地球系統

地球系統指由大氣圈、水圈、陸圈(岩石圈、地幔、地核)和生物圈(包括人類)組成的有機整體。地球系統科學就是研究組成地球系統的這些子系統之間相互聯繫、相互作用中運轉的機制,地球系統變化的規律和控制這些變化的機理,從而為全球環境變化預測建立科學基礎,並為地球系統的科學管理提供依據。地球系統科學研究的空間範圍從地心到地球外層空間,時間尺度從幾百年到幾百萬年。

基本介紹

• 中文名：地球系統
• 外文名：Earth system
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地球系統科學的興起與發展

當代地球科學的任務是通過對地球系統(包括大氣圈、水圈、生物圈、岩石圈、近地空間及人類活動)的過程、各子系統之間的相互作用及其演化等方面的研究，以提高對地球的認識水平，從而利用認知地球的知識為解決人類生存與可持續發展的資源供給、環境最佳化、減輕災害等重大問題提供科學與技術的支持。
自20世紀80年代以來，地球科學開始進入一個新的發展時期。隨著人類社會謀求可持續發展的意願不斷加強，地球科學的研究需要回答諸如地球資源還能支持人類社會發展多久，人類生存環境對人類自身發展的極限承載力，全球環境在人類活動擾動下的變化趨勢，以及如何規範人類活動以達到人與自然協調發展等問題。回答這些問題，需要把地球的大氣圈、水圈(含冰雪圈)、生物圈、岩石圈、地幔和地核以及近地空間視作密切聯繫的整體，並關注人類活動的影響，理解它們相互作用的過程和機理。因而，研究地球系統發展地球系統科學逐漸成為引領21世紀地球科學發展的方向。
地球系統科學的出現，緣於對地觀測系統、地球模擬系統的快速發展以及地球科學各分支學科的成熟，特別得益於許多新興的交叉學科領域。例如，包括生物地球化學、生物物理學及行星生態系統科學在內的生物地球科學(Biogeoscience)的出現，使無機界與有機界在原子尺度到全球尺度上建立了跨越圈層的聯繫；包括古海洋學、古地理學、古生態學等在內的“古科學(Paleoscience)”或“古研究(Paleore~areh)”(Alversion，2002)的科學進展，為聯繫地球系統的現代監測結果與地球系統的真實歷史記錄建立了跨越時間尺度的橋樑。
近20年來，國內外地球科學領域眾多科學家廣泛參與了國際地圈生物圈計畫(1GBP)、世界氣候研究計畫(WCRP)、國際全球環境變化人文因素計畫(ⅡHDP)、生物多樣性計畫(DI-VERSITAS)以及大洋鑽探計畫—綜合大洋鑽探計畫(ODP—IODP)等大型研究計畫，開展全球環境變化研究。深入的研究工作使大家愈來愈認識到地球上的大氣、水、生物、岩石、地幔和地核等各個組成部分是一個具有密切聯繫且相互作用著的整體，不了解地球的整體行為難以全面深入理解局部變化。由此提出了整體地球系統(IntegratedEarth System)的概念，以及以“地球系統”為研究對象，研究其整體的結構、特徵、功能和行為的一門全新的地球系統科學。顯然，現有地球科學各個分支學科都是地球系統科學的重要基礎，地球系統科學將在融合併集成各個分支學科的基礎上，採用複雜系統科學理論和方法以及現代高新技術手段，創建新的地球系統科學體系(周秀驥，2004)。 ‘
因此，我們有必要對地球系統科學的發展歷程、研究內涵和未來前景進行簡要的分析，以期在國際地球系統研究走向新高點的今天，洞悉現狀，把握方向，發揮學術資源優勢，使我國地球科學在解決人類社會可持續發展所面臨的重大科學問題中，有所裨益，騰飛有日。

