的科学理解,研究人员提出了其中7个的量化。 这七个是气候变化(大气中的CO2浓度<350 ppm和/或辐射强迫的最大变化为+1 W / m2); 海洋酸化(平均海水饱和状态相对于文石≥工业前水平的80%); 平流层臭氧(工业化前水平为290多布森单位的总大气O3减少不到5%); 生物地球化学氮(N)循环(限制工业和农业固定N2至35 Tg N /年)和磷(P)循环(每年P流入海洋不超过P的自然背景风化的10倍); 全球淡水使用量(<4000 km3 /年消耗性使用径流资源); 土地系统变化(<15%的农田下的无冰土地表面); 和生物多样性丧失的速度(每百万物种的10次灭绝的年率)。 该组尚未能确定边界水平的另外两个行星边界是化学污染和大气气溶胶负荷。

环境足迹和行星负荷限制
根据地球负载能力的限制,各种研究调查了瑞典,瑞士和世界主要经济体的生态足迹。 使用了不同的方法学方法。 一个共同的结果是,富裕国家的资源消耗 – 推断出世界人口 – 与地球能力的几个极限不相容。 例如,对于瑞士来说,这适用于温室气体,生物多样性和富营养化足迹(通过氮)。

农业和营养的行星限制
农业和营养领域的全球责任超过了所考虑的九个负荷限制中的四个。 对陆地和水生生态系统的过量养分投入对氮和磷循环至关重要,其次是土地使用过度变化和农业和营养造成的生物多样性丧失。

行星护栏概念的描述
德国全球变化咨询委员会(WBGU)的行星护栏概念与行星边界相当。

尺寸 被测
将气候变化限制在2°C 预计化石资源的全球二氧化碳排放量将在2070年左右完全淘汰。
将海洋酸化限制在0.2个pH单位 预计到2070年,化石资源的全球二氧化碳排放量将被完全淘汰。(同上气候变化)
停止丧失生物多样性和生态系统服务 预计生物多样性丧失的直接人为驱动因素最迟将于2050年停止。
阻止土地和土壤退化 到2030年,全球和所有国家都将停止净土地退化。
限制长期居住的人为污染物
应在2050年之前停止可替代使用以及人为汞排放。
塑料 到2050年,全世界应该停止向环境中释放塑料废物。
可切割材料 到2070年,将停止生产用于核武器和民用核反应堆的核燃料。
停止磷的流失 到2050年应停止释放不可开采的磷,以便在全世界范围内实现其可循环利用。

臭氧洞不再被视为行星护栏。 Die Zeit也是如此:“我们假设……自臭氧消耗物质禁令以来,臭氧层将逐渐恢复。”

在WBGU的概念中,淡水消耗和气溶胶也未被列为行星护栏。

边界之间的相互作
行星边界可以以改变其他边界的安全操作水平的方式相互作用。 Rockström等人。 2009年没有分析这种相互作用,但他们认为这些相互作用中的许多将减少而不是扩大拟议的边界水平。

例如,如果淡水边界被破坏,土地使用边界可能会向下移动,导致土地变得干旱,无法用于农业。 在区域层面,如果亚马逊地区继续造成森林砍伐,亚洲的水资源可能会减少。 这些考虑表明需要“在接近或超越任何个别行星边界时极为谨慎”。

另一个例子与珊瑚礁和海洋生态系统有关。 2009年,De’Ath,Lough&amp; Fabricius(2009)表明,自1990年以来,他们检查的大堡礁中的钙化以过去400年前所未有的速度下降(不到20年内为14%)。 他们的证据表明,文石的温度应力增加和海洋饱和状态的下降使珊瑚礁很难沉积碳酸钙。 贝尔伍德&amp; 其他人(2004年)探讨了多种压力因素,例如增加的养分负荷和捕捞压力,将珊瑚转移到不太理想的生态系统状态。 Guinotte&amp; 法布里(2008)表明,海洋酸化将显着改变整个海洋生物的分布和丰度,特别是“构建骨骼,贝壳和生物碳酸钙测试的物种。”提高温度,表面紫外线辐射水平和海洋酸度所有压力海洋生物群,这些压力的结合可能会导致海洋生物系统的丰度和多样性的扰动,远远超出单独应力作用的影响。

随后的发展

甜甜圈
2012年,乐施会的Kate Raworth指出,Rockstrom概念并没有考虑到人口增长。 她建议将社会边界纳入行星边界结构,例如就业,教育,食物,获取水,卫生服务和能源,并提供与消除贫困和“人人享有权利”相适应的环境安全空间。 在行星范围内,一个公平的社会基础是一个甜甜圈形区域,这是一个“人类茁壮成长的安全和公正空间”的区域。

第十个边界
2012年,Steven Running提出了第十个边界,即所有陆地植物的年度净全球初级生产,作为一个容易确定的措施,整合了许多变量,这些变量将“提供关于生态系统健康的明确信号”。

尚未得到联合国的认可
2012年3月16日,联合国秘书长潘基文在联合国大会非正式全体会议上提出了全球可持续发展高级别小组报告的要点,并批准了行星边界的概念。 潘基文表示:“该小组的愿景是消除贫困,减少不平等,使增长包容,生产和消费更具可持续性,同时应对气候变化并尊重一系列其他地球界限。” 这一概念被纳入将于2012年6月20日至22日在里约热内卢举行的联合国可持续发展大会成果的所谓“零草案”。然而,该概念的使用随后从案文中撤回会议的结论,“部分是由于一些较贫穷国家的担忧,它的采用可能会导致减贫和经济发展的边缘化。观察人士也说,因为这个想法太新了,不能正式采纳,需要受到挑战,风化和咀嚼以测试其稳健性,然后才有机会在联合国谈判中获得国际认可。“

行星边界框架于2015年更新。有人提出,三个边界(包括气候变化)可能会使地球系统在交叉时进入新的状态; 这些也强烈影响剩余的边界。 在本文中,该框架的开发使其更适用于区域范围。

农业和营养影响
与全球农业和营养有关的人类活动有助于违反九个行星边界中的四个。 剩余养分流(N,P)进入水生和陆地生态系统是最重要的,其次是土地系统过度变化和生物多样性丧失。 在生物多样性丧失,P循环和土地系统变化的情况下,海侵处于不确定区域 – 表明风险增加,与农业相关的N边界超过200% – 表明风险很高。