对地球系统科学的几点认识

人口增长与经济发展使世界面临环境和资源问题的巨大压力,如何建设一个富裕、健康、安全而可持续发展的社会,不仅引起各国政府的密切关注,也是当代自然科学和社会科学交叉的热点,更是地球科学的前沿科学问题。近20年来,国内外地球科学领域众多科学家广泛投入了由国际地圈生物圈计划     

浅谈固体地球科学与地球系统科学

地球科学在20世纪的诸多进展中,对后来科学发展具有深远影响的基本认识之一是地球演化的行为具有整体性,其不同的圈层确实通过多种途径相互作用,且人类活动已成为地球演化的重要营力之一。这些认识导致地球系统科学思想的产生和发展,并使不同圈层相互作用的过程和机理、人与环境的相互作用研究成为21世纪基础科学研究的前沿。地球系统科学强调地球不同圈层、不同单元相互作用的整体性和关联性,因而科学研究必须从"整体地球系统"的视野出发,但研究过程又必须从关键区域入手。我国是地球系统科学研究的关键地区之一,未来研究应立足地域优势和特色,攻克全球性重大科学问题,解决社会对地球科学的知识需求。     

美国地球系统科学教育概况及对我国地球科学教育的启示

近年来，地球系统科学的概念在地球科学界越来越成为最受关注的话题。许多国家的地球科学战略及与地球科学领域的国际研究计划中，都引入了地球系统科学的观念。地球系统科学的出现源自于人类活动对全球变化影响的显著增强和地球监测能力的迅速提高。在地球科学各分支学科研究的基础上，地球系统科学可以使人们更深入地理解控制地球过去、现在和未来状态的物理、化学和生物相互作用。     

流体地球科学与地球系统科学

近年来,地球系统科学逐渐成为地球科学的新趋势,但固体地球科学尚难于融入其中。其根本原因在于地球系统科学属于系统科学或复杂科学的组成部分,而固体地球科学其本质上属于理想科学的范畴,以研究线性地球过程为主,或者以理想科学的手法研究非线性地球过程。流体地球科学不仅研究地球的流体系统,也研究流体系统与固体系统的强和弱相互作用,是固体地球科学融入地球系统科学的唯一途径。     

我国的地球系统科学研究向何处去

近15年来,全球变化与地球系统科学研究在中国广泛开展,我国科学家越来越积极地参加各项国际计划。当前,一些重大的国际计划正在进入其新阶段（如IGBP-II,IODP）,恰好我国也正在制定科技发展中长期规划,迫切需要回顾我国地球系统科学的现状并探讨其今后方向。尽管中国作者的国际论文数量在增长,我国地球系统科学落后于国际的差距仍有拉大的趋势：国际前沿的许多热点问题,在中国尚未提上日程;中国学者在国际计划中早期多有贡献,但在项目总结中却很少有份。为此,提出 3点建议：（1）中国地球科学家应当扩大视野、立足本国、面向全球;（2）应当注意国际前沿动向,促进地学与生命科学在分子水平上的结合;（3）中国的地球科学,应当从以描述为主向探索理的方向发展。我们不应当满足于向国际学术界输出"原料",而要积极参加地球系统科学中关键问题的理论探讨。     

Gaia理论与地球系统科学

本文简要介绍了Gaia理论的提出背景、科学内涵,及其最初验证模型———雏菊世界。Gaia理论将地球与生物当作一个可以自我调节的整体,强调生物圈对全球环境的调节作用。在此基础上,文章着重分析Gaia理论在全球变化、地质事件、生物进化研究中的应用,指出在进行地球系统科学研究过程中,应以Gaia理论为指导,不能把生物仅仅作为环境的附属产品,而片面强调环境对生物进化的制约。同时也要认清生物在自身进化的同时,也积极地调节着全球环境,使之更有利于生物进化。生物圈是地球具有生命的直观体现,同时也是联系地球各圈层的关键环节。正确认识生物圈对于全球环境演化的调节作用,不仅帮助我们认识地球系统的全貌,更可以推动地学研究深入发展,对全面研究全球变化有积极意义。Gaia理论正处于发展期,理论需要进一步发展与完善,在实际应用中,应该对现有的学科进行更为广泛的综合。我国地学工作者应该抓住这一科学方向,为地球系统科学理论做出应有的贡献。     