地球系統科學產生的背景與發展過程

眾所周知，地球科學的發展得益於為人類謀求實際利益和將地球作為行星來認識這兩個主要因素。為人類謀求實際利益是科學發展的根本動力和普適規律，已為人們所普遍接受。地球科學從微觀和巨觀兩個角度研究自然現象，並從微觀與巨觀的內在聯繫認識地球過程。一方面隨著基礎科學和技術科學成果的不斷引進吸收，推動了地球科學研究的不斷深化，使人們能夠更精細地觀察微觀世界和微觀過程。另一方面人們從巨觀的角度認識地球，導致了科學範式的變革，推進了地球科學的發展。在其發展的歷史長河中，經歷了從感知到認知、從定性到定量的漫長過程。
20世紀80年代誕生的地球系統科學，同樣是人類社會需求和科學發展規律所驅動，基於資源、環境、生態、災害等一系列全球性環境問題威脅著人類的生存與發展，而引起人們的普遍重視；基於傳統學科技術的突飛猛進，使人們不僅渴望獲得更多有關地球的知識，而且對地球各組成部分之間的全球聯繫得到了共識；基於現代技術特別是空間對地觀測技術和計算機技術的迅猛發展，使人類有可能從空間對地球進行整體觀測，並促進了關於這個星球上人們具有共同命運這一新意識的形成。在這樣的時代背景下，一個關於地球的新的概念——“地球系統”，及其研究的新理念——“地球系統科學”應運而生。

地球系統科學的內涵

地球是一個由大氣圈、水圈(含冰雪圈)、岩石圈、生物圈和日地空間組成的複雜系統，是一個所有的組成要素處在相互作用之中的動態系統，而引發地球系統變化的驅動力，來自於地球內部、太陽輻射和人類活動。在上述驅動力作用下，其中某一成分的變化都會引起其它成分的回響，某一成分的變化往往又是其它成分共同作用的結果。比如，來自地球內部變化驅動的火山爆發，噴出的塵埃和氣體進入大氣層，對太陽輻射起到了遮蔽作用；來自於人類的作用包括毀林、化石燃料燃燒引起的碳釋放、農業發展帶來的甲烷與土壤粉化等增強了溫地球系統科學發展戰略研究室效應；由於各種化學工業生產活動而引起的臭氧耗減；以及大氣水汽和雲這樣的內在因子變化所產生的反饋都影響著氣候的變化——表現為短期和長期變化以及不同的區域性和全球影響。由此可見，認識氣候變化必須將其置於陸地表面、大氣層、海洋和冰蓋以及地球內部相互作用的背景下，通過觀測獲取海量的數據進行研究與模擬。 ·
這種將地球視為一個整體的研究方法，首先需要描述作用於地球系統的力及其回響，第二是關注地球系統內部，以了解其內部變化的原因——構成系統的各部分之間複雜的相互作用。事實上，地球系統各圈層本來就是有機結合的整體，任一圈層過程都在不同程度上與其它圈層不同時空尺度過程存在著相互影響和制約；任一圈層的結構、功能和行為都是地球系統在局部的反映；圈層行為的耦合產生了系統的新行為。由此可見，地球系統整體觀是一次質的飛躍，完全不同於各個圈層的行為的疊加，系統整體不等於部份之代數和。因此，必須從複雜系統的科學理論出發，在綜合分析的高度上，研究地球系統在驅動力作用下演變的整體行為的規律和機制。

研究目標

地球系統科學的目標，是在地球系統這一動力框架下，描述和認識控制地球系統的關鍵的、相互作用的物理、化學和生物學過程；描述和認識生命支持系統——無生命的地球環境；描述和認識人類活動誘發的重大全球變化。上述目標的實現，從根本上回答了地球是怎樣運行的，怎樣演化的，它的未來如何等基本科學問題。同時，也有助於認識全球環境變化的發生、演化過程和控制機理，為人類合理利用地球資源和保護地球環境提供支持。

