地球系統(tǒng)科學(xué)研究態(tài)勢(shì)：總論

編者按
《中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)》2024年10期發(fā)表了題為“地球系統(tǒng)科學(xué)研究態(tài)勢(shì)”的評(píng)述文章，對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展歷史、基本特點(diǎn)及研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)研究方向展開(kāi)討論。

這篇論文是中國(guó)科學(xué)家關(guān)于地球系統(tǒng)科學(xué)的白皮書(shū)，在內(nèi)容和形式上具有三個(gè)突出特點(diǎn)：（1）將地球系統(tǒng)科學(xué)從表層地球系統(tǒng)向下擴(kuò)展到地球內(nèi)部系統(tǒng)，向上擴(kuò)展到日地空間系統(tǒng)；（2）采用生物活動(dòng)涵蓋人類活動(dòng)對(duì)地表環(huán)境的影響，將人類世看作為一個(gè)生態(tài)事件而不是一個(gè)地質(zhì)時(shí)期；（3）強(qiáng)調(diào)地球?qū)尤χg在物理、化學(xué)和生物上的相互作用，特別是能量和物質(zhì)跨越界面的傳輸。現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹其中總論部分的內(nèi)容，以饗讀者。

地球系統(tǒng)科學(xué)是一門(mén)綜合性的學(xué)科，它在空間上涵蓋了從地球內(nèi)部經(jīng)地殼、水圈和大氣圈到地球外層空間的廣闊范圍，在時(shí)間上包括從地球形成經(jīng)超大陸形成到現(xiàn)在的歷史長(zhǎng)河，致力于研究地球系統(tǒng)整體行為及其組成部分之間的相互作用和相互影響。如何認(rèn)識(shí)表層地球系統(tǒng)、固體地球系統(tǒng)和日地空間系統(tǒng)之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球系統(tǒng)組成部分在結(jié)構(gòu)和成分及其動(dòng)力學(xué)上的全面認(rèn)識(shí)，需要不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜业慕涣骱献鳎瑥恼w上揭示地球圈層內(nèi)部及其相互之間演化的行為、規(guī)律和機(jī)制，以及地球系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物活動(dòng)的影響等。

1 歷史回顧

1.1 萌芽時(shí)期
地球系統(tǒng)科學(xué)的萌芽可追溯至18世紀(jì)后半葉。早在1795年，蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家詹姆斯·赫頓(James Hutton)在《地球理論》一書(shū)中，便提出了地球是一個(gè)系統(tǒng)，“所有事物組成一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的世界”的長(zhǎng)期地質(zhì)演化的思想，不僅為現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)奠定了基礎(chǔ)，而且為后續(xù)地球系統(tǒng)科學(xué)的形成提供了理論支持。

到了19世紀(jì)，德國(guó)地理學(xué)家亞歷山大·馮·洪堡(Alexander von Humboldt)提出的“自然是一個(gè)有機(jī)的整體”的理念，為地球系統(tǒng)科學(xué)中系統(tǒng)論的發(fā)展提供了思想源泉。

在20世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)逐漸深入。然而，面對(duì)日益復(fù)雜的全球環(huán)境問(wèn)題，傳統(tǒng)的分門(mén)別類的研究方式顯得力不從心。于是，人們開(kāi)始尋求一種能夠綜合研究地球各組成部分之間相互聯(lián)系、相互作用的新方法。

1.2 建立時(shí)期
自20世紀(jì)70-80年代以來(lái)，板塊構(gòu)造理論的建立及其應(yīng)用使固體地球科學(xué)得到迅猛發(fā)展，對(duì)表層地球科學(xué)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，表層地球科學(xué)家明確提出地球物質(zhì)過(guò)程與生物活動(dòng)之間相互作用的觀點(diǎn)，進(jìn)而形成了地球系統(tǒng)科學(xué)的思想。因此，地球系統(tǒng)科學(xué)的概念最早是由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于1983年提出的。

1988年，NASA地球系統(tǒng)科學(xué)委員會(huì)出版了《地球系統(tǒng)科學(xué)》專著，正式系統(tǒng)地闡述了地球系統(tǒng)和地球系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)將地球的大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈看作是一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的地球系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，這一觀點(diǎn)逐漸成為表層地球科學(xué)界共識(shí)，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)紛紛制定相關(guān)研究計(jì)劃，從而促使這一學(xué)科蓬勃發(fā)展起來(lái)。

