地球系统科学研究进展

赵璐

摘要：地球系统科学是全球变化的基础理论，是研究地球系统整体的结构、特征、功能和行为的科学。本文介绍了地球系统科学的定义、研究对象和研究方法，概括了地球系统科学的由来和国内外研究进展，最后简述了未来中国地球系统科学的发展趋势。

关键词：地球系统科学；研究进展；发展趋势

地球是人类赖以生存与发展的物质源泉和环境，人类社会的经济活动和技术活动却对全球变化产生了明显的影响。当前，人口爆炸、土地荒漠化、自然资源短缺、环境污染加剧、“温室效应”与全球变暖、臭氧层的破坏、森林锐减和物种加速灭绝等全球问题，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。

一、地球系统科学概念

地球系统科学是20世纪80年代初困际科学界为迎接全球环境变化的挑战而提出的一门全新的集成科学。

（1）广义概念：地球系统科学是为了解释地球动力、地球演化和全球变化，对组成地球系统各部分、各圈层相互作用机制进行综合研究的一门科学。地球系统是由地核、地幔、岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互作用而组成的统一体。

（2）狭义概念：地球系统科学跨越一系列自然科学与社会科学，把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、智慧圈和行星系统等组成部分构成的统一系统。

二、地球系统科学的研究对象

全球变化是地球系统科学的研究对象，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和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。具体来说，在空间尺度上，地球系统科学将所关注的变化定位是从地核、地幔对流、岩石圈运动、大气圈、水圈和生物圈到行星太空；在时间尺度上，将全球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、几秒至几个小时。其中，几十年到几百年时间尺度的全球变化问题是当前地球系统科学所重点关注的。

三、地球系统科学的国内外研究进展

1.国际发展态势

地球系统科学是一个比较新的名词，它脱胎于气候系统研究。20世纪80年代中期，科学家才普遍认识到必须把地球作为一个由相互作用着的各个组元或子系统组成的统一系统，即地球系统来研究。在这种形势下，代表人物有：G.Garland，他首先提出了物理过程与生物过程相互作用的观点；Herbert File提出了“地球系统”的思想；F.P.Bretherton于1987年对地球系统科学作了简略说明，1986年出版了《地球系统科学概观》。美国国家航空与宇航管理局顾问理事会于1983年在主席Bretherton博士的领导下，集中了一大批国际知名科学家，详细评述了地学、生物学的现状及存在问题，并于1987年出版了《地球系统科学》报告。一些发达国家（如美国、英国和日本等）纷纷制定了90年代固体地球科学发展计划，其优先方向和开拓领域主要围绕地球各层圈相互作用这一核心前沿以及全球变化、岩石圈和地球深部内层三大研究主题展开。最近，德国联邦政府教育与研究部与德国科学基金会共同策划制定了未来15年（2000～2015年）的超大型研究计划《地球工程学一地球系统：从过程认识到地球管理》。

2.国内研究现状

我国在20世纪80年代末期开展了这方面的研究。气象学家叶笃正院士等以地球系统科学为指南，从整体的角度出发，从1987年开始开展了中国的全球变化预研究。遥感地理学家陈述彭院士发表了以区域持续发展为宏观调控的地球系统科学与地球信息科学的文章。2001年11月，遥感学家童庆禧院士，以地球表层系统为研究对象，结合地球系统科学、空间信息技术和数字信息技术等，主编了《地球空间信息科学》一书。

遥感科学家毕思文自1991年以来，从事地球系统科学理论探索研究，讨论了地球系统科学与可持续发展研究的意义及其内涵，并将两者融为一体进行系统研究，初步构建了理论体系。地球化学家於崇文院士1998年发表了固体地球系统的复杂性与自组织临界性的文章；还有一些专家、学者发表了有关地球系统科学方面的论文和报道。

国家自然科学基金委员会地学部在上述国内外地球系统科学大量研究工作的基础上，于2002年3月提出了21世纪初地球科学战略重点“十五”优先资助领域战略目标是以地球系统各圈层的相互作用为主线，从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标，重点研究地球环境、资源以及人与自然作用的耦合，在各种时空尺度规模中研究地球系统的整体行为及其演变，将为我国资源、环境、灾害与可持续发展中的重大问题的解决提供科学与技术的有力支持，有助于发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。

四、结语

地球系统演化的最终行为是由不同时间和空间尺度变化过程的叠加所决定的。地球系统科学是研究行星尺度的地球科学，是超出原有的学科界限的多种学科相互交叉渗透的地球科学，其目的是揭示全球变化的规律。这个关系到人类未来社会生存条件变化的重大综合研究，代表了一个最富活力的科学发展方向，并将成为21世纪地球科学发展的主旋律。