研究對象

如上所述，地球系統及其變化是地球系統科學的研究對象，但從譜分析的角度看，發生在地球系統中的各種變化具有很寬的時間和空間尺度譜，包括從微米到行星軌道的空間尺度、從毫秒到數十億年的時間尺度上的物理、化學、生物過程及其相互作用。地球系統科學用尺度分析的方法和約定來確定研究對象，形成了與地球科學互相配合、明確分工的格局。當代地球科學的研究進展表明，只有那些具有行星尺度的變化反映了地球系統各組成部分之間的相互作用和反饋，而任何時間尺度的變化都包含了各種時間尺度上發生的地球系統過程的相互作用。因此，在空間尺度上，地球系統科學將所關注的變化定位在那些具有行星尺度(相當於地球半徑)的變化上。在時間尺度上，將地球系統變化的主要時間尺度用5個時段來定義：幾百萬年至幾十億年、幾千年至幾十萬年、幾十年至幾百年、幾天至幾個季度、幾秒至幾小時。其中，前兩個時段是傳統的固體地球科學研究的對象，後兩個時段是大氣科學、生物科學和海洋科學涉獵的範圍，而中間這個時段(幾十年到幾百年時間尺度)的全球過程正是當前人類面臨的最大挑戰，對於人類社會的利害關係和發展規劃尤為重要，目前的研究基本上處於空白狀態。因此，地球系統科學首先要迎接這一挑戰，要融合固體地球科學、大氣科學、海洋科學以及生物科學的知識，從本質上去認識十至百年尺度的全球性過程。

研究方法

地球系統科學的研究方法是對地球系統過程進行觀測、理解、模擬和預測。將地球系統的變化用一些基本變數來描述，並通過全球範圍的長期、持續、同步的觀測(衛星和地面觀測)，以建立全球變數信息庫來實現。地球系統科學尤其重視開展過程研究，以加深對全球環境變化的認識和理解，在此基礎上建立地球系統概念模型和動力學模式，進行數值模擬；然後套用重建的過去環境記錄檢驗模式檢驗，最後對地球系統狀態變數的變化趨勢、變化範圍作統計性預測。

地球系統科學的發展與展望

研究進展

20世紀80年代，地球系統科學作為研究全球變化的新方法展現在國際舞台上，20多年來取得了以下重大進展(SteffenW·，TysonP，2002)：
1．地球是一個可以藉助生命進行控制的系統，該系統中生物過程與物理、化學過程強烈相互作用，創造了地球環境。生物在維繫人類棲息環境中扮演了一個比以前所認識到的更為重要的角色。
2．除氣候變化外，全球變化還包括了其它的重大變化。人類活動正以多種方式強烈地影響地球的運行，人類活動誘發的變化超過了自然變率，其範圍和影響可與許多大的自然威脅相提並論。
3．人類活動驅動著多重相互作用，並以複雜的方式通過地球系統產生級聯效應。全球變化不能理解為簡單的因果關係，人類活動的級聯效應之間相互影響是複雜的，局地和區域尺度的變化是以多維方式相互作用。
4．地球的動力學具有臨界閾值和突變特徵，人類活動可在無意間觸發一些變化，給地球系統帶來災難性後果。過去50萬年，地球系統以不同的準穩態方式運行，在其間產生突變，或以突變方式從一種穩態向另一種穩態過渡。人類活動具有明顯的使地球系統從一種運行狀態向另一種運行狀態轉換的潛力，而這種轉換也許是不可逆轉的。
5．目前地球正以前所未有的狀態運行。就某些關鍵環境參數而言，地球系統近期已遠遠超過了至少過去50萬年自然變率的範圍，地球系統正在發生的這些變化的特徵、幅度大小和變化速率是前所未有的。