德國(guó)聯(lián)邦政府教育與研究部和德國(guó)科學(xué)基金會(huì)(DFG)共同策劃制定了一個(gè)15年(2000~2015年)的超大型研究計(jì)劃“地球工程學(xué)”，并于2000年3月正式定稿和招標(biāo)實(shí)施。英國(guó)自然環(huán)境研究委員會(huì)(NERC)于2002年12月提出了一項(xiàng)地球系統(tǒng)科學(xué)研究計(jì)劃“量化并理解地球系統(tǒng)(QUEST)計(jì)劃”，并于2004年7月發(fā)布了該計(jì)劃的科學(xué)計(jì)劃和實(shí)施計(jì)劃。

1.3 中國(guó)行動(dòng)
中國(guó)氣象學(xué)家葉篤正等以地球系統(tǒng)科學(xué)為指南，從整體的角度出發(fā)，從1987年開(kāi)始開(kāi)展了中國(guó)的全球變化預(yù)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部于2002年3月提出了21世紀(jì)初的地球科學(xué)戰(zhàn)略重點(diǎn)，擬定了“以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線，從我國(guó)具有優(yōu)勢(shì)的前沿領(lǐng)域?qū)ふ抑鞴ツ繕?biāo)”的優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略。

為了制定中國(guó)學(xué)科及前沿領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略(2021~2035)，中國(guó)海洋地質(zhì)學(xué)家汪品先等領(lǐng)銜撰寫(xiě)并于2024年出版了《中國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》一書(shū)，提出了3個(gè)可能成為突破口的研究方向：（1）海洋碳泵的重新認(rèn)識(shí)；（2）水循環(huán)及其軌道驅(qū)動(dòng)；（3）東亞—西太平洋地區(qū)的海陸銜接。這些研究方向體現(xiàn)了我國(guó)自然環(huán)境的特色和已有的科學(xué)積累，旨在尋找中國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)突破的重點(diǎn)，有望促進(jìn)中國(guó)學(xué)派的形成。

2 當(dāng)前形勢(shì)

經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，地球系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)成為引領(lǐng)21世紀(jì)地球科學(xué)發(fā)展的重要方向之一。實(shí)際上，在水圈和土壤圈之下有固體地球系統(tǒng)，在大氣圈之上有日地空間系統(tǒng)。因此，地球系統(tǒng)由三大部分組成，即固體地球系統(tǒng)、表層地球系統(tǒng)和日地空間系統(tǒng)(圖1)。

圖1 地球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成示意圖

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)的研究基本上聚焦在表層地球系統(tǒng)。因?yàn)楸韺拥厍蛳到y(tǒng)是人類生存、活動(dòng)和發(fā)展的自然環(huán)境，所以人類活動(dòng)與地表環(huán)境之間的物理化學(xué)相互作用曾經(jīng)是地球系統(tǒng)科學(xué)創(chuàng)立的初衷和強(qiáng)調(diào)的要點(diǎn)，并且將此概括為三個(gè)方面：人類活動(dòng)、臨界要素和圈層邊界。

不過(guò)，從整個(gè)生物圈來(lái)看，人類活動(dòng)也是生物活動(dòng)的一部分，而且人類活動(dòng)相對(duì)于自然過(guò)程對(duì)表層地球系統(tǒng)的影響還是次要的，這樣采用生物活動(dòng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)可以有效涵蓋人類活動(dòng)這個(gè)初衷和要點(diǎn)。實(shí)際上，生物活動(dòng)包括碳-氮-氧-磷循環(huán)在內(nèi)的的生物地球化學(xué)過(guò)程、物種滅絕、溫室氣體排放、水資源消耗、土壤侵蝕等多個(gè)環(huán)境要素。

根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢(shì)，可將地球系統(tǒng)視為一個(gè)復(fù)合的、疊加的非線性系統(tǒng)，在系統(tǒng)和圈層之間存在不同類型的物理、化學(xué)和生物相互作用(圖2)，對(duì)其進(jìn)行研究的宗旨就是認(rèn)識(shí)和理解其結(jié)構(gòu)和組成以及運(yùn)行機(jī)制和變化過(guò)程等自然規(guī)律。

