인류를 위한 안전한 운영 공간

[창조나래]

요약

• 인간 발달의 전제 조건을 정의하기 위해 제안 된 새로운 접근법

• 특정 생물 물리학 적 임계 값을 넘으면 인류에게 재앙적인 결과를 초래할 수 있습니다.

• 서로 연결된 9개의 행성 경계 중 3개가 이미 넘어섰습니다.

지구는 상당한 환경 변화의 많은 기간을 겪었지만 지구의 환경은 지난 10,000년 동안 비정상적으로 안정적이었습니다.1,2,3. 지질학자들에게 홀로세(Holocene)로 알려진 이 안정기는 인류 문명이 발생하고 발전하며 번성하는 것을 보았습니다. 그러한 안정성은 이제 위협받을 수 있습니다. 산업 혁명 이후 새로운 시대 인 인류세 (Anthropocene)가 도래했습니다.4, 인간의 행동이 지구 환경 변화의 주요 동인이 된 곳5. 이것은 인간 활동이 지구 시스템을 홀로 세의 안정된 환경 상태 밖으로 밀어내는 것을 볼 수 있으며, 그 결과는 세계의 많은 지역에 해롭거나 심지어 재앙적인 결과를 초래할 수 있습니다.

홀로 세 동안 환경 변화는 자연적으로 발생했으며 지구의 규제 능력은 인간 개발을 가능하게하는 조건을 유지했습니다. 규칙적인 온도, 담수 가용성 및 생지 화학적 흐름은 모두 비교적 좁은 범위 내에 머물렀다. 이제 화석 연료와 산업화 된 형태의 농업에 대한 의존도가 급격히 높아짐에 따라 인간 활동은 지구를 바람직한 홀로 세 상태로 유지하는 시스템을 손상시킬 수있는 수준에 도달했습니다. 그 결과는 돌이킬 수 없으며 경우에 따라 급격한 환경 변화로 이어질 수 있으며, 이는 인간 발달에 덜 도움이되는 상태로 이어질 수 있습니다.6. 인간의 압력이 없다면 홀로 세는 적어도 수천 년 동안 계속 될 것으로 예상됩니다.7.

행성 경계

홀로 세 상태를 유지하는 도전에 부응하기 위해 우리는 '행성 경계'에 기반한 프레임 워크를 제안합니다. 이러한 경계는 지구 시스템과 관련하여 인류를위한 안전한 운영 공간을 정의하며 행성의 생물 물리학 적 하위 시스템 또는 프로세스와 관련이 있습니다. 지구의 복잡한 시스템은 때때로 변화하는 압력에 부드럽게 반응하지만, 이것은 규칙이 아니라 예외로 판명 될 것 같습니다. 지구의 많은 하위 시스템은 비선형, 종종 갑작스러운 방식으로 반응하며 특정 주요 변수의 임계 값 수준에서 특히 민감합니다. 이러한 임계 값을 초과하면 몬순 시스템과 같은 중요한 하위 시스템이 새로운 상태로 전환 될 수 있으며 종종 인간에게 해롭거나 잠재적으로 비참한 결과를 초래할 수 있습니다.8,9.

이러한 임계값의 대부분은 이산화탄소 농도와 같은 하나 이상의 제어 변수에 대한 임계값에 의해 정의될 수 있습니다. 지구상의 모든 프로세스 또는 하위 시스템에 잘 정의 된 임계 값이있는 것은 아니지만, 그러한 프로세스 또는 하위 시스템의 탄력성을 훼손하는 인간의 행동 (예 : 토지 및 수질 저하)은 기후 시스템과 같은 다른 프로세스에서도 임계 값을 넘을 위험을 증가시킬 수 있습니다.

우리는 지구 시스템 과정과 관련 임계 값을 식별하려고 노력했으며, 교차하면 용납 할 수없는 환경 변화를 일으킬 수 있습니다. 우리는 행성 경계를 정의하는 것이 필요하다고 생각하는 1 가지 과정을 발견했습니다 : 기후 변화; 생물 다양성 손실률 (육상 및 해양); 질소 및 인 순환에 대한 간섭; 성층권 오존 파괴; 해양 산성화; 글로벌 담수 사용; 토지 이용의 변화; 화학 오염; 및 대기 에어로졸 로딩 (그림 <> 및 표 참조).

그림 1: 경계 너머.