从地球过程到人地和谐--关于地球系统研究科学战略的思考

较为详尽分析了地球系统科学的由来与发展、我国地球系统科学研究所面临的机遇与挑战,阐明了我国开展地球系统科学研究的基本思路,从而提出8个战略重点：区域气候环境系统变化与适应;水系统、水循环与水安全;生态系统与全球碳循环;人类活动与地球表层系统;地球内部动力学与地球系统演化;地球灾变事件与生命过程;地球观测系统与地球系统模拟以及耦合过程动力学、响应动力学、适应和预测理论。     

走向地球系统科学的必由之路

2003年9月30日,大洋钻探计划将宣告结束。在这历史性的时刻,我们一方面赞颂这项空前规模的国际合作,19年来不断创新的辉煌历程;另一方面也为我国地学界感到庆幸,我们赶在世纪帷幕落下之前,进入了深海研究的科学前沿。国际深海科学钻探至今35年(DSDP,1968—1983;ODP,1985—2003),如果要用一句话来概括其科学贡献,那就是推动地球科学进入了“地球系统科学”,或者说“地球系统演化”的新阶段。确实,地球表面60%是超过2000m的深海,缺了深海不可能得到全球概念。深海沉积中堆积的海洋浮游生物,集四大圈层的信息于一身,也为研究过去的全球…     

地球系统科学——21世纪地球科学前沿与可持续发展战略科学基础

首先,从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化、地球系统科学与传统地球科学和国内外研究现状4个方面介绍了地球系统科学提出的背景,阐述了地球系统科学的七大特征和六大趋向。其次,详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法,主要内容有研究思路、基本概念、地球系统过程和地球系统科学的方法论。第三,构建了地球系统科学理论基础,主要内容包括：地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统。第四,重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学效应。最后,概述了地球系统的数字表达——数字地球和地球系统科学是可持续发展战略的科学基础。     

地球系统科学时代的湖泊科学

湖泊科学是地球系统科学的一个分支,对应传统的湖沼学,其概念内涵已经发生了巨大变化,并且深深地刻上了"流域"与"生态系统"的印记。本文系统梳理了地球系统科学框架下湖泊科学的研究特点、学科体系、发展现状以及研究热点,并结合文献计量手段,对近50年来湖泊科学的总体情况、研究主题以及学科发展未来态势进行了定性与定量分析。研究表明,湖泊科学是一门古老而年轻的综合性学科,发展态势良好,其学科体系目前正处于不断的发展完善之中;建立从"湖泊水体"到"湖泊流域系统"再到"自然-社会综合系统"的湖泊科学研究发展新思路,实现从湖泊专门研究层面向复杂系统层面延伸。我国的湖泊科学研究发展迅速但仍处于起步阶段,在理论和方法上亟待原始创新,形成具有自身特色的、系统的、综合的研究体系和完善而实用的学科服务功能。

     

黄土与地球系统——李希霍芬对黄土研究的贡献及对地球系统科学研究的现实意义

李希霍芬是19世纪德国著名的地质学家,对欧洲和中国黄土的研究工作,以及后来的黄土研究有着深刻影响,其学术思想在地球系统科学研究的时代依然有重要的现实意义。文章简要回顾了李希霍芬对黄土研究的贡献,并探讨这些贡献与黄土研究在地球系统科学研究中的现实意义。从李希霍芬时代到今天,黄土作为全球宝贵的地球系统演化的历史记录,在揭示地球岩石圈、水圈、大气圈、冰冻圈、生物圈及宇宙事件对地球系统的影响发挥了重要作用,并在未来地球系统科学研究时代有旺盛的生命力。     

浅议学科交叉与地球系统科学

以整体系统的观念认识地球 ,强化学科间的交叉与渗透 ,是 2 1世纪初地球科学发展的主题。各国都十分重视推动学科交叉研究 ,并将学科交叉分为Modidisciplinary、Interdisciplinary、Transdiscipli nary三个层次。地球系统科学的两大前沿为“地球系统的联系”和“地球系统的演化” ,2 1世纪地球科学的突破在于地球系统变化理论的形成。笔者指出 :目前 ,我们的观念还跟不上地球科学的发展 ,尤其是“学科交叉”的理念不强 ,缺乏地球系统科学的思维 ,但我们有开展地球系统科学研究的有利条件     

