地球系统

地球系统科学的兴起与发展

当代地球科学的任务是通过对地球系统(包括大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、近地空间及人类活动)的过程、各子系统之间的相互作用及其演化等方面的研究，以提高对地球的认识水平，从而利用认知地球的知识为解决人类生存与可持续发展的资源供给、环境优化、减轻灾害等重大问题提供科学与技术的支持。　　自20世纪80年代以来，地球科学开始进入一个新的发展时期。随着人类社会谋求可持续发展的意愿不断加强，地球科学的研究需要回答诸如地球资源还能支持人类社会发展多久，人类生存环境对人类自身发展的极限承载力，全球环境在人类活动扰动下的变化趋势，以及如何规范人类活动以达到人与自然协调发展等问题。回答这些问题，需要把地球的大气圈、水圈(含冰雪圈)、生物圈、岩石圈、地幔和地核以及近地空间视作密切联系的整体，并关注人类活动的影响，理解它们相互作用的过程和机理。因而，研究地球系统发展地球系统科学逐渐成为引领21世纪地球科学发展的方向。　　地球系统科学的出现，缘于对地观测系统、地球模拟系统的快速发展以及地球科学各分支学科的成熟，特别得益于许多新兴的交叉学科领域。例如，包括生物地球化学、生物物理学及行星生态系统科学在内的生物地球科学(Biogeoscience)的出现，使无机界与有机界在原子尺度到全球尺度上建立了跨越圈层的联系；包括古海洋学、古地理学、古生态学等在内的“古科学(Paleoscience)”或“古研究(Paleore~areh)”(Alversion，2002)的科学进展，为联系地球系统的现代监测结果与地球系统的真实历史记录建立了跨越时间尺度的桥梁。　　近20年来，国内外地球科学领域众多科学家广泛参与了国际地圈生物圈计划(1GBP)、世界气候研究计划(WCRP)、国际全球环境变化人文因素计划(ⅡHDP)、生物多样性计划(DI-VERSITAS)以及大洋钻探计划—综合大洋钻探计划(ODP—IODP)等大型研究计划，开展全球环境变化研究。深入的研究工作使大家愈来愈认识到地球上的大气、水、生物、岩石、地幔和地核等各个组成部分是一个具有密切联系且相互作用着的整体，不了解地球的整体行为难以全面深入理解局部变化。由此提出了整体地球系统(IntegratedEarth System)的概念，以及以“地球系统”为研究对象，研究其整体的结构、特征、功能和行为的一门全新的地球系统科学。显然，现有地球科学各个分支学科都是地球系统科学的重要基础，地球系统科学将在融合并集成各个分支学科的基础上，采用复杂系统科学理论和方法以及现代高新技术手段，创建新的地球系统科学体系(周秀骥，2004)。 ‘　　因此，我们有必要对地球系统科学的发展历程、研究内涵和未来前景进行简要的分析，以期在国际地球系统研究走向新高点的今天，洞悉现状，把握方向，发挥学术资源优势，使我国地球科学在解决人类社会可持续发展所面临的重大科学问题中，有所裨益，腾飞有日。

地球系统科学产生的背景与发展过程

众所周知，地球科学的发展得益于为人类谋求实际利益和将地球作为行星来认识这两个主要因素。为人类谋求实际利益是科学发展的根本动力和普适规律，已为人们所普遍接受。地球科学从微观和宏观两个角度研究自然现象，并从微观与宏观的内在联系认识地球过程。一方面随着基础科学和技术科学成果的不断引进吸收，推动了地球科学研究的不断深化，使人们能够更精细地观察微观世界和微观过程。另一方面人们从宏观的角度认识地球，导致了科学范式的变革，推进了地球科学的发展。在其发展的历史长河中，经历了从感知到认知、从定性到定量的漫长过程。　　20世纪80年代诞生的地球系统科学，同样是人类社会需求和科学发展规律所驱动，基于资源、环境、生态、灾害等一系列全球性环境问题威胁着人类的生存与发展，而引起人们的普遍重视；基于传统学科技术的突飞猛进，使人们不仅渴望获得更多有关地球的知识，而且对地球各组成部分之间的全球联系得到了共识；基于现代技术特别是空间对地观测技术和计算机技术的迅猛发展，使人类有可能从空间对地球进行整体观测，并促进了关于这个星球上人们具有共同命运这一新意识的形成。在这样的时代背景下，一个关于地球的新的概念——“地球系统”，及其研究的新理念——“地球系统科学”应运而生。