내부 녹색 음영은 9 개의 행성 시스템에 대해 제안 된 안전한 작동 공간을 나타냅니다. 빨간색 쐐기는 각 변수에 대한 현재 위치의 추정치를 나타냅니다. 세 가지 시스템 (생물 다양성 손실률, 기후 변화 및 질소 순환에 대한 인간의 간섭)의 경계는 이미 초과되었습니다.

전체 크기 이미지

표 1 행성 경계

전체 크기 테이블

일반적으로 행성 경계는 임계값에서 '안전한' 거리에 있는 제어 변수(임계값 동작의 증거가 있는 프로세스의 경우) 또는 임계값의 증거가 없는 프로세스의 경우 위험한 수준에 있는 제어 변수의 값입니다. 안전 거리를 결정하는 것은 사회가 위험과 불확실성을 다루는 방법에 대한 규범 적 판단을 포함합니다. 우리는 많은 임계 값의 실제 위치를 둘러싼 큰 불확실성을 고려하여 행성 경계를 정량화하기 위해 보수적이고 위험 회피 적 접근 방식을 취했습니다. (경계에 대한 자세한 설명과 그 이면의 분석은 참조 10에 나와 있습니다.)

인류는 곧 지구 담수 사용, 토지 이용의 변화, 해양 산성화 및 지구 인 순환에 대한 간섭의 경계에 접근 할 수 있습니다 (그림 1 참조). 우리의 분석은 지구 시스템 과정 중 세 가지, 즉 기후 변화, 생물 다양성 손실률 및 질소 순환에 대한 간섭이 이미 경계를 넘어 섰음을 시사합니다. 이 중 후자의 두 가지에 대해 제어 변수는 종 손실률과 N2 대기에서 제거되고 각각 인간 사용을 위해 반응성 질소로 전환됩니다. 이것은 지구 시스템 기능의 주요 구성 요소의 탄력성을 크게 침식하지 않고는 계속될 수 없는 변화율입니다. 여기에서는 이 세 가지 프로세스에 대해 설명합니다.

기후 변화

인위적인 기후 변화는 이제 논쟁의 여지가 없으며, 올해 2 월 코펜하겐에서 열린 기후 협상을 앞두고 기후 완화 목표에 대한 국제 논의가 심화되었습니다. '2 ° C 가드 레일'접근 방식, 즉 지구 평균 온도가 산업화 이전 수준보다 <> ° C 이하로 상승하는 것을 포함하는 방향으로 수렴이 증가하고 있습니다.

우리가 제안한 기후 경계는 질적으로 다른 기후 시스템 상태를 분리하는 두 가지 중요한 임계 값을 기반으로합니다. 그것은 두 가지 매개 변수를 가지고 있습니다 : 이산화탄소의 대기 농도와 복사 강제 (대기의 상단에서 측정 된 지구의 단위 면적당 에너지 변화율). 우리는 대기 CO에 대한 인간의 변화를 제안합니다.2 농도는 부피 기준으로 350ppm을 초과해서는 안되며, 복사 강제력은 산업화 이전 수준보다 평방 미터당 1 와트를 초과해서는 안됩니다. 이러한 경계를 위반하면 주요 빙상의 손실, 해수면 상승 가속화, 산림 및 농업 시스템의 급격한 변화와 같은 돌이킬 수없는 기후 변화의 위험이 증가합니다. 현재 일산화탄소2 농도는 387p.p.m.v.이고 복사력의 변화는 1.5Wm입니다.−2 (참조 11).

우리가 제안한 기후 경계에는 적어도 세 가지 이유가 있습니다. 첫째, 현재의 기후 모델은 주어진 온실 가스 농도에 대한 장기적인 기후 변화의 심각성을 상당히 과소 평가할 수 있습니다.12. 대부분의 모델11 대기 CO가 두 배로 증가한다고 제안합니다.2 농도는 기후가 평형을 회복하면 약 3 ° C (가능한 불확실성 범위 2–4.5 ° C)의 지구 온도 상승으로 이어질 것입니다. 그러나 이러한 모델에는 얼음 덮개의 표면적 감소 또는 식생 분포의 변화와 같이 기후를 더욱 따뜻하게하는 장기적인 강화 피드백 프로세스가 포함되어 있지 않습니다. 이러한 느린 피드백이 포함되면 CO가 두 배로 증가합니다.2 레벨은 6 ° C의 최종 온도 상승을 제공합니다 (가능한 불확실성 범위는 4-8 ° C). 이것은 후기 사분면 환경에서 발전한 생태적 생명 유지 시스템을 위협하고 현대 인간 사회의 생존 가능성에 심각한 도전을 가할 것입니다.

