宜居地球的过去、现在与未来

宜居地球的过去、现在与未来作者：卡卡西进入21世纪，美国提出侧重地表过程的“未来地球”计划地球科学前沿究竟是什么？宜居地球过去、现在与未来21世纪地球科学前沿行星宜居性(Habitability)：行星或天然卫星环境的发生和发展适宜生命的潜力；不限于有生命活动、或天文学定义的宜居带如何研究宜居地球形成与演化？流体地球科学家：稳定的气候系统、充足的水等环境保护科学家：自然、无污染等资源能源科学家：满足舒适生活需求灾害防御科学家：生存无忧地球动力科学家：地球内部是引擎。。。。。。。。。盲人摸象宇宙视野本—地球与生命健康标—传统的环保、防灾、医学等等生物健康与舒适需要宜居地球宜居地球的“本与标”目标：维持地球家园Geo-Health科学引领重要性的实例了解宜居性的形成演化，才能预测和保护地球的未来过去现今未来研究地球宜居性思路“上天、入地、下海、观地球”三深一系统深空探测与行星宜居性为什么提出这样的前瞻科学问题深空深地深海地球系统三深一系统赵九章1970.4.24东方红一号21世纪我国将成为深空探测强国国家已启动行星探测工程，天问一号已发射，即将实施小行星、木星及卫星等探测任务回顾中国深空探测历程工程与技术取得了重大成就—空间大国科学落后于技术—发展不平衡科学技术协同发展--大国向强国跨越2007年

嫦娥一号2010年

嫦娥二号2013年

嫦娥三号2018年

嫦娥四号2020年

嫦娥五号2021年

天问一号2007，2010

绕月2013，2018落月科学引领重要性的实例1957年10月第一颗人造地球卫星上天震惊世界(核导弹)，开启航天技术竞赛Sputnik

1“伴侣号”(Traveling

Companion)1955，美国总统艾森豪威尔发布美国将于1957年(国际地球物理年)发射第一枚人造卫星前苏联随后决定在1957年7月国际地球年开始前发射，因此原设计被大幅简化：只携带一台简陋的无线电发送器卫星重量83.6kg，直径58cm；由苏联R7火箭在拜克努尔航天基地发射升空，火箭发射重量：280吨美国1958年2月第一颗卫星“探险者”1号(Explore1)Explore1科学仪器：宇宙射线探测仪温度探头微波背景探测器科学成就：发现地球辐射带“范·阿伦带”VanAllen卫星重量13.97kg，发射火箭Jupiter1，发射重量29吨Apollo美苏太空竞赛分水岭本质是思维方式不同美国前苏联登月太空行走1960 1965 1970 19751977年行星探测和太空竞赛：火星NASA计划2030年代送人类上火星并安然无恙返回地球

2024年

嫦娥六号2025年

小行星采样返回2025年

嫦娥七号2028年

嫦娥八号2030年

火星采样返回2030年

载人登月2035年

木星及太阳系

依托深空探测任务，通过比较行星学研究，理解行星地球宜居性，从交叉与综合中获得原创突破；补齐深空探测中科学研究的短板展望未来我国深空探测依托于深空探测的前瞻科学研究比较行星学月球基地建设与地月系统演化探索适宜生命的系外行星为认识宜居地球可持续性1.比较行星学40-35亿年~470°C失控的温室效应~-63°C失控的冰室效应~20