圖2 地球系統(tǒng)科學(xué)三大組成部分及其作用要素示意圖

3 發(fā)展進(jìn)程

地球系統(tǒng)科學(xué)以全球性和統(tǒng)一性以及整體觀、系統(tǒng)觀和多時(shí)空尺度為特征，不僅著眼于地球內(nèi)部和外部各圈層之間在物理、化學(xué)和生物上的相互作用，而且以此來(lái)研究地球整體及其圈層之間的性質(zhì)、行為、過(guò)程和機(jī)制(圖3)。

圖3 引起地球圈層相互作用的主導(dǎo)因素

總體來(lái)說(shuō)，地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程大致可以概括為以下5個(gè)階段：

(1) 理論框架的構(gòu)建：通過(guò)整合地質(zhì)科學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、生態(tài)科學(xué)等學(xué)科的研究成果，提出了地球系統(tǒng)各組成部分之間相互聯(lián)系、相互作用的機(jī)制。同時(shí)，隨著觀測(cè)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究手段也日益豐富和完善。

(2) 跨學(xué)科合作的加強(qiáng)：國(guó)際科學(xué)界紛紛成立了各種跨學(xué)科的研究機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目，包括早期的國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)和世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)以及21世紀(jì)以來(lái)的地球系統(tǒng)科學(xué)合作伙伴計(jì)劃(ESSP)和未來(lái)地球計(jì)劃(Future Earth)等，這些機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的實(shí)施為地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展提供了重要的支持和保障。

(3) 觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立：建立了全球性的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了大氣、海洋、陸地、生物等多個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)遙感衛(wèi)星、浮標(biāo)、氣象站等多種手段進(jìn)行觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的積累和分析，為地球系統(tǒng)科學(xué)的研究提供了寶貴的第一手資料。

(4) 模擬與預(yù)測(cè)能力的提升：利用數(shù)值模擬技術(shù)，構(gòu)建了各種地球系統(tǒng)模型，能夠模擬地球系統(tǒng)的各種物理、化學(xué)和生物過(guò)程，并預(yù)測(cè)其未來(lái)變化趨勢(shì)。

(5) 內(nèi)涵和外延的拓展：通過(guò)深化對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)內(nèi)涵和外延的認(rèn)識(shí)，有關(guān)研究從表層地球系統(tǒng)向內(nèi)拓展到固體地球系統(tǒng)、向外拓展到日地空間系統(tǒng)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)地球系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)全球環(huán)境變化乃至生物活動(dòng)的影響(圖4)。

圖4 地球內(nèi)部系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)地球表層環(huán)境影響示意圖

4 重要研究進(jìn)展

經(jīng)過(guò)30多年來(lái)的努力，人們對(duì)地球三大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成及其相互作用有了更加深入的認(rèn)識(shí)，在地球系統(tǒng)科學(xué)研究領(lǐng)域也取得了一系列重要進(jìn)展，不僅深化了人們對(duì)地球系統(tǒng)及其組成部分的理解，還為應(yīng)對(duì)全球環(huán)境變化提供了科學(xué)依據(jù). 這些重要進(jìn)展主要體現(xiàn)在如下10個(gè)方面：

(1) 氣候系統(tǒng)研究：發(fā)現(xiàn)氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)系統(tǒng)，主要受控于地球外部圈層之間的相互作用。

(2) 全球變化研究：發(fā)現(xiàn)全球變化是一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程的結(jié)果，涉及多個(gè)尺度和多個(gè)方面的變化。

(3) 地球微生物學(xué)的發(fā)展：發(fā)現(xiàn)微生物和表層地球系統(tǒng)之間存在著相互依賴和共生的關(guān)系。

(4) 深海和極地的探索：發(fā)現(xiàn)深海和極地生態(tài)系統(tǒng)中的生物面臨著極端的生存條件(如高壓、低溫、低氧等)，認(rèn)識(shí)到它們獨(dú)特的適應(yīng)機(jī)制，為研究生命起源及其如何在極端環(huán)境中生存和繁衍提供了重要信息。

(5) 地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成研究：發(fā)現(xiàn)地殼和地幔的分層結(jié)構(gòu)和成分在時(shí)間和空間上存在不均一性。

