Erdsystemtechnik und -management

Erdsystemtechnik und -management (ESEM) ist eine Disziplin zur Analyse, zum Entwurf, zur Entwicklung und zum Management komplexer Umweltsysteme . Sie umfasst ein breites Spektrum an Fachgebieten, darunter Anthropologie , Ingenieurwesen , Umweltwissenschaften , Ethik und Philosophie . Im Kern zielt ESEM darauf ab, „gekoppelte Mensch-Natur-Systeme rational, hochgradig integriert und ethisch zu gestalten und zu managen“ ^{[ 1 ].} ESEM ist ein junges Forschungsgebiet, das sich an der University of Virginia , der Cornell University und anderen Universitäten in den Vereinigten Staaten sowie am Centre for Earth Systems Engineering Research (CESER) der Newcastle University in Großbritannien etabliert hat. Begründer der Disziplin sind Braden Allenby und Michael Gorman.

Seit Jahrhunderten nutzen die Menschen die Erde und ihre natürlichen Ressourcen, um die Zivilisation voranzutreiben und Technologien zu entwickeln. „Als prinzipielle Folge der industriellen Revolutionen und der damit einhergehenden Veränderungen in der Bevölkerungsstruktur, den Technologiesystemen, den Kulturen und den Wirtschaftssystemen hat sich eine Erde entwickelt, deren Dynamik der wichtigsten natürlichen Systeme zunehmend von menschlichen Aktivitäten dominiert wird.“ ^{[ 1 ]}

In vielerlei Hinsicht betrachtet ESEM die Erde als ein vom Menschen geschaffenes Artefakt. „Um die Stabilität sowohl natürlicher als auch menschlicher Systeme dauerhaft zu erhalten, müssen wir die Fähigkeit entwickeln, gekoppelte Mensch-Natur-Systeme rational, hochgradig integriert und ethisch zu gestalten und zu managen – eine Kompetenz im Bereich Earth Systems Engineering and Management (ESEM).“ ^{[ 1 ]}

ESEM wurde von einigen wenigen Personen entwickelt. Besonders hervorzuheben ist Braden Allenby . Allenby vertritt die Auffassung, dass die Grundlage von ESEM die Vorstellung ist, dass „die Erde, wie sie heute existiert, ein Produkt menschlichen Designs ist“ ^{[ 2 ]} . Tatsächlich gäbe es keine natürlichen Systeme mehr auf der Welt, „es gibt keinen Ort mehr auf der Erde, der nicht im Schatten der Menschheit steht“ ^{[ 3 ]} . „Die Frage ist also nicht, wie manche vielleicht wünschen, ob wir mit ESEM beginnen sollten, denn wir tun es bereits seit langer Zeit, wenn auch unbeabsichtigt.“

Die Frage ist, ob wir die ethische Verantwortung übernehmen, ESEM rational und verantwortungsvoll umzusetzen. ^{[ 2 ]} Anders als traditionelle Ingenieur- und Managementprozesse, „die ein hohes Maß an Wissen und Gewissheit über das Systemverhalten sowie einen definierten Endpunkt voraussetzen“, wird ESEM „in einem ständigen Dialog mit den Systemen stehen, während diese – und wir und unsere Kulturen – sich gemeinsam verändern und weiterentwickeln“. ^{[ 2 ]} ESEM ist ein neues Konzept, jedoch gibt es eine Reihe von Bereichen, „wie etwa die industrielle Ökologie , das adaptive Management und das Systems Engineering , die einen raschen Fortschritt bei der Entwicklung von ESEM als Disziplin ermöglichen“. ^{[ 2 ]}

Die Grundannahme von ESEM ist, dass Wissenschaft und Technologie erfolgreiche und dauerhafte Lösungen für vom Menschen verursachte Probleme wie Umweltverschmutzung und Klimawandel bieten können. Diese Annahme wurde kürzlich in Techno-Fix: Warum Technologie uns und die Umwelt nicht retten wird, in Frage gestellt . ^{[ 4 ]}

Adaptives Management ist ein zentraler Aspekt des Ökosystem-Managements (ESEM). Es ist ein Ansatz im Umweltmanagement, der von der großen Unsicherheit in Umweltsystemen ausgeht und davon ausgeht, dass es niemals eine endgültige Lösung für ein Problem der Erdsysteme gibt. Daher muss der Umweltingenieur nach dem Eingreifen in ständigem Dialog mit dem System stehen, um Veränderungen und dessen Entwicklung zu beobachten. Diese Art der Überwachung und des Managements von Ökosystemen akzeptiert die der Natur innewohnende Unsicherheit und integriert sie, indem sie niemals eine einzige, sichere Lösung für ein Problem festlegt.

