地球系統(tǒng)科學(xué)研究進(jìn)展

趙璐

摘要：地球系統(tǒng)科學(xué)是全球變化的基礎(chǔ)理論，是研究地球系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)、特征、功能和行為的科學(xué)。本文介紹了地球系統(tǒng)科學(xué)的定義、研究對(duì)象和研究方法，概括了地球系統(tǒng)科學(xué)的由來(lái)和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，最后簡(jiǎn)述了未來(lái)中國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：地球系統(tǒng)科學(xué)；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

地球是人類(lèi)賴(lài)以生存與發(fā)展的物質(zhì)源泉和環(huán)境，人類(lèi)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和技術(shù)活動(dòng)卻對(duì)全球變化產(chǎn)生了明顯的影響。當(dāng)前，人口爆炸、土地荒漠化、自然資源短缺、環(huán)境污染加劇、“溫室效應(yīng)”與全球變暖、臭氧層的破壞、森林銳減和物種加速滅絕等全球問(wèn)題，不僅引起各國(guó)政府的密切關(guān)注，也是當(dāng)代自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)交叉的熱點(diǎn)，更是地球科學(xué)的前沿科學(xué)問(wèn)題。

一、地球系統(tǒng)科學(xué)概念

地球系統(tǒng)科學(xué)是20世紀(jì)80年代初困際科學(xué)界為迎接全球環(huán)境變化的挑戰(zhàn)而提出的一門(mén)全新的集成科學(xué)。

（1）廣義概念：地球系統(tǒng)科學(xué)是為了解釋地球動(dòng)力、地球演化和全球變化，對(duì)組成地球系統(tǒng)各部分、各圈層相互作用機(jī)制進(jìn)行綜合研究的一門(mén)科學(xué)。地球系統(tǒng)是由地核、地幔、巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈相互作用而組成的統(tǒng)一體。

（2）狹義概念：地球系統(tǒng)科學(xué)跨越一系列自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)，把地球看成一個(gè)由相互作用的地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈、智慧圈和行星系統(tǒng)等組成部分構(gòu)成的統(tǒng)一系統(tǒng)。

二、地球系統(tǒng)科學(xué)的研究對(duì)象

全球變化是地球系統(tǒng)科學(xué)的研究對(duì)象，從譜分析的角度看，發(fā)生在地球系統(tǒng)中的各種變化具有很寬的時(shí)間和空間尺度譜，包括從微米到行星軌道的空間尺度和從毫秒到數(shù)十億年的時(shí)間尺度上的物理、化學(xué)、生物過(guò)程及其相互作用。具體來(lái)說(shuō)，在空間尺度上，地球系統(tǒng)科學(xué)將所關(guān)注的變化定位是從地核、地幔對(duì)流、巖石圈運(yùn)動(dòng)、大氣圈、水圈和生物圈到行星太空；在時(shí)間尺度上，將全球變化的主要時(shí)間尺度用5個(gè)時(shí)段來(lái)定義：幾百萬(wàn)年至幾十億年、幾千年至幾十萬(wàn)年、幾十年至幾百年、幾天至幾個(gè)季度、幾秒至幾個(gè)小時(shí)。其中，幾十年到幾百年時(shí)間尺度的全球變化問(wèn)題是當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)所重點(diǎn)關(guān)注的。

三、地球系統(tǒng)科學(xué)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)