地球系统科学的内涵

地球是一个由大气圈、水圈(含冰雪圈)、岩石圈、生物圈和日地空间组成的复杂系统，是一个所有的组成要素处在相互作用之中的动态系统，而引发地球系统变化的驱动力，来自于地球内部、太阳辐射和人类活动。在上述驱动力作用下，其中某一成分的变化都会引起其它成分的响应，某一成分的变化往往又是其它成分共同作用的结果。比如，来自地球内部变化驱动的火山爆发，喷出的尘埃和气体进入大气层，对太阳辐射起到了遮蔽作用；来自于人类的作用包括毁林、化石燃料燃烧引起的碳释放、农业发展带来的甲烷与土壤粉化等增强了温地球系统科学发展战略研究室效应；由于各种化学工业生产活动而引起的臭氧耗减；以及大气水汽和云这样的内在因子变化所产生的反馈都影响着气候的变化——表现为短期和长期变化以及不同的区域性和全球影响。由此可见，认识气候变化必须将其置于陆地表面、大气层、海洋和冰盖以及地球内部相互作用的背景下，通过观测获取海量的数据进行研究与模拟。 ·　　这种将地球视为一个整体的研究方法，首先需要描述作用于地球系统的力及其响应，第二是关注地球系统内部，以了解其内部变化的原因——构成系统的各部分之间复杂的相互作用。事实上，地球系统各圈层本来就是有机结合的整体，任一圈层过程都在不同程度上与其它圈层不同时空尺度过程存在着相互影响和制约；任一圈层的结构、功能和行为都是地球系统在局部的反映；圈层行为的耦合产生了系统的新行为。由此可见，地球系统整体观是一次质的飞跃，完全不同于各个圈层的行为的叠加，系统整体不等于部份之代数和。因此，必须从复杂系统的科学理论出发，在综合分析的高度上，研究地球系统在驱动力作用下演变的整体行为的规律和机制。

研究目标

地球系统科学的目标，是在地球系统这一动力框架下，描述和认识控制地球系统的关键的、相互作用的物理、化学和生物学过程；描述和认识生命支持系统——无生命的地球环境；描述和认识人类活动诱发的重大全球变化。上述目标的实现，从根本上回答了地球是怎样运行的，怎样演化的，它的未来如何等基本科学问题。同时，也有助于认识全球环境变化的发生、演化过程和控制机理，为人类合理利用地球资源和保护地球环境提供支持。

研究对象

如上所述，地球系统及其变化是地球系统科学的研究对象，但从谱分析的角度看，发生在地球系统中的各种变化具有很宽的时间和空间尺度谱，包括从微米到行星轨道的空间尺度、从毫秒到数十亿年的时间尺度上的物理、化学、生物过程及其相互作用。地球系统科学用尺度分析的方法和约定来确定研究对象，形成了与地球科学互相配合、明确分工的格局。当代地球科学的研究进展表明，只有那些具有行星尺度的变化反映了地球系统各组成部分之间的相互作用和反馈，而任何时间尺度的变化都包含了各种时间尺度上发生的地球系统过程的相互作用。因此，在空间尺度上，地球系统科学将所关注的变化定位在那些具有行星尺度(相当于地球半径)的变化上。在时间尺度上，将地球系统变化的主要时间尺度用5个时段来定义：几百万年至几十亿年、几千年至几十万年、几十年至几百年、几天至几个季度、几秒至几小时。其中，前两个时段是传统的固体地球科学研究的对象，后两个时段是大气科学、生物科学和海洋科学涉猎的范围，而中间这个时段(几十年到几百年时间尺度)的全球过程正是当前人类面临的最大挑战，对于人类社会的利害关系和发展规划尤为重要，目前的研究基本上处于空白状态。因此，地球系统科学首先要迎接这一挑战，要融合固体地球科学、大气科学、海洋科学以及生物科学的知识，从本质上去认识十至百年尺度的全球性过程。

研究方法

地球系统科学的研究方法是对地球系统过程进行观测、理解、模拟和预测。将地球系统的变化用一些基本变量来描述，并通过全球范围的长期、持续、同步的观测(卫星和地面观测)，以建立全球变量信息库来实现。地球系统科学尤其重视开展过程研究，以加深对全球环境变化的认识和理解，在此基础上建立地球系统概念模型和动力学模式，进行数值模拟；然后应用重建的过去环境记录检验模式检验，最后对地球系统状态变量的变化趋势、变化范围作统计性预测。

地球系统科学的发展与展望

研究进展

20世纪80年代，地球系统科学作为研究全球变化的新方法展现在国际舞台上，20多年来取得了以下重大进展(SteffenW·，TysonP，2002)：　　1．地球是一个可以借助生命进行控制的系统，该系统中生物过程与物理、化学过程强烈相互作用，创造了地球环境。生物在维系人类栖息环境中扮演了一个比以前所认识到的更为重要的角色。　　2．除气候变化外，全球变化还包括了其它的重大变化。人类活动正以多种方式强烈地影响地球的运行，人类活动诱发的变化超过了自然变率，其范围和影响可与许多大的自然威胁相提并论。　　3．人类活动驱动着多重相互作用，并以复杂的方式通过地球系统产生级联效应。全球变化不能理解为简单的因果关系，人类活动的级联效应之间相互影响是复杂的，局地和区域尺度的变化是以多维方式相互作用。　　4．地球的动力学具有临界阈值和突变特征，人类活动可在无意间触发一些变化，给地球系统带来灾难性后果。过去50万年，地球系统以不同的准稳态方式运行，在其间产生突变，或以突变方式从一种稳态向另一种稳态过渡。人类活动具有明显的使地球系统从一种运行状态向另一种运行状态转换的潜力，而这种转换也许是不可逆转的。　　5．目前地球正以前所未有的状态运行。就某些关键环境参数而言，地球系统近期已远远超过了至少过去50万年自然变率的范围，地球系统正在发生的这些变化的特征、幅度大小和变化速率是前所未有的。

