En ny vetenskaplig uppsats av ett University of Maryland-ledt internationellt team av framstående forskare, inklusive fem medlemmar av de nationella akademierna, hävdar att det saknas kritiska tvåvägsåterkopplingar från nuvarande klimatmodeller som används för att informera miljö, klimat, och ekonomisk politik. De viktigaste otillräckligt modellerade variablerna är ojämlikhet, konsumtion, och befolkning.

I denna forskning, författarna presenterar omfattande bevis på behovet av ett nytt modelleringsparadigm som innehåller de återkopplingar som jordsystemet har på människor, och föreslå en ram för framtida modellering som skulle tjäna som en mer realistisk vägledning för beslutsfattande och hållbar utveckling.

Tolv av det tvärvetenskapliga teamet på 20 medförfattare är från University of Maryland, med flera andra universitet (Northeastern University, Columbia University, George Mason University, Johns Hopkins University, och Brown University) och andra institutioner (Joint Global Change Research Institute, University Corporation for Atmospheric Research, institutet för global miljö och samhälle, Japans forskningsinstitut RIKEN, och NASA:s Goddard Space Flight Center) representerade också.

Studien förklarar att jordsystemet (t.ex. atmosfär, hav, landa, och biosfär) tillhandahåller det mänskliga systemet (t.ex. människor och deras produktion, distribution, och förbrukning) inte bara källorna till dess insatser (t.ex. vatten, energi, biomassa, och material) men också sänkorna (t.ex. atmosfär, hav, floder, sjöar, och land) som absorberar och bearbetar dess utdata (t.ex. utsläpp, förorening, och annat avfall).

Med titeln "Modelling Sustainability:Population, Olikhet, Konsumtion, och dubbelriktad koppling av jorden och mänskliga system ", artikeln beskriver hur den snabba tillväxten i resursanvändning, förändring av markanvändning, utsläpp, och föroreningar har gjort mänskligheten till den dominerande drivkraften för förändring i de flesta av jordens naturliga system, och hur dessa förändringar i tur och ordning, ha kritiska återkopplingseffekter på människor med kostsamma och allvarliga konsekvenser, inklusive människors hälsa och välbefinnande, ekonomisk tillväxt och utveckling, och till och med mänsklig migration och samhällskonflikt. Dock, tidningen hävdar att dessa tvåvägsinteraktioner ("dubbelriktad koppling") inte ingår i de nuvarande modellerna.

Oxford University Presss tvärvetenskapliga tidskrift National Science Review , som publicerade tidningen, har belyst arbetet i sitt nuvarande nummer, påpekar att "förändringstakten för atmosfäriska koncentrationer av CO2, CH4, och N2O [de primära växthusgaserna] ökade med över 700, 1000, och 300 gånger (respektive) under perioden efter den gröna revolutionen jämfört med förindustriella räntor. "Se figur 1 från artikeln Höjdpunkter, återges nedan.

"Många datamängder, till exempel, data för den totala koncentrationen av atmosfäriska växthusgaser, visa att den mänskliga befolkningen har varit en stark drivkraft för människors totala påverkan på vår planet Jorden. Detta ses särskilt efter de två stora accelererande regimskiften:Industriell revolution (~ 1750) och Grön revolution (~ 1950) ", säger Safa Motesharrei, UMD systemvetare och huvudförfattare till tidningen. "För den senaste tiden, vi visar att den totala effekten har ökat i genomsnitt ~ 4 procent mellan 1950 och 2010, med nästan lika stora bidrag från befolkningstillväxten (~ 1,7 procent) och BNP per capita -tillväxt (~ 2,2 procent). Detta motsvarar en fördubbling av den totala effekten varje ~ 17 år. Denna fördubbling av effekten är chockerande snabb. "

"Dock, dessa mänskliga effekter kan bara förstås inom ramen för ekonomisk ojämlikhet, "påpekade statsvetaren och medförfattaren Jorge Rivas från Institute for Global Environment and Society." Den genomsnittliga resursanvändningen per capita i rika länder är 5 till 10 gånger högre än i utvecklingsländer, och de utvecklade länderna ansvarar för över tre fjärdedelar av kumulativa utsläpp av växthusgaser från 1850 till 2000. "

