地球系统科学绪论08春

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1、地球系统科学 Earth System Science 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院 刘本培教授 2008. 4,1.课程介绍 2.从传统地球科学到 地球系统科学 3.可持续发展与环境、资 源瓶颈,1.课程介绍,课程特色 21世纪的建设者和领导者为了实现可持续发展的科学发展观，需要以地球系统科学的新地球观从整体上来认识地球并关注当前资源、环境热点问题。 掌握地球系统科学的基本概念、主要内容和研究方法，了解当前进展和热点问题，侧重于多学科之间的交叉渗透和思路启迪,为学生今后从事相关领域的科学研究、教学工作、生产实践或领导岗位奠定基础。 本课程面向我校各个专业的研究生，希望通过课堂多媒体

2、讲课、课堂讨论和课下书刊阅读、网络资源相结合，探索出一条师生良性互动的启发式教学道路。,地球系统科学与可持续发展：课程介绍、地球系统与地球系统科学、地球系统科学发展史、可持续发展与资源环境瓶颈、,2007.4,上海,教学参考书,2. 从传统地球科学到 地球系统科学,2002年10月15日，新中国地质工作50年 暨 地质学会80年纪念大会,地质工作要适应新形势的要求，实现新的战略性转变，建立与社会主义市场经济体系相适应的地质工作体制。 要实现传统地质工作向以“地球系统科学”为核心内容的现代地质工作转变，使地质工作更加紧密地与经济建设和社会发展相结合，更好地为经济社会发展服务。,地球系统,地球科学

3、以整体的地球作为研究对象, 包括自地心至地球外层空间十分广阔的范围,是由固体地球（核幔岩石圈）、流体地球（大气圈、水圈、土壤圈和生物圈）、社会地球（人类作用）和行星地球（太阳系银河系）组成的一个开放的复杂巨系统， 称为地球系统(Earths System)。 地球系统内部存在不同圈层（子系统）之间的相互作用。,地球系统科学,地球系统科学以“地球系统”为研究对象。 地球系统是由一系列相互作用过程，包括地球系统各圈层之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球环境的相互作用联系起来的复杂的非线性多重耦合系统。 这种地球系统的整体观、对三大基本过程相互作用的研究，以及对人类活动

4、影响地球环境的特别关注，使得全球系统科学作为一门全新的集成科学出现在当代国际科学的前沿。,地球系统科学研究史,1983年，钱学森提出建立地球表层学的思想，指出地球表层是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互交叉渗透部位，本身构成一个开放的复杂巨系统。 同年，美国NASA顾问理事会任命一个地球系统科学委员会（Earth System Sciences Committee)的文件中，提到地球系统和地球系统科学两词，提出要把地球的各组成部分与相互作用作为一个系统来研究。 该委员会主席F.P.Bretherton博士组织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Ea

5、rth System Science报告，标志着地球系统科学作为一门独立科学的诞生。报告中提出的一些独特见解得到了国际上有关科学界的赞同。该报告经陈泮勤翻译，于1992年由地震出版社出版。 这样一种眼界和观念的转变，标志着从传统地球科学观念向地球系统科学观念的转变。迄今只有二十年历史。,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年),国务院2006年2月9日发布：根据对基础科学发展具有带动作用，具有良好基础，能充分体现我国优势与特色、有利于大幅度提升我国基础科学的国际地位等原则，我国遴选出8个科学前沿问题。 生命过程的定量研究和系统整合 主要研究基因语言及调控，模式生物学极端环境中的

6、生命特征，生命起源和演化，系统发育与进化生物学等。 凝聚态物质与新效应 主要研究强关联体系、软凝聚态物质，新量子特性凝聚态物质与新效应，超流超导机制，电子结构和多种原激发过程等。 物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律 主要研究粒子物理学前沿基本问题，暗物质和暗能量的本质，宇宙的起源和演化，黑洞及各种天体和结构的形成及演化，太阳活动对地球环境和灾害的影响及其预报等。,核心数学及其在交叉领域的应用 主要研究数学与其他学科相互交叉及在科学研究和实际应用中产生的新的数学问题等。 地球系统过程与资源、环境和灾害效应 主要研究地球系统各圈层的相互作用，地球深部钻探，地球系统中的物理、化学、生物过程及其资源

