地球系统科学

1、地球系统科学地球系统指由大气圈、水圈、陆圈（岩石圈、地幔、地核）和生物圈 （包括人类）组成的有机整体。地球系统科学就是研究组成地球系统的这 些子系统之间相互联系、相互作用中运转的机制，地球系统变化的规律和 控制这些变化的机理，从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球 系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外 层空间，时间尺度从几百年到几百万年。简介地球系统科学是从传统的地球科学脱胎而来的。人类的生活要从环境 中获取食物、能源，故必然关心所居住的环境，对所立足的地球产生求知 欲，于是逐渐形成了地球科学的各分支，如气象学、海洋学、地理学、地 质学、生态学等。然而，它们是

2、对地球的某一组成部分的分门别类的研 究。随着研究的深入，形成了各自的研究方法、手段和目的。但是，由于 地球的空间广域性，形成它的时间悠久性和组成其要素的复杂性，分门别 类的研究尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地 认识地球，传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用 的观点去研究、认识地球，越来越为有识之士所倡导。于是，在 20世纪 80年代中期，特别以美国地球系统科学委员会（Earth System Science Committee）在1988年出版的地球系统科学一书为标志的“地球系统 科学”思想和概念被明确提出。事实上，上世纪六七十年代在中国兴起的 对自然

3、地理各要素进行综合研究的思想，可以看作是（表层）地球系统科学的萌芽。只是后者涉及的范围、领域更广，时间更长，系统的方法和现 代技术手段更加先进完善而已。起源地球系统科学是应人类面临的根本生存环境危机一一全球变化的严峻 挑战而兴起，在近年诸多高新技术在地学上的应用研究而促进其发展，它 反映了现代人类对人-自然界关系的哲学理念。但是，概念尽管已提出， 行动却尚有不少困难。首先就是面对这个复杂的开放的巨系统，如何能适 时地、多周期地获取系统多参数的海量数据？同时，又如何对海量数据进 行整合、集成以及选取合适的参数进行数学建模？模型又如何能适时地检 验？如何对全世界成千上万的地学实验室、科研机构、大专

4、院校的科学研 究和获取的宝贵数据能进行共享、交换？这些问题均有待解决。地球系统 科学又面临困境。幸运的是，地球系统科学由于现代工程技术科学的参与 与支持，将出现一场新的技术革命。数字地球就是这场技术革命的集中体 现，它有望给地球系统科学带来研究方法，手段的革命性变化。地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度， 来研究地球系统的整体行为，使得人类能更好地认识自身赖以生存的环 境，更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。地球系统 科学在现代技术，尤其是空间技术和大型计算机发展后出现，致力于对地 球的整体探索。它以地球科学许多分支学科的大跨度交叉渗透，与生命科 学、化学

5、、物理学、数学、信息科学以及社会科学的紧密结合为特征。其 研究发展的特点为时空尺度大，综合性强，实用空间大，支持有效监测和 预测，研究大量采用高新技术，采集、存储、处理的数据量都极其巨大。研究现状地球系统科学的概念最早是由美国国家航空航天局（ NASA于1983年 提出的。1980年代中期以来，地球科学发展迅猛，科学家明确提出地球 物理过程与生物过程相互作用的观点，进而形成了地球系统的思想。1990年代，这一观点逐渐成为地学界共识，美国、英国、日本等国纷纷制定相 关计划，更促使了这一学科蓬勃发展起来。美国已有 22所大学将地球系 统科学教育纳入课程之内，联合国的21世纪议程更将地球科学作为 可

6、持续发展战略的科学基础之一。要解决地球系统科学的一些重大突出问题，将需要有跨过学科边界的有效的和持续的合作。基于这一思想，英国自然环境研究委员会（ NERC 于2002年12月提出了一项地球系统科学研究计划一一量化并理解地球系 统（QUEST计划，并于2004年7月发布了该计划的科学计划和实施计 划。QUES计戈ij为期6年（2003-2009年），其主要目标是提高对地球系 统中大尺度过程及其相互作用的定性和定量理解，特别关注大气、海洋、 陆地中的生物、物理和化学过程之间的相互作用以及人类活动与它们之间 的复杂关系。QUES计划主要集中于三个研究主题：现今的碳循环及其与 气候和大气化学之间的相