두 번째 고려 사항은 큰 극지 빙상의 안정성입니다. 지난 100 억년 동안의 고기후 데이터는 CO2 농도는 지난 50천만 년 동안의 장기 냉각의 주요 요인이었습니다. 더욱이 지구는 CO까지 대부분 얼음이 없었습니다.2 농도가 450p.p.m.v.(±p.p.m.v.) 아래로 떨어졌는데, 이는 100p.p.m.v.에서 350pm 사이에 임계 임계값이 있음을 시사합니다(참조 550). 12 p.p.m.v.의 우리의 경계는 큰 극지방의 빙상의 지속적인 존재를 보장하는 것을 목표로합니다.

셋째, 우리는 지구의 하위 시스템 중 일부가 이미 안정적인 홀로 세 상태를 벗어나고 있다는 증거를보기 시작했습니다. 여기에는 북극해의 여름 해빙의 빠른 후퇴가 포함됩니다.13, 전 세계 산악 빙하의 퇴각11, 그린란드와 서 남극 빙상의 질량 손실14 그리고 지난 10-15 년 동안 해수면 상승의 가속화 속도15.

생물 다양성 손실률

종의 멸종은 자연적인 과정이며 인간의 행동없이 발생합니다. 그러나 Anthropocene의 생물 다양성 손실은 엄청나게 가속화되었습니다. 종은 지난 지구 대량 멸종 사건 이후 볼 수 없었던 속도로 멸종되고 있습니다.16.

화석 기록에 따르면 해양 생물의 배경 멸종률은 연간 백만 종당 0.1-1 멸종입니다. 포유류의 경우 연간 백만 종당 0.2-0.5 번의 멸종입니다.16. 오늘날, 종의 멸종 속도는 자연적인 것으로 간주 될 수있는 것보다 100-1,000 배 더 많은 것으로 추정됩니다. 기후 변화와 마찬가지로 인간 활동은 가속의 주요 원인입니다. 토지 이용의 변화가 가장 중요한 영향을 미칩니다. 이러한 변화에는 자연 생태계를 농업 또는 도시 지역으로 전환하는 것이 포함됩니다. 산불 및 이와 유사한 교란의 빈도, 지속 시간 또는 규모의 변화; 육지와 담수 환경에 새로운 종의 도입17. 기후 변화의 속도는 금세기 생물 다양성 변화의 더 중요한 동인이 될 것이며, 이는 종 손실 속도를 가속화 할 것입니다.18. 모든 포유류, 조류 및 양서류 종의 최대 30 %가 금세기에 멸종 위기에 처할 것입니다.19.

생물 다양성 손실은 지역 차원에서 지역 차원에서 발생하지만 지구 시스템이 기능하는 방식에 광범위한 영향을 미칠 수 있으며 다른 여러 행성 경계와 상호 작용합니다. 예를 들어, 생물 다양성의 손실은 기후와 해양 산도의 변화에 대한 육상 및 수생 생태계의 취약성을 증가시켜 이러한 과정의 안전한 경계 수준을 감소시킬 수 있습니다. 생태계가 교란 될 때 생태계가 원치 않는 상태로 기울어지는 것을 방지하는 기능적 생물 다양성의 중요성에 대한 이해가 커지고 있습니다.20. 이는 생태계의 탄력성을 유지하기 위해 명백한 중복성이 필요하다는 것을 의미합니다. 중요한 기능을 위해 몇 종 또는 단일 종에 의존하는 생태계는 질병과 같은 교란에 취약하며 원하지 않는 상태로 기울어 질 위험이 더 큽니다.8,21.