Die Systemtechnik der Erde ist im Wesentlichen die Anwendung von Systemanalysemethoden zur Untersuchung von Umweltproblemen. Bei der Analyse komplexer Umweltsysteme gibt es zahlreiche Datensätze, Interessengruppen und Variablen. Daher ist es sinnvoll, solche Probleme mit einer Systemanalysemethode anzugehen. Grundsätzlich gibt es „sechs Hauptphasen einer ordnungsgemäß durchgeführten Systemstudie“ ^{[ 5 ]} . Diese sechs Phasen sind:

1. Systemziele festlegen
2. Kriterien für die Rangfolge der alternativen Kandidaten festlegen
3. Alternative Lösungen entwickeln
4. Rangfolge der alternativen Kandidaten
5. Iterieren
6. Akt

Ein Teil des Systemanalyseprozesses besteht in der Festlegung der Systemziele. Zu den wichtigsten Komponenten der Zielentwicklung gehören die Erstellung eines deskriptiven, eines normativen und eines transitiven Szenarios. ^{[ 5 ]} Das deskriptive Szenario beschreibt im Wesentlichen den Ist-Zustand und erläutert, wie es dazu kam (Gibson, 1991). Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass es die positiven und negativen Aspekte des Status quo aufzeigt. ^{[ 5 ]} Das normative Szenario beschreibt das Endergebnis bzw. die Funktionsweise des Systems unter idealen Bedingungen nach erfolgter Intervention. ^{[ 5 ]} Im Rahmen des Erdsystemansatzes erfordert das normative Szenario die komplexeste Analyse. Es bezieht die Stakeholder ein und schafft eine gemeinsame Plattform für den freien Austausch von Ideen, um Lösungen für die Wiederherstellung des Systemzustands oder die notwendige Systemmodifikation zu finden. Schließlich beschreibt das transitive Szenario den eigentlichen Prozess der Systemumstellung von einem deskriptiven zu einem normativen Zustand. Wie im adaptiven Management festgestellt, gibt es oft keine endgültige Lösung . Typischerweise folgt ein iterativer Prozess, in dem sich Variablen und Eingangsgrößen ändern und das System sich gemeinsam mit der Analyse weiterentwickelt.

Bei der Untersuchung komplexer Ökosysteme ist es für Ingenieure im Bereich der Erdsystemtechnik unerlässlich, ein fundiertes Verständnis natürlicher Prozesse zu besitzen. Eine Ausbildung in Umweltwissenschaften ist daher entscheidend, um die möglichen unbeabsichtigten und unerwünschten Auswirkungen eines geplanten Erdsystemdesigns vollständig zu verstehen. Grundlegende Themen wie der Kohlenstoffkreislauf oder der Wasserkreislauf sind zentrale Prozesse, die unbedingt verstanden werden müssen.

Im Zentrum des ESEM steht die soziale, ethische und moralische Verantwortung des Erdsystemingenieurs gegenüber den Stakeholdern und dem zu gestaltenden natürlichen System, ein objektives, transitives und normatives Szenario zu entwickeln. „ESEM ist der kulturelle und ethische Kontext selbst.“ ^{[ 2 ]} Vom Erdsystemingenieur wird erwartet, dass er die ethischen Implikationen vorgeschlagener Lösungen untersucht.

„Die Perspektive der ökologischen Nachhaltigkeit erfordert, dass wir uns fragen, wie jede Interaktion mit der natürlichen Umwelt unsere Kinder in der Zukunft beeinflussen und von ihnen beurteilt werden wird.“ ^{[ 6 ]} „Es wächst das Bewusstsein, dass der Entwicklungsprozess, sich selbst überlassen, irreversible Umweltschäden verursachen kann und dass der daraus resultierende Nettozuwachs an Wohlstand und menschlichem Wohlergehen durchaus negativ, wenn nicht gar katastrophal sein kann.“ ^{[ 6 ]} Vor diesem Hintergrund hat sich die nachhaltige und umweltfreundliche Entwicklung zu einem neuen Ziel entwickelt. ^{[ 6 ]} Nachhaltige Entwicklung ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung geeigneter Lösungen im Sinne von Nachhaltigkeit und Umweltschutz für komplexe Umweltprobleme.

Industrieökologie bezeichnet die Notwendigkeit, wichtige Produktions- und Industrieprozesse von offenen zu geschlossenen Kreisläufen umzustellen . Dies bedeutet im Wesentlichen das Recycling von Abfällen zur Herstellung neuer Produkte. Dadurch werden Abfallmengen reduziert und die Ressourceneffizienz gesteigert. Da ESEM (Energy and Environmental Management) darauf abzielt, die Umweltauswirkungen industrieller Prozesse zu minimieren, ist das Recycling von Industrieprodukten für ESEM von großer Bedeutung.

Das Everglades -System in Florida ist ein Paradebeispiel für ein komplexes ökologisches System, das einer ESEM-Analyse unterzogen wurde.