7、互作用；大气成分在冰期-间冰期和更长时间尺 度上的自然变化；全球环境变化对资源可持续利用的影响后果。德国联邦政府教育与研究部和德国科学基金会（DFG共同策划制定了 未来15年（2000-2015年）的超大型研究计划地球工程学，并已于 2000年3月就正式定稿和招标实施。地球工程学是把地球的整体作为研 究对象，该计划将有助于从地史时期的发展过程研究中探索地球的未来状况。在这个计划中，进一步明确了地球科学的任务，即与其他科学进行学 科间合作，在工业方面为解决紧迫的、与社会发展关系重大的问题和生态 问题做出贡献。该计划的研究目标是认识这些过程及其相互变化关系，以 及评估人类对于自然平衡和自然循环的影

8、响。气象学家叶笃正等以地球系统科学为指南，从整体的角度出发，从 1987年开始开展了中国的全球变化预研究。2001年1月，中国科学院院 长路甬祥把对“地球系统整体行为的集成研究”列为21世纪科学家要面对的第九大挑战。2002年10月，温家宝在中国地质学会80周年纪念大 会上讲话时强调，必须实现传统地质工作向以“地球系统科学”为核心内 容的现代地质工作的转变。自然科学基金委地学部于2002年3月提出21世纪初的地球科学战略重点，拟定了 “以地球系统各圈层的相互作用为主 线，从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标”的优先资助领域战略。 地球系统科学理论地球系统科学是把地球看成一个由相互作用的地核、地

9、幔、岩石圈、 水圈、大气圈、生物圈和人类社会等组成部分构成的统一系统，是一门重 点研究地球各组成部分之间相互作用的科学。研究目的是了解地球系统所 涉及的过程，各组成部分之间的联系和相互作用，维持充足的自然资源供 给，减轻地质灾害，调节全球环境变化并使危害降到最小，获取在全球尺 度上对整个地球系统的科学理解。地球系统科学的研究步骤由四部分构成：现象的观测和数据的积累；对观测数据进行分析和解释，从物理、化学和生物学的规律出发，建立有关地球过程的定量关系；在前两项的基础上建立概念模型和数学（数值） 模型（和实验）；验证模型，并对未来的变化趋势进行统计预测和预报。随机性是复杂地球系统的重要特征之一。若

10、地球系统中一个系统的状 态演化可用一个随时间变化的随机变量来描述，则称该系统为一随机过 程。自组织是地球系统科学的一个重要概念，它是地球复杂系统演化时出 现的一种现象。在地球系统实现空间、时间或功能的结构过程中，如果没 有外界的特定干扰，仅是依靠地球系统内部的相互作用来达到的，便可以 说地球系统是自组织的。地球系统科学从系统局部与整体的关系出发来研 究地球系统，简单地球巨系统是研究的基础和起点，运用地球系统自组织 理论来研究简单巨系统，使对这一类地球系统有个基本的认识。地球系统科学研究的对象是从简单性和简单系统转向复杂性和复杂系 统，要求在方法论上实现根本转变。概括地说，凡是不能用还原论方法处

11、 理的问题，或者需要用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题，复杂 巨系统就是这类问题。因此，在面对复杂的地球系统问题时，总是设法把 复杂性简化掉，即把复杂性当作简单性处理。当对象是典型的简单系统， 或者属于不够典型的复杂性问题时，这样处理是可行的或近似可行的。这 也是地球系统复杂性研究的主要理论基础。地球系统科学计算地球科学发展的一个趋势是：从对局部的个别学科的研究发展为对整 个地球系统及其各部分相互关系影响的研究，从定性的研究发展为对地球 动力学过程的定量化研究。先进新技术使地球科学家获得空前丰富观测资 料，对这些资料的处理、分析和深入理解，离不开现代计算科学和技术。在数值模拟技术方面，日

12、本的地球模拟机(Earth Simulator )计划独 树一帜。日本政府为此投入4亿美元研究经费，且有多个大学和研究所的 人员长期参与了该项目。该计划已建成了利用并行计算技术模拟三维黏弹 性非均匀各向异性介质中地震轮回三维动力学问题的技术平台(GEOFBM,内含断层本构关系、断层相互作用、地震波在三维黏弹性各 向异性介质中传播与破裂发展的动力学问题等，计算能力极强。该计划的 实施可以完成强地面运动的模拟和预测，对防震减灾意义重大。美国、澳大利亚的数值模拟技术也发展很快。澳大利亚政府长期投巨资(近几年已投入近千万美元)资助昆士兰大学以莫拉(P.Mora)教授为首的研究集体，研究开发了微观模拟的格状固体粒子模型地球(LSMearth),现在用该模型已能模拟摩擦、断裂、断层、波动、热作 用、水因素等多种与地震有关的现象，在国际上已产生了重要的影响。美 国则在高科技方面投巨资研究地球科学，例如，NASAA 2003年开始将执行一个固体地球研究虚拟观测(SERVO八年计划，其海量