7、、环境与灾害效应等。 脑科学与认知科学 主要研究脑功能的细胞和分子机理，脑重大疾病的发生发展机理，学习记忆和思维等脑高级认知功能的过程及其神经基础，人脑与计算机对话等。 新物质创造与转化的化学过程。 科学实验与观测方法、技术和设备的创新。,地学范围扩展图,天文学,其他社会科学,与传统地球科学的对比,七大变化 1、思维方式的变化 2、研究目标的变化 3、研究内容的变化 4、研究方式的变化 5、组织形式的变化 6、信息交流的变化 7、方法手段的变化 三个突出 1、突出地球系统的整体性 2、突出信息科学 3、突出地球系统管理科学,1、思维方式的变化,1在以传统学科分化研究为主的基础上，地球系统科学更

8、强调 “系统论”的整体性研究思维，即把地球作为太阳系的一个行星来认识，研究地球各圈层相互作用的结构、演化过程和动力学。,2、研究目标的变化,在时间上，将地球上各个时段发生的各种自然现象进行串联研究，形成一条“了解整个地球系统的过去、现在和预测未来行为”的完整链条。 在空间方面，转向对该现象区域性、全球性的表现、影响、过程与动力学机制的模拟研究（展望全球）。,3、研究内容的变化,过去在以学科为导向研究的同时，出现了以问题为导向的跨学科研究。 研究重点、学科结构也发生了变化，如地质学研究已从“找矿型”向“社会型”转变。,4、研究方式的变化,地球系统科学中以问题为导向的研究，更体现了多学科的交叉渗透

9、。比如气候变化不仅仅是由大气层的内部热力、动力过程所引起，还包括大气圈、水圈、岩石圈、宇宙圈和生物圈（含人类活动）之间相互作用的结果。 多学科综合研究是地球系统科学的一大特征。,5、组织形式的变化,由于地球系统科学的大尺度、综合性的特点，一些重大的地球科学研究的突破，已不是个别的科学团体、个别的国家可以实现的，必须要联合多个分支科学、多个科学团体，甚至多个国家共同攻关。 因此出现了地球科学新的组织形式，即建立国际性合作的研究计划。,国际性研究计划,国际岩石圈计划（ILP)、国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、热带海洋和全球大气(TOGA)、海岸带陆洋相互作用计划(LO

10、ICZ)、全球环境变化国际人文因素计划（IHDP）、国际减灾十年计划（IONDP） 类似研究方向的持续立项： 国际地圈生物圈计划（IGBP，1987；IGBP I ，19901999； IGBP II，20042013） 深海钻探计划（DSDP，19651985)；大洋钻探计划(ODP，19852003；整合大洋钻探计划（IODP，2003 ）,6、信息交流的变化,信息交流已与物质迁移和能量交换一道成为地学现象过程研究的主要问题之一。“人流、物流、信息流”。 地球信息科学这一新概念的出现，标志着在地学范围内形成了由测绘、摄影测量与遥感、地图学、地理信息系统、计算机图象学、卫星定位技术、专家系统

11、技术及现代通讯技术等有机结合的又一跨学科优先研究领域。,7、方法手段的变化,高新技术，特别是空间技术的应用，已能从三维空间动态地探测地球的结构和运动，使地球科学的理论研究以丰富的实测资料为基础。 如现代海洋研究手段、“3S”和超深钻等探测技术、模拟与实验、计算机技术和测试分析等方面方法手段的变化，不仅使地学研究取得第一性资料的质量、效率大大提高，而且会促进新思想和新理论的诞生。,突出地球系统的整体性,地球系统巨系统是由各个子系统所组成。因此，整体与部分是地球系统科学的一对重要范畴，而地球系统科学的着眼点在于考察地球系统的整体性（wholeness)。 地球系统科学的目标：了解整个地球系统的过去