Die Florida Everglades liegen im Süden Floridas. Das Ökosystem ist im Wesentlichen ein subtropisches Süßwasser-Sumpfgebiet mit einer vielfältigen Flora und Fauna. ^{[ 7 ]} Besonders hervorzuheben sind die Sägegraswiesen und die Sumpfformationen, die die Everglades so einzigartig machen. ^{[ 8 ]} Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat die menschliche Präsenz in dieser Region zugenommen. Heute ist die gesamte Ostküste Floridas bebaut, und die Bevölkerung ist auf über 6 Millionen Einwohner angewachsen. ^{[ 7 ]} Diese verstärkte Präsenz hat im Laufe der Jahre dazu geführt, dass das Wasser von seinem traditionellen Weg durch die Everglades in den Golf von Mexiko und den Atlantischen Ozean umgeleitet wurde. Dies hatte verschiedene negative Auswirkungen auf die Florida Everglades.

Bis 1993 waren die Everglades durch zahlreiche menschliche Eingriffe beeinträchtigt. Der Wasserfluss und die Wasserqualität hatten sich durch den Bau von Kanälen und Deichen, die durch die Everglades führenden Hochstraßen und die ausgedehnte Everglades Agricultural Area, die die Everglades mit hohen Stickstoffmengen verseuchte, verschlechtert. ^{[ 7 ]} Die Folgen dieses reduzierten Wasserflusses waren dramatisch. Es kam zu einem Rückgang der Watvogelpopulationen um 90–95 %, sinkenden Fischbeständen und dem Eindringen von Salzwasser in das Ökosystem. ^{[ 8 ]} Sollten die Florida Everglades ein Naturdenkmal der USA bleiben, waren dringend Maßnahmen erforderlich.

1993 analysierte das US Army Corps of Engineers das System. ^{[ 7 ]} Sie kamen zu dem Schluss, dass eine optimale Wasserführung wünschenswert wäre. ^{[ 7 ]} Dadurch würde der Wasserfluss durch die Everglades verbessert und die Anzahl der Kanäle und Deiche, die das Wasser den Gezeiten zuführen, reduziert.

Aus der Entwicklung des normativen Szenarios erarbeitete das US Army Corps of Engineers den CERP, den umfassenden Everglades-Restaurierungsplan. ^{[ 7 ]} Dieser Plan enthält einen Zeitplan für die abzuschließenden Projekte, die geschätzten Kosten und die angestrebten Ergebnisse der Verbesserung des Ökosystems durch das Gedeihen einheimischer Flora und Fauna. ^{[ 7 ]} Auch die Vorteile des Projekts für die Bevölkerung werden dargelegt. Die Lösung ist nicht nur nachhaltig, sodass auch zukünftige Generationen die Everglades genießen können, sondern die Korrektur des Wasserflusses und der Bau von Speichereinrichtungen werden Dürren und Wasserknappheit in Südflorida verringern. ^{[ 7 ]}

• Designprüfung
• Umweltmanagement
• Industrieökologie
• Nachhaltigkeit
• Systemtechnik

• Allenby, BR (2000). Erdsystemtechnik: Die Welt als menschliches Artefakt. Bridge 30 (1), 5–13.
• Allenby, BR (2005). Die Erde neu gestalten: Technologie und Umwelt im Zeitalter des Menschen. Washington, DC: Island Press. Von https://www.loc.gov/catdir/toc/ecip059/2005006241.html
• Allenby, BR (2000, Winter). Erdsystemtechnik und -management. IEEE Technology and Society Magazine, 0278-0079(Winter) 10-24.
• Davis, Steven, et al. Everglades: Das Ökosystem und seine Wiederherstellung. Boca Raton: St Lucie Press, 1997.
• „Everglades“. Umfassender Everglades-Restaurierungsplan. 10. April 2004. https://web.archive.org/web/20051214102114/http://www.evergladesplan.org/
• Gibson, J. E. (1991). How to do A systems analysis and systems analyst decalog. In W. T. Scherer (Ed.), (Fall 2003 ed.) (pp. 29–238). Department of Systems and Information Engineering: U of Virginia. Retrieved October 29, 2005,
• Gorman, Michael. (2004). Syllabus Spring Semester 2004. Retrieved October 29, 2005 from https://web.archive.org/web/20110716231016/http://repo-nt.tcc.virginia.edu/classes/ESEM/syllabus.html
• Hall, J.W. and O'Connell, P.E. (2007). Earth Systems Engineering: turning vision into action. Civil Engineering, 160(3): 114-122.
• Newton, L. H. (2003). Ethics and sustainability: Sustainable development and the moral life. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall.

• Class Taught Spring 2004 at The University of Virginia on ESEM
• UVA-Artikel über den Kurs im Frühjahr 2004 (Archiviert am 15.11.2005 im Internet Archive) .
• Im Januar 2007 hielt ich an der University of Virginia eine Vorlesung zum Thema ESEM.
• Allenby-Artikel über ESEM
• Zentrum für Erdsystemtechnikforschung an der Universität Newcastle