°C宜居星球天文学认为：行星的宜居性取决于行星与恒星之间的距离金星、地球、火星均位于太阳系宜居带，但有不同的归宿金星地球火星(过去的地球)(未来的地球)45亿年前分道扬镳原始的金星、地球、火星具有相似内外结构与物性除恒星与行星距离外，行星的宜居性有其他决定因素水星距离太阳最近，但表面温度：-173~427℃20世纪60年代，美国探测发现金星失控的温室效应，引发人类对地球变暖的担忧；其后探测发现火星是“酷寒”的星球；未来地球向何方去？我们究竟该如何应对？美国太空战略：寻找另一个宜居行星美国已经访遍太阳系内所有行星和数十个天体，发现了太阳系外行星3912颗.寻找宜居行星，建立地外人类栖息地是其主要战略目标金星、地球、火星，“三兄弟”初期非常相似，目前只有地球能够自调节保持宜居环境，金星和火星则完全失控。通过对比研究能够加深对地球宜居性演化的理解，中国深空探测不能满足于到行星上看一看，应当认知行星，理解地球，获得原创理论突破，服务国家发展战略金火地金火地月水地球与行星外部圈层地球与行星内部圈层我国战略：探索宇宙理解地球用好地球2030载人登月2019，2024返回样品月球是维系地球宜居性的重要条件也是探索地球早期环境的途径之一2035月球基地月球基地：永久空间站、月基对地、对天观测挥发份：探测其来源分布，为认识地球早期宜居环境提供约束，探索月球基地能源月球演化：研究月球岩浆洋的形成演化和大撞击事件，理解地球早期环境及初始宜居条件2.月球基地建设与地月系统演化3.探索适宜生命的系外行星1--宇宙起源与暗物质探测：月球基地新领域2--宇宙线探测及对地球行星宜居性的影响：利用月球基地研究外太空带电高能粒子对地球环境影响3--系外适宜生命行星探测：综合天基、地基、月球基地探索系外类地宜居行星，理解它们的特性、分布、形成及共性4--生命生存极限条件的厘定：研究生物适应极端环境的生理代谢过程和机理，探究生命生存的极限条件对比太阳系外与系内行星，探索系外适宜生命的行星火星生命探测对象：地下、冰层、洞穴、盐矿物Carrier

et

al.

2020

Astrobiology,

20:785-814.

Mars

Extant

Life:

What’s

Next?

Conference

Report

地下盐矿物洞穴冰下对人类家园-行星地球的启示地球外看地球（地球地外行星）弥补地球早期演化记录缺失问题从太阳系乃至系外看宜居环境和生命演化过去现在未来借助深空探测，通过地球科学、空间科学、天文学、生命科学等多学科交叉融合，理解地球宜居性的过去、现在和未来，提出人类应对未来变化策略通过比较行星学认识类地行星多圈层系统动力过程，理解地球宜居性演化探索太阳系内外生命过程，理解人类起源、演化与未来研究思路深地过程与宜居地球深空深地深海地球系统三深一系统表层系统循环无法理解地球宜居性~30Ma大气CO2突然下降，但并未引起温度变化传统认知，地球的宜居性是表层系统的循环问题，相关研究十分深入；但遇到瓶颈，尚有很多未解之谜，难以突破内部循环表层循环全球温度基本不变大气CO2浓度从2000降至500地球是太阳系行星中充满生机、复杂多变星球地球深部过程—驱动地球运行的引擎依托于深地探测的前瞻科学研究宜居地球深部引擎深地探测带动资源革命及相关科学问题行星动力过程与宜居地球为认识宜居地球可持续性1.宜居地球深部引擎与“兄弟”行星相比较，地球内部动力过程活跃（外核对流、地幔柱、深部新化学反应等），同时具有板块俯冲作用和火山活动，维持元素在地球内部和表层系统的循环宜居非宜居活跃的内部是控制地球宜居性的关键要素碳氧水1%~0.1%<20%99%~99.9%>80%表层内部地球深部富含碳-氢-氧元素，可通过复杂的动力过程，参与深部与表层物质循环主要储存在地球深部碳-氢-氧-硫主要储存在地球深部水在核幔边界与铁反应，可释放氢气，储存氧>1800km，深部储氧释氢Fe+2H2O=FeO2+2H2<1800km，浅部释放氧气FeO2=FeO+O2