內涵的拓展

經過20多年的發展，地球系統科學得到了較大的拓展，主要體現在以下幾個方面：
1．在驅動力和擾動因子方面，從最初重視人類活動對全球變化的影響方式到“人類世”(TheAnthropoeeneEra)概念的提出，反映了地球系統科學對人類在全球環境中的作用認識的深化。地球系統科學從提出的那天起就非常重視人類活動在全球環境變化中的作用，並把它作為第三驅動力，但是，用“人類世”來確立人類活動在全球變化中的地位和作用，則是全球科學家經過10多年的艱苦努力，在大量新的科學事實的基礎上得出的共同結論。
2．在過程研究方面，從重視物理、化學和生物過程等3個基本過程及其相互作用研究，到更重視生物的作用和發生在各圈層界面上的過程研究地球系統科學發展戰略研究
3．在概念拓展上，由於地球系統科學是在全球環境變化研究過程中發展的，因而近年來不少人又把它叫做全球變化科學。更為重要的是，1992年裡約聯合國環境和發展大會(UNCED)以後，可持續發展問題已成為人類社會發展的戰略目標。因此，1997年IGBP出版的第一本IGBPBookSeries(Smith，T．M·，Shugart，H．H．&Woodward，F．Ⅱ·，1997)中明確提出“可持續發展與全球變化是人類面臨的挑戰”，2001年正式誕生了“全球可持續性科學”的概念(陳宜瑜、陳泮勤和葛全勝，2002)。儘管全球可持續性科學概念的內涵還有待進一步完善和發展，但它畢竟是在全球環境變化研究和可持續發展戰略互動下誕生的，也可以看成是對地球系統科學內涵的豐富和拓展。
4．在觀測系統方面，20世紀80年代地球系統科學從對全球變數進行長期監測的角度出發提出要建立觀測平台。20世紀80—90年代觀測平台的重點包括地球觀測系統(EOS)、地球系統探測器、高級地球同步平台和其它觀測平台，其主要特徵是一個以空基觀測為主的對地觀測系統。隨著全球環境變化計畫的實施，正在規劃和建立以地基觀測為主的全球氣候觀測系統(GCOS)、全球陸地觀測系統(GTOS)、全球海洋觀測系統(GOOS)。進而構成了為地球系統科學服務的全球立體觀測系統。
5．建立了地球系統科學的合作夥伴與研究網路，為強化對全球環境變化的綜合研究，由ICSU發起的全球環境變化(GEC)計畫的4大研究計畫——世界氣候研究計畫、國際地圈生物圈計畫、國際全球環境變化人文因素計畫和生物多樣性計畫——聯合成立了“地球系統科學聯盟”(ESSP)。由國際全球環境變化研究的四大計畫和各國、各地區支持的全球環境變化研究計畫及科研團體構成了地球系統科學的研究網路。

前沿科學問題

地球系統科學從最初關注的物理氣候系統、生物地球化學循環以及它們之間的相互作用所提出的科學問題出發，經過全球變化的研究實踐，將科學問題細化，並歸納為分析、方法、標準和戰略四大問題(1GBPScience4，2001)。
1．分析方面的問題：地球系統的臨界閾值、瓶頸和轉換開關是什麼?主要動力學格局、遙相關、反饋鏈是什麼?地球自然變率的特徵狀態與時間尺度是什麼?在地球系統層次，有哪些重要的人為干擾?它們與突發的極端事件如何相互作用?哪些是全球環境變化最為脆弱的地區?
2．方法學問題：構建地球系統圖像的原則是什麼?所要求的複雜程度和解析度是什麼?生產、處理、集成與地球系統有關的數據集的最優全球戰略是什麼?分析、預測無規律事件的最佳技術是什麼?綜合自然、社會科學範例、研究方法和知識的最為恰當的方法學是什麼?
3．標準問題：區分不可持續與可持續未來的一般標準和原則是什麼?在不同假設和評估下，地球的人類承載力是什麼?什麼樣的自然和人為過程最可能限制或危及這些目標的實現?能被人類活動觸發但應該避免地球系統狀態的潛在變化是什麼?支配全球環境回響戰略的公平原則是什麼?
4．戰略問題：全球環境變化回響的最佳適應與減緩措施是什麼?地表自然保護區與人工管理區的最佳劃分是什麼?用於技術修復，如地學工程和遺傳改變的知識水平、價值/文化基礎、選擇和告誡?一個可以實施的有效的全球環境與開發體系的結構是什麼?

地球系統科學聯盟聯合研究計畫

為了強化對全球環境變化的綜合研究，地球系統科學聯盟(ESSP)推出了研究全球可持續性問題的4大聯合研究計畫，包括：全球碳計畫(Global Carbon Project，GCP)、全球環境變化與食物系統計畫(GECAFS)、全球水系統計畫(Global WaterSystem Project，GWSP)和全球環境變化與人類健康計畫(GlobalEnvironmental Changeand Human Health，GECHH)。其目的是建立與社會直接相關的全球環境變化研究議程，就碳循環，食物。水和健康開展綜合研究，理解這些系統中人類驅動的變化對地球系統功能的影響。聯合計畫直接闡述了全球環境變化與全球可持續性問題之間的雙向相互作用。