地球系統(tǒng)科學(xué)是一個(gè)比較新的名詞，它脫胎于氣候系統(tǒng)研究。20世紀(jì)80年代中期，科學(xué)家才普遍認(rèn)識(shí)到必須把地球作為一個(gè)由相互作用著的各個(gè)組元或子系統(tǒng)組成的統(tǒng)一系統(tǒng)，即地球系統(tǒng)來(lái)研究。在這種形勢(shì)下，代表人物有：G.Garland，他首先提出了物理過(guò)程與生物過(guò)程相互作用的觀點(diǎn)；Herbert File提出了“地球系統(tǒng)”的思想；F.P.Bretherton于1987年對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)作了簡(jiǎn)略說(shuō)明，1986年出版了《地球系統(tǒng)科學(xué)概觀》。美國(guó)國(guó)家航空與宇航管理局顧問(wèn)理事會(huì)于1983年在主席Bretherton博士的領(lǐng)導(dǎo)下，集中了一大批國(guó)際知名科學(xué)家，詳細(xì)評(píng)述了地學(xué)、生物學(xué)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，并于1987年出版了《地球系統(tǒng)科學(xué)》報(bào)告。一些發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、英國(guó)和日本等）紛紛制定了90年代固體地球科學(xué)發(fā)展計(jì)劃，其優(yōu)先方向和開(kāi)拓領(lǐng)域主要圍繞地球各層圈相互作用這一核心前沿以及全球變化、巖石圈和地球深部?jī)?nèi)層三大研究主題展開(kāi)。最近，德國(guó)聯(lián)邦政府教育與研究部與德國(guó)科學(xué)基金會(huì)共同策劃制定了未來(lái)15年（2000～2015年）的超大型研究計(jì)劃《地球工程學(xué)一地球系統(tǒng)：從過(guò)程認(rèn)識(shí)到地球管理》。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)80年代末期開(kāi)展了這方面的研究。氣象學(xué)家葉篤正院士等以地球系統(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。遙感地理學(xué)家陳述彭院士發(fā)表了以區(qū)域持續(xù)發(fā)展為宏觀調(diào)控的地球系統(tǒng)科學(xué)與地球信息科學(xué)的文章。2001年11月，遙感學(xué)家童慶禧院士，以地球表層系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合地球系統(tǒng)科學(xué)、空間信息技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)等，主編了《地球空間信息科學(xué)》一書(shū)。

遙感科學(xué)家畢思文自1991年以來(lái)，從事地球系統(tǒng)科學(xué)理論探索研究，討論了地球系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究的意義及其內(nèi)涵，并將兩者融為一體進(jìn)行系統(tǒng)研究，初步構(gòu)建了理論體系。地球化學(xué)家於崇文院士1998年發(fā)表了固體地球系統(tǒng)的復(fù)雜性與自組織臨界性的文章；還有一些專(zhuān)家、學(xué)者發(fā)表了有關(guān)地球系統(tǒng)科學(xué)方面的論文和報(bào)道。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)地學(xué)部在上述國(guó)內(nèi)外地球系統(tǒng)科學(xué)大量研究工作的基礎(chǔ)上，于2002年3月提出了21世紀(jì)初地球科學(xué)戰(zhàn)略重點(diǎn)“十五”優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略目標(biāo)是以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線(xiàn)，從我國(guó)具有優(yōu)勢(shì)的前沿領(lǐng)域?qū)ふ抑鞴ツ繕?biāo)，重點(diǎn)研究地球環(huán)境、資源以及人與自然作用的耦合，在各種時(shí)空尺度規(guī)模中研究地球系統(tǒng)的整體行為及其演變，將為我國(guó)資源、環(huán)境、災(zāi)害與可持續(xù)發(fā)展中的重大問(wèn)題的解決提供科學(xué)與技術(shù)的有力支持，有助于發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)的理論、方法與技術(shù)體系。

四、結(jié)語(yǔ)

地球系統(tǒng)演化的最終行為是由不同時(shí)間和空間尺度變化過(guò)程的疊加所決定的。地球系統(tǒng)科學(xué)是研究行星尺度的地球科學(xué)，是超出原有的學(xué)科界限的多種學(xué)科相互交叉滲透的地球科學(xué)，其目的是揭示全球變化的規(guī)律。這個(gè)關(guān)系到人類(lèi)未來(lái)社會(huì)生存條件變化的重大綜合研究，代表了一個(gè)最富活力的科學(xué)發(fā)展方向，并將成為21世紀(jì)地球科學(xué)發(fā)展的主旋律。