我国在深地过程与宜居地球方面取得重要突破Maoetal.,2017层圈相互作用对下地幔状态下未知物态的认识创新化学与地球科学理论人们所熟知的物理化学规律在深下地幔的温压条件下呈现出不同的表达，元素的性质和化学行为完全超出现有认知。例如，铁的性质类似镁，而氢的行为却像锂。当一个体系的两端处于不同的物理化学条件下，即能产生极端的势能差，从而为地球演化提供我们还未认知的动力引擎。 ——2019，深地双清论坛面对国内资源压力和严峻的国际形势，我们要前瞻布局，创新“资源形成与富集理论”。随着“深地探测”等国家专项对“国土资源家底”的深入了解，我们亟待布局研究新发现矿种形成的地质理论和深度利用这些新矿种的方法技术；油气向非常规、超深层和深海进军，多学科交叉融合，探索“原位改质”新理论新技术，力争引领未来化石能源革命。2.深地探测带动资源革命涉及的科学问题俯冲带工厂与金属成矿无人机航测与万米深钻地球上现有的近6000种矿物中2/3是在生命出现之后形成的；数量众多的新岩石类型的形成也与生物作用密切相关；生物与矿物互馈？Yes，机制？宜居地球与矿物形成互馈战略性大宗与稀有矿产资源形成机制与科学对策全球石油和天然气探明可采储量分别为2393亿吨和193.5万亿方，可满足人类50年以上的需求；微生物主导作用，无机过程扮演何种角色？化石能源与宜居地球演化纳米催化等新理论新技术能否将未成熟的低品位油气资源转化为轻质油?需要地球科学、材料科学、化学化工等多学科综合研究，“页岩油原位改质理论与技术”的突破，会使我国引领未来能源革命。这不仅是建设创新型国家的全球能源战略，而且可以从根本上解决我国能源需求与国防安全等重大战略问题。3.行星动力过程与宜居地球1、整合地球各子系统研究成果，揭示固体和流体地球间的相互作用规律，阐述宜居地球形成中深部过程的作用2、发展重建地球演化历史的综合模拟模式10、地球内部如何运行?11、地球人类在宇宙中是否独一无二?12、地球生命在何处产生、如何产生?13、什么决定了物种的多样性?表层系统深部过程内外系统联动各国高度关注，已分别开展了地球深部、宜居性的研究但尚未布局地球内外系统联系机制研究深海探测与行星宜居性深空深地深海地球系统三深一系统海洋是人类社会可持续发展的战略要地，围绕“深海进入，深海探测，深海开发”，我国正在或将要启动深海空间站，大洋钻探船，E级超算，透明海洋，深潜器等一批重大专项，将为我国在深海和极地领域抢战国际制高点提供支撑，也为我们认识深海以及经略深海提供战略机遇。透明海洋立体观测系统依托于深海探测的前瞻科学研究1.流固作用与海底过程2.边缘海形成演化过程3.深地生物圈为认识宜居地球可持续性1.流固作用与海底过程地球流体是血液--多圈层相互作用

是发展地球系统科学切入点大气圈水圈地球深部圈层生物圈地球系统流体流体流体地球、火星、金星：早期大气中都具有大量CO2；至今，火星上CO2占95%；金星上CO2占97%；地球CO2占0.04%板块构造，导致地表CO2总量的降低浅部碳循环不能降低地表碳总量CO2碳循环图大气中的二氧化碳板块俯冲对地表碳总量有重要影响Kelemen&Manning,2015,PNAS;VanDerMeer,2014,PNAS西太平洋边缘海系统MarianaTroughWoodLarkBasinLauBasin南老北新近老远新全球75%边缘海盆地集中在西太平洋2.边缘海形成演化过程南海在西太平洋边缘海特色鲜明，超级大洋俯冲带上方大陆裂解出新盆地；大西洋是超级大陆裂解产生大洋岩石圈更新完善板块构造理论引擎开关冰盖驱动与热带驱动高纬：海气交换向下的不稳定区低纬：海气交换向上的不稳定区大气海水