内涵的拓展

　　经过20多年的发展，地球系统科学得到了较大的拓展，主要体现在以下几个方面：　　1．在驱动力和扰动因子方面，从最初重视人类活动对全球变化的影响方式到“人类世”(TheAnthropoeeneEra)概念的提出，反映了地球系统科学对人类在全球环境中的作用认识的深化。地球系统科学从提出的那天起就非常重视人类活动在全球环境变化中的作用，并把它作为第三驱动力，但是，用“人类世”来确立人类活动在全球变化中的地位和作用，则是全球科学家经过10多年的艰苦努力，在大量新的科学事实的基础上得出的共同结论。　　2．在过程研究方面，从重视物理、化学和生物过程等3个基本过程及其相互作用研究，到更重视生物的作用和发生在各圈层界面上的过程研究地球系统科学发展战略研究　　3．在概念拓展上，由于地球系统科学是在全球环境变化研究过程中发展的，因而近年来不少人又把它叫做全球变化科学。更为重要的是，1992年里约联合国环境和发展大会(UNCED)以后，可持续发展问题已成为人类社会发展的战略目标。因此，1997年IGBP出版的第一本IGBPBookSeries(Smith，T．M·，Shugart，H．H．&Woodward，F．Ⅱ·，1997)中明确提出“可持续发展与全球变化是人类面临的挑战”，2001年正式诞生了“全球可持续性科学”的概念(陈宜瑜、陈泮勤和葛全胜，2002)。尽管全球可持续性科学概念的内涵还有待进一步完善和发展，但它毕竟是在全球环境变化研究和可持续发展战略互动下诞生的，也可以看成是对地球系统科学内涵的丰富和拓展。　　4．在观测系统方面，20世纪80年代地球系统科学从对全球变量进行长期监测的角度出发提出要建立观测平台。20世纪80—90年代观测平台的重点包括地球观测系统(EOS)、地球系统探测器、高级地球同步平台和其它观测平台，其主要特征是一个以空基观测为主的对地观测系统。随着全球环境变化计划的实施，正在规划和建立以地基观测为主的全球气候观测系统(GCOS)、全球陆地观测系统(GTOS)、全球海洋观测系统(GOOS)。进而构成了为地球系统科学服务的全球立体观测系统。　　5．建立了地球系统科学的合作伙伴与研究网络，为强化对全球环境变化的综合研究，由ICSU发起的全球环境变化(GEC)计划的4大研究计划——世界气候研究计划、国际地圈生物圈计划、国际全球环境变化人文因素计划和生物多样性计划——联合成立了“地球系统科学联盟”(ESSP)。由国际全球环境变化研究的四大计划和各国、各地区支持的全球环境变化研究计划及科研团体构成了地球系统科学的研究网络。

前沿科学问题

地球系统科学从最初关注的物理气候系统、生物地球化学循环以及它们之间的相互作用所提出的科学问题出发，经过全球变化的研究实践，将科学问题细化，并归纳为分析、方法、标准和战略四大问题(1GBPScience4，2001)。　　1．分析方面的问题：地球系统的临界阈值、瓶颈和转换开关是什么?主要动力学格局、遥相关、反馈链是什么?地球自然变率的特征状态与时间尺度是什么?在地球系统层次，有哪些重要的人为干扰?它们与突发的极端事件如何相互作用?哪些是全球环境变化最为脆弱的地区?　　2．方法学问题：构建地球系统图像的原则是什么?所要求的复杂程度和分辨率是什么?生产、处理、集成与地球系统有关的数据集的最优全球战略是什么?分析、预测无规律事件的最佳技术是什么?综合自然、社会科学范例、研究方法和知识的最为恰当的方法学是什么?　　3．标准问题：区分不可持续与可持续未来的一般标准和原则是什么?在不同假设和评估下，地球的人类承载力是什么?什么样的自然和人为过程最可能限制或危及这些目标的实现?能被人类活动触发但应该避免地球系统状态的潜在变化是什么?支配全球环境响应战略的公平原则是什么?　　4．战略问题：全球环境变化响应的最佳适应与减缓措施是什么?地表自然保护区与人工管理区的最佳划分是什么?用于技术修复，如地学工程和遗传改变的知识水平、价值/文化基础、选择和告诫?一个可以实施的有效的全球环境与开发体系的结构是什么?

地球系统科学联盟联合研究计划