지구 시스템의 관점에서 생물 다양성의 경계를 설정하는 것은 어렵습니다. 풍부한 종의 혼합이 생태계의 탄력성을 뒷받침한다는 것이 지금은 받아 들여지고 있지만20,21,이 탄력성이 침식되기 전에 얼마나 많은 생물 다양성이 손실 될 수 있는지에 대해 정량적으로 알려진 바는 거의 없습니다.22. 이것은 지구 전체의 규모 또는 보르네오 열대 우림이나 아마존 분지와 같은 주요 하위 시스템에서 특히 그렇습니다. 이상적으로, 행성 경계는 지구상의 시스템의 탄력성을 조절하는 생물 다양성의 역할을 포착해야합니다. 과학은 아직 총체적 수준에서 그러한 정보를 제공 할 수 없기 때문에 멸종률을 대안 (그러나 약한) 지표로 제안합니다. 결과적으로, 멸종 배경의 10 배에 달하는 생물 다양성에 대한 우리의 행성 경계는 매우 예비 추정 일뿐입니다. 이 경계를 더 확실하게 파악하려면 더 많은 연구가 필요합니다. 그러나 우리는 지구가 생태계 탄력성의 상당한 침식 없이는 현재의 손실률을 유지할 수 없다고 확신 할 수 있습니다.

질소와 인 순환

현대 농업은 대규모 질소 및 인에 의한 환경 변화를 포함한 환경 오염의 주요 원인입니다.23. 행성 규모에서 인간에 의해 활성화 된 질소와 인의 추가 양은 이제 너무 커서이 두 가지 중요한 요소의 지구주기를 크게 교란시킵니다.24,25.

인간의 과정, 주로 식량 생산을위한 비료 제조 및 콩과 작물 재배는 약 120 억 <> 천만 톤의 N2 매년 대기에서 반응성 형태로 - 이것은 지구의 모든 지상 과정에서 결합 된 효과 이상입니다. 이 새로운 반응성 질소의 대부분은 환경에 유입되어 수로와 해안 지역을 오염시키고 육상 시스템에 축적되어 대기에 많은 가스를 추가합니다. 그것은 천천히 중요한 지구 하위 시스템의 탄력성을 침식합니다. 예를 들어, 아산화 질소는 가장 중요한 비 CO 중 하나입니다.2 온실 가스는 따라서 복사 강제력을 직접적으로 증가시킵니다.

질소 순환과 인 흐름의 인위적 왜곡은 호수 시스템의 상태를 맑은 물에서 탁한 물로 이동시켰습니다.26. 해양 생태계는 예를 들어 과도한 영양소로 인한 발트해의 무산소 기간 동안 유사한 변화를 겪었습니다.27. 이러한 영향과 다른 영양소 생성 영향은 질소 및 인 흐름에 대한 행성 경계의 공식화를 정당화하며, 우리는 다른 지구 시스템 과정과의 긴밀한 상호 작용을 고려할 때 하나의 경계로 함께 유지되어야한다고 제안합니다.

질소 순환의 인간 수정을위한 행성 경계를 설정하는 것은 간단하지 않습니다. 우리는 N의 인간 고정을 고려하여 경계를 정의했습니다.2 대기에서 지구로의 새로운 반응성 질소의 막대한 흐름을 제어하는 거대한 '밸브'로부터. 첫 번째 추측으로, 우리는이 밸브가 현재 값의 25 % 또는 연간 약 35,<> 만 톤의 질소에 대한 새로운 반응성 질소의 흐름을 포함해야한다고 제안합니다. 이 목표에 도달하려는 시도의 의미를 감안할 때,보다 정보에 입각 한 경계를 결정하기 위해서는 훨씬 더 많은 연구와 정보 합성이 필요합니다.

질소와 달리 인은 지질 학적 과정의 결과로 축적되는 화석 광물입니다. 그것은 암석에서 채굴되며 그 용도는 비료에서 치약에 이르기까지 다양합니다. 매년 약 20천만 톤의 인이 채굴되고 있으며 그 중 약 8만-5만 톤이 바다로 흘러갑니다.25,28. 이는 자연 배경 유입률의 약 8배로 추정된다.

지구 역사의 기록에 따르면 대규모 해양 무산소 사건은 바다로의 인 유입의 임계 값을 넘을 때 발생합니다. 이것은 잠재적으로 해양 생물의 과거 대량 멸종을 설명합니다. 모델링은 자연 배경 풍화의 20 %를 초과하는 바다로 유입되는 인의 지속적인 증가가 과거의 해양 무산소 사건을 유도하기에 충분하다는 것을 시사합니다.29.