Geografen och medförfattaren vid University of Maryland Klaus Hubacek tillade:"Skillnaden är ännu större när ojämlikhet inom länder inkluderas. Till exempel, cirka 50 procent av världens människor lever på mindre än 3 dollar per dag, 75 procent på mindre än $ 8,50, och 90 procent på mindre än $ 23. En effekt av denna ojämlikhet är att de översta 10 procenten ger nästan lika mycket totala koldioxidutsläpp som de lägsta 90 procent tillsammans. "

Studien förklarar att ökad ekonomisk ojämlikhet, konsumtion per capita, och den totala befolkningen driver alla denna snabba tillväxt av mänsklig påverkan, men att de viktigaste vetenskapliga modellerna för jord-mänskligt system-interaktion inte tvåvägs (interaktivt) kopplar ihop jordsystemmodeller med de främsta förändringarna i mänskliga system, såsom demografi, olikhet, ekonomisk tillväxt, och migration.

Forskarna hävdar att nuvarande modeller istället generellt använder oberoende, externa projektioner av dessa drivrutiner. "Denna brist på tvåvägskoppling gör att nuvarande modeller sannolikt kommer att missa kritiska återkopplingar i det kombinerade jord-mänskliga systemet, "sade National Academy of Engineering-medlem och medförfattare Eugenia Kalnay, en framstående universitetsprofessor i atmosfärisk och oceanisk vetenskap vid University of Maryland.

"Det skulle vara som att försöka förutsäga El Niño med en sofistikerad atmosfärisk modell, men med havet yttemperaturer från externa, oberoende prognoser av, till exempel, Förenta nationerna, "sa Kalnay." Utan att inkludera de riktiga återkopplingarna, förutsägelser för kopplade system kan inte fungera; modellen kommer att komma bort från verkligheten mycket snabbt. "

"Att ignorera denna dubbelriktade koppling av jorden och mänskliga system kan leda till att något viktigt saknas, även avgörande, för vår planets och vår arts öde, "sa medförfattaren Mark Cane, G. Unger Vetlesen Professor i jord- och klimatvetenskap vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, som nyligen vann Vetlesenpriset för att ha skapat den första kopplade havsmiljömodellen med återkopplingar som framgångsrikt förutspådde El Niño.

Medförfattare Matthias Ruth, Direktör och professor vid skolan för offentlig politik och stadsfrågor, Nordöstra universitetet, sade:"Resultatet av att inte dynamiskt modellera dessa kritiska återkopplingar från Human-Earth System skulle vara att de miljöutmaningar mänskligheten står inför kan vara väsentligt underskattade. Dessutom, det finns ingen uttrycklig roll för policyer och investeringar för att aktivt forma den kurs där dynamiken utvecklas. Snarare, som modellerna är utformade nu, varje ingrepp - nästan per definition - kommer utifrån och upplevs som en kostnad. Sådan modellering, och tankesättet som följer med det, lämnar inget utrymme för kreativitet när det gäller att lösa några av de mest angelägna utmaningarna. "

"Papperet belyser korrekt att andra mänskliga stressfaktorer, inte bara klimatet, är mycket viktiga för långsiktig hållbarhet, inklusive behovet av att minska ojämlikheten '', sa Carlos Nobre (inte medförfattare), en av världens ledande forskare inom jordsystem, som nyligen vann det prestigefyllda Volvos miljöpris i hållbarhet för sin roll att förstå och skydda Amazonas. "Social och ekonomisk jämlikhet ger samhällen möjlighet att engagera sig i hållbara vägar, vilket ingår, förresten, inte bara hållbart utnyttjande av naturresurser utan också att bromsa befolkningstillväxten, att aktivt minska det mänskliga fotavtrycket på miljön. "

Michael Mann, Framstående professor och direktör för Earth System Science Center vid Penn State University, som inte var medförfattare till tidningen, kommenterade:"Vi kan inte skilja frågan om befolkningstillväxt, resursförbrukning, förbränning av fossila bränslen, och klimatrisk. De är en del av ett kopplat dynamiskt system, och, som författarna visar, Detta får allvarliga potentiella konsekvenser för samhällskollaps. Konsekvenserna kan inte vara mer djupgående. "