(6) 板塊構(gòu)造與地幔對(duì)流研究：發(fā)現(xiàn)板塊邊緣的結(jié)構(gòu)組成和動(dòng)力學(xué)是揭示板塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)制的關(guān)鍵。

(7) 磁層-電離層-熱層耦合過(guò)程的揭示：發(fā)現(xiàn)磁層-電離層-熱層耦合系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)。

(8) 空間天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的完善：通過(guò)全球分布的地面和太空觀測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)、高能粒子、磁場(chǎng)等空間環(huán)境參數(shù)的變化，并預(yù)測(cè)其對(duì)地球空間環(huán)境的影響，為衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和電力傳輸?shù)忍峁┝酥匾Ｕ稀?/p>

(9) 地球觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步：隨著衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測(cè)、大地測(cè)量和地震學(xué)等地球觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠以前所未有的精度監(jiān)測(cè)地球表面和內(nèi)部的變化。

(10) 表層地球系統(tǒng)數(shù)值模型的研發(fā)：將不同學(xué)科的知識(shí)和方法集成到一個(gè)統(tǒng)一的框架中，整合大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈和巖石圈等多個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和信息，建立針對(duì)氣候和生態(tài)環(huán)境等關(guān)鍵要素的模型，幫助人們更好地理解地球系統(tǒng)的各個(gè)組成部分如何在熱能和物質(zhì)上發(fā)生相互作用，以及這些相互作用如何影響全球環(huán)境變化。

5 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

地球科學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了從學(xué)科越分越細(xì)到相互結(jié)合、集成為對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)及其各組成部分之間相互作用的研究，從定性研究發(fā)展到定量化研究。隨著地球科學(xué)各分支學(xué)科的迅速發(fā)展、學(xué)科之間以及與相關(guān)學(xué)科交叉融合的不斷深入，在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得一批創(chuàng)新性強(qiáng)、交叉特色鮮明的突出成果。如何就地球系統(tǒng)科學(xué)的重點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)研討，以期實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科前沿內(nèi)容的交流、思想的碰撞，提出新的假說(shuō)或科學(xué)問(wèn)題，推進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，為有效解決資源環(huán)境災(zāi)害方面的問(wèn)題提供科技支撐，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外地球科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

(1) 原始創(chuàng)新的廣闊空間：隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)據(jù)處理能力的顯著提升，能夠以前所未有的精度和廣度監(jiān)測(cè)地球系統(tǒng)的變化，這為原始創(chuàng)新提供了豐富的素材和可能。

(2) 集成創(chuàng)新的協(xié)同效應(yīng)：在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，集成創(chuàng)新體現(xiàn)在多個(gè)方面，既包括多學(xué)科交叉融合，也包括觀測(cè)數(shù)據(jù)的集成共享，還涉及模型與數(shù)據(jù)的深度融合。

(3) 方法創(chuàng)新的技術(shù)突破：隨著科技的不斷發(fā)展，新的觀測(cè)技術(shù)、模擬技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法不斷涌現(xiàn)，為地球系統(tǒng)科學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

(4) 觀念創(chuàng)新的思維變革：傳統(tǒng)科學(xué)觀念往往將地球系統(tǒng)分割為孤立的子系統(tǒng)進(jìn)行研究，忽略了各子系統(tǒng)之間的相互作用和反饋機(jī)制。而地球系統(tǒng)科學(xué)則強(qiáng)調(diào)從整體和系統(tǒng)的視角出發(fā)，將地球視為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行研究。這種觀念上的轉(zhuǎn)變不僅要求重新審視地球系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，也促使改變傳統(tǒng)的思維方式和工作方法。

(5) 引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的國(guó)際合作：在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，國(guó)際合作不僅體現(xiàn)在科研項(xiàng)目的共同開(kāi)展和科研成果的共享上，還體現(xiàn)在人才培養(yǎng)、技術(shù)交流、政策對(duì)話等多個(gè)方面。通過(guò)加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，可以借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)手段，促進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

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鄭永飛, 郭正堂, 焦念志, 穆穆, 樸世龍, 傅綏燕, 楊頂輝, 朱茂炎. 2024. 地球系統(tǒng)科學(xué)研究態(tài)勢(shì). 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 54(10): 3065–3090