우리의 잠정적 모델링 추정치는 산업화 이전 수준과 비교하여 바다로 유입되는 인이 1 배 이상 증가하면 무산소 해양 사건이 000,11 년 이내에 더 가능성이 있음을 시사합니다. 관련된 큰 불확실성에도 불구하고, 현재의 과학 상태와 갑작스런 인에 의한 지역 무산소 사건에 대한 현재의 관찰은 연간 1,000 만 톤 이상의 인이 자연 배경 속도의 <> 배인 바다로 흘러 들어가도록 허용되어서는 안된다는 것을 나타냅니다. 우리는이 경계 수준을 통해 인류가 <>,<> 년 이상 해양 무산소 사건의 위험으로부터 안전하게 벗어날 수 있으며, 현재 수준이 이미 많은 강어귀와 담수 시스템의 임계 값을 초과한다는 것을 인정합니다.

섬세한 균형

행성 경계는 개별 수량과 개별 프로세스의 관점에서 설명되지만 경계는 밀접하게 결합되어 있습니다. 우리는 다른 사람들과 고립되어 그들 중 어느 한 사람에게 우리의 노력을 집중할 사치가 없습니다. 한 경계가 위반되면 다른 경계도 심각한 위험에 처해 있습니다. 예를 들어, 아마존의 중요한 토지 이용 변화는 티베트만큼 멀리 떨어진 수자원에 영향을 미칠 수 있습니다.30. 기후 변화 경계는 담수, 육지, 에어로졸, 질소-인, 해양 및 성층권 경계의 안전한면을 유지하는 데 달려 있습니다. 질소-인 경계를 위반하면 일부 해양 생태계의 탄력성을 침식하여 잠재적으로 CO를 흡수하는 능력이 감소 할 수 있습니다.2 따라서 기후 경계에 영향을 미칩니다.

우리가 제안하는 경계는 인간 발달을위한 생물 물리학 적 전제 조건을 정의하는 새로운 접근법을 나타냅니다. 처음으로 우리는 지구 시스템이 안정적이고 홀로 세와 같은 상태에서 계속 기능 할 수없는 안전 한계를 정량화하려고 노력하고 있습니다.

이 접근법은 과학적 탐구의 세 가지 분야에 달려 있습니다. 첫 번째는 지구를 유지할 수있는 능력과 관련하여 인간 행동의 규모를 다룹니다. 이것은 생태 경제학 연구 의제의 중요한 특징입니다.31, 인간 복지를위한 환경의 생명 유지 속성의 필수적인 역할에 대한 지식을 활용합니다.32,33 경제 성장을위한 생물 물리학 적 제약34,35. 두 번째는 필수적인 지구 과정을 이해하는 작업입니다.6,36,37 인간 행동 포함23,38, 글로벌 변화 연구 및 지속 가능성 과학 분야에서 함께 모였습니다.39. 세 번째 탐구 분야는 탄력성에 대한 연구입니다.40,41,42 복잡한 역학과의 연결43,44 그리고 살아있는 시스템의 자기 규제45,46, 임계 값과 상태 간 이동 강조8.

우리는 세 가지 경계를 넘어 섰다는 증거를 제시하지만, 우리의 지식에는 많은 격차가 남아 있습니다. 우리는 잠정적으로 7 개의 경계를 정량화했지만 일부 수치는 단지 우리의 첫 번째 최선의 추측 일뿐입니다. 또한 많은 경계가 연결되어 있기 때문에 하나를 초과하면 우리가 아직 완전히 이해하지 못하는 방식으로 다른 사람들에게 영향을 미칩니다. 또한 위험한 환경 변화를 일으키거나 지구 시스템 또는 중요한 하위 시스템이 안전한 수준으로 돌아가는 능력을 크게 감소시키는 다른 피드백을 유발하는 데 걸리는 시간에 대한 상당한 불확실성이 있습니다.

지금까지의 증거는 문턱을 넘지 않는 한 인류는 장기적인 사회 경제적 발전을 추구 할 자유가 있음을 시사합니다.

편집자 주 이 기능은 스톡홀름 회복력 센터(http://www.stockholmresilience.org/planetary-boundaries)에서 사용할 수 있는 더 긴 논문의 편집된 요약입니다. 토론과 토론을 용이하게하기 위해, 우리는 행성 경계 개념에 의해 다루어지는 일부 분야의 독립적 인 전문가들로부터 여러 개의 링크 된 논평을 동시에 출판하고 있습니다. 이 기능과 논평은 동료 심사를 거친 연구가 아닙니다. 이 기능, 전체 논문 및 전문가 논평은 모두 http://tinyurl.com/planetboundaries 에서 액세스 할 수 있습니다.