12、、现在及未来的行为。 从自然科学理科研究角度，地球系统科学侧重于研究地球各圈层之间的相互作 用和演化过程的动力学关系探讨。以建立“行星地球统一理论”作为长远的追求目标。,突出信息科学,信息交流（信息科学）已与物质迁移和能量交换（自然科学）一道成为地学现象过程研究的主要问题之一。 运用各种现代方法获取、存贮、处理、显示、传播和应用与地理空间分布有关的海量地学数据。在4个研究步骤中都离不开信息系统。 关注数字地球、“3S”(RS-遥感、GIS -地理信息系统和GPS -全球定位系统)一体化和地球科学定量化的发展。,突出地球系统管理科学,地球系统科学的研究直接为人类可持续发展服务，必然关注减灾、环境

13、保护与治理、资源合理开发利用以及碳循环、水资源、食物链、能源战略、人类前途等问题。 也必然涉及人与人之间的社会地位和法律关系。环保政策的制订、法律程序的执行、不同利益集团之间的关系协调以及开拓海外市场和处理国际关系等方面。 因此，地球系统科学必然要跨越自然科学和社会科学传统鸿沟。,2007.4,上海,张国伟院士，教育部高等学校地球科学教学指导委员会主任。 20世纪60-70年代全球板块构造兴起阶段,中国学者限于历史条件未能作出应有的贡献。当代地球系统科学正处于蓬勃发展期，中国学者应重视。,地球系统科学伙伴计划（ESSP):经典学科的优点嵌入到复杂系统中去，更加重视同其他子系统的相互作用。学科交

14、叉付诸行动不易，培养综合交叉文化。 发展地球系统科学教育（ESS21）：NASA目的，扩大教员、学者群体。,院士报告,地球系统科学伙伴计划,（ESSP） 2001年把四个计划联合形成地球系统科学伙伴计划（ESSP）,进行地球系统的集成研究:系统的结构与功能,系统的变化,以及对全球可持续发展的意义。,国际地圈生物圈计划(IGBP, 1987) 全球环境变化国际人文因素计划(IHDP,1996) 世界气候研究计划(WCRP,1980) 国际生物多样性科学计划(DIVERSITAS,1991),国际地圈生物圈计划(IGBP，1987； IGBP-I，1990-1999; IGBP-II，2004-2

15、013） 核心项目: 地球系统的分析.集成与模拟(AIMES) 全球大洋生态系统动力学(GLOBEC) 全球土地项目(GLP) 国际全球大气化学(IGAC) 综合土地生态系统-大气过程研究(iLEAPS) 综合海洋生物地球化学和生态系统研究(IMBER) 海岸带的陆海相互作用(LOICZ) 古全球变化(PAGES) 海洋表层低层大气研究（SOLAS）,全球变化 研究成果,该书揭示了地球系统的复杂性和相互作用的本质,以及人类活动影响该系统的方式。 全球变化已经超越地球系统过去50万年的自然变率范围;目前正在发生的变化的本质,变化的幅度和速率都是前所未有的。,2001年IGBP科学丛书之四，总结了IGBP及其它有关项目划过去十年来的工作。,全球环境变化国际人文因素计划(IHDP,1996) 核心项目:全球环境变化与人类安全(GECHS) 全球环境变化的制度因素(IDGEC) 工业转型(IT) 土地利用与土地覆盖变化 (LUCC) 海岸带陆海相互作用(LOICZ) 城市化与全球环境变化(UGEC) 全球土地项目,世界气候研究计划 (WCRP,1980,2005-2015),例如GEWEX的观测战略,包括洲际和流域尺度试验以及全球卫星观测。,国际生物多样性科学计划(DIVERSITAS,1991) 第三阶段制订了