从地球系统科学角度浅析中国地貌若干问题研究的新进展

以地球系统中各圈层的相互作用为主线,分析总结了我国沙漠地貌过程、流水地貌过程、冰川地貌过程及风沙地貌过程等领域研究的部分进展。由于我国沙漠地理位置的特殊性,其形成和演变与岩石圈构造变动即青藏高原隆升有着紧密的联系,所以,对我国沙漠形成、演变的研究能为探讨青藏高原隆升历史提供重要佐证。近30年来,有关我国沙漠形成时代的认识更新较快。新的沉积记录显示,我国西北地区的沙漠在中新世时就已经出现了,但沙漠沙丘大规模扩展可能是在中更新世才开始的。既使在晚更新世以来,我国沙漠地区的气候也有过明显波动、沙漠地貌的特征也发生过显著变化。沙漠通过为沙尘暴提供物源,对全球变化产生驱动作用。从地表过程来看,风沙地貌的形成演变不仅受风力作用,而且受流水、湖泊等多种地貌动力过程的影响,地貌类型是各种动力过程共同作用的缩影。古冰川地貌曾是最早发现的第四纪气候变化的证据。随着新的测年技术的出现,学术界对我国第四纪古冰川地貌演化过程有了较系统、全面的认识。流水地貌过程应该是地球上作用区域最广的一种地貌动力过程,对流水地貌过程的认识目前正在向微观和宏观深入。     

地球系统科学的发展与展望

简要回顾了地球系统科学从20世纪80年代作为人类迎接全球环境问题的挑战而提出的集成研究方法、到逐步成长为一门新兴学科的发展历程，系统阐述了地球系统科学的研究目标、研究对象、研究方法及所关注的科学问题。地球系统科学是一门连接地球科学、生命科学、计算机和对地观测技术以及其它相关科学的一门新兴的交叉学科。由于它所针对的特定的全球性环境问题，关系到社会的可持续发展和人类的切身利益，因此，它也是一门有极强生命力的科学。     

地球系统科学与成矿学研究

在简述地球系统科学的基础上 ,文中提出了由地球系统科学引发的成矿学研究 3个观点 :(1 )成矿系统是一个特色的地质系统 ;(2 )成矿系统与其它系统的关联 ;(3)地质突发事件具有灾害和资源的两重性。针对地球系统科学要求和矿床学学科发展进程 ,提出了 5个亟待加强的研究领域或课题 :(1 )深部过程、浅表环境与成矿系统 ;(2 )重大事件与成矿 ;(3)生命活动与成矿 ;(4 )物理成矿作用和(5 )海洋成矿作用。在结语中 ,作者强调要从地球系统的大背景来研究成矿环境、成矿过程和成矿动力学 ,也即将传统的矿床成因研究提高到地球系统科学的层次 ,为矿床学的发展提供新的广阔的理论基础。     

黄土沉积与地球圈层相互作用

黄土是地球上分布最为广泛的沉积物之一,黄土的分布区也是旱作农业起源地和古文明的发祥地,养育了地球上数以亿计的人口。作为一种风力搬运的沉积物,黄土也是古气候变化的重要信息载体。长期以来,中外科学家已经对黄土的物理学、地球化学、沉积学、古气候学等开展了多学科的综合研究,取得了瞩目的成就。本文旨在从地球系统科学角度出发,将黄土物质的产生、搬运、堆积及沉积后的成土过程与地球岩石圈、水圈（包括冰冻圈）、大气圈、生物圈的演化联系起来,将黄土作为一个窗口,揭示出看似单一的地质事件（黄土沉积）与地球圈层相互作用之间的内在关联。

     

地球系统科学发展方向与趋势

首先从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化和地球系统科学与传统地球科学三个方面介绍了地球系统科学提出的背景;在此基础上,阐述了地球系统科学国内外研究现状;然后详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法,主要内容有研究思路、基本概念、地球系统过程、全球一区域信息获取、海量信息处理和分析及系统模型等;第三构建了地球系统科学理论基础,主要内容包括:地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统;然后重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学模型与效应;第四,概述了地球系统的数字表达——数字地球和地球系统科学是可持续发展战略科学基础。最后,简述了中国开展地球系统科学研究的方向和面临的主要科学问题。     

NASA地球科学事业（ESE）计划中的科学问题

作为NASA地球科学事业（ESE）分计划之一的ESE研究战略，在未来10年中，将主要关注以下 5个科学问题：①全球地球系统是怎样变化的？②地球系统的主要驱动力是什么？③地球系统如何响应自然和人为引起的变化？④地球系统的变化对人类文明造成的后果是什么？⑤如何更好地预测地球系统未来的变化？这 5个问题都是大范围的跨学科问题，涉及到地球系统科学的各个方面。在这 5个大的科学问题之下，又具体细化为23个二级问题，并对这些问题 进行了极其详尽的讨论。