提出气候演变的“热带驱动”—挑战气候演变理论的传统认识科学与维权战略南中国海油气田分布图南海“仲裁”，国际上又从科学层面对我国发动攻势，企图以维护渔场和珊瑚礁生态环境为由，迫使我国就范“仲裁”结果，办法是将南沙划为“国际海洋和平公园”，禁止军事活动；中国今天在南海的地位很像19世纪美国在加勒比海所面临的形势，美西战争和巴拿马运河的开凿奠定了美国成为世界强国的基础；中国要在世界海上立足，必须在自己的后院—南海站住！加快推进“海上丝绸之路”建设3.深地生物圈陶春辉提供

过去~40年大洋地质研究最重要的认识之一是认识到生命不需要光合作用，水深几千米的洋底也有数不清生物的种属，依靠的化学合成

海底热液，特别是低温碱性热液甲烷的产生，为生命从无机物到有机提供了线索生命起源与适宜--地球科学家、化学家、生物学家合作，深入研究泥火山(蛇纹石化)过程中甲烷和各种蛋白质物质的成因，或许有助于我们破解地球生命起源与适宜更重要的是研究行星的宜居性，从地球行星系统角度研究生物灭绝与繁盛，这对认识宜居地球过去、现在与未来，以及人类如何移居其他星球是非常重要的圈层动力过程与宜居地球生命过程深空深地深海地球系统三深一系统2015年，联合国可持续发展峰会发布《2030年可持续发展议程》，制定了17项目标，据2018年报告，依当前进展难以实现2030年的目标，科技支撑不够地球进入了“人类世”阶段，人-地系统耦合成为实现可持续发展的重要途径国际前沿：实现可持续发展目标面临挑战地球健康的血液--流体循环大气圈水圈地球深部圈层生物圈地球系统流体流体流体地球健康(Geo-Health)与生命宜居地球健康(GeoHealth)可以被描述为将地球不同圈层物质能量循环对人类宜居的影响，它正在成为一门独立学科从汤加火山喷发说起2022月1月15日，汤加海底火山爆发;新浪微博点击超50亿次高度>58km,直径~450km29亿吨喷出物，40万次闪电1000万吨TNT,500多颗广岛原子弹熔岩流、火山灰、毒气体、泥石流酸雨、地震、海啸，无夏之年人类有史以来从太空观察到的最剧烈的火山喷发之一火山喷发带来一系列自然灾害汤加火山展示了由地球血液对地球健康的重大影响美国GOES-West卫星2022：汤加-城镇被夷为平地我国长白山火山历史上多次喷发13.7-12.5万年，VEI>7.0～5万年,天文峰期喷发，VEI=7.0～8200年，气象站喷发，VEI=4.0946-947AD，千年大喷发，VEI=6-7岩浆储库数千km3—再喷发可能大天池储水20亿吨—岩浆+水日本学者预测2032年喷发火山爆发指数VEI（VolcanoExplosiveIndex）大于7属于超级火山直径8-14km高3千米岩浆房长白山火山活动贯穿了地球的演化历史超级火山喷发往往具有全球效应释放能量>6.2万颗广岛原子弹,气温平均下降3℃，1816无夏之年,~60000人丧生多巴7.4万年前VEI8.8汤加2022.1.15VEI5~6拉加里塔2800万年前VEI>8.8释放能量>12万MTTNT喷出物3200立方千米释放能量>25万MTTNT喷出物5000立方千米坦博拉公元1815年VEI7坦博拉人类历史记载史前时期长白山公元946年VEI6~7深时(地史)时期第二次世界大战消耗总弹药：2-3MT人类历史所有战争消耗弹药：10MT洋中脊海底生物的食物链源是由地球内部供应的火山能，而不是太阳能。火山活动与地球宜居环境火山喷发→全球变暖+酸雨→风化增强→输送至海洋→海洋酸化-缺氧→海洋生态系统崩溃大陆溢流玄武岩的年龄生命大灭绝的时间人类面临的挑战：地球健康与生命宜居如何协同演化？丹麦皇家医生史丹诺（1638-1686），业余爱好地质考察，他撰写的《天然固体中的坚质体》一文应用至今，他也