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1、什么是地球系统科学进入21世纪，地球科学发展到“地球系统”的新阶段，强调地球岩石圈、水圈、大 气圈和生物圈之间的相互作用，进而从整体地球系统的视野，对地球各圈层的相互作 用过程和机理进行研究。当前更多的对地观测体系 （卫星、地表台站等），更细的时空 分辨率以及更强的数据处理（超级计算机），正逐渐促进人类对地球的科学认知，增强 人类适应全球环境变化的能力，并服务于可持续发展！一，地球系统科学的定义和特点地球是一个物质与能量不断相互作用下的一个非常复杂的非线性系统，它可以被划分为几个基本的圈层，各圈层之间彼此交错相互影响，圈层之间及内部随时间的相互作 用构成了地球的演化。地球系统指由大气圈、水圈（
2、含冰冻圈）、地圈（含地壳、地幔和地核）、土壤圈和 生物圈（包括人类）组成的有机整体。地球系统科学主要研究各圈层的物质组成、结 构分布、各圈层内部及之间一系列相互作用过程和形成演变规律，以及与人类活动相 关的全球变化，为人类认知地球和绿色可持续发展提供科学支撑，以应对全球环境变 化所带来的挑战。地球系统的演化主要受内动力地质作用和外动力地质作用的共同驱动，其主要有两个能量输入体系。一个是太阳在核聚变过程中向太阳系释放的太阳辐射能量，直接影响 着地球气候变化、生物光合作用和岩石风化剥蚀等地球表层系统过程，是外动力地质 作用最主要的能量供给；另外一个是地球内部放射性物质衰变、物质向地球深部迁移 释放
3、的重力势能和矿物结晶等释放的热量，对大陆漂移、海底扩张、板块运动、岩浆 活动、地震作用、变质作用和构造运动等过程产生影响，是内动力地质作用最主要的 能量供给。地球作为一个由多时、空尺度过程构成的复杂巨系统，在空间上表现为多圈层体系。地球各圈层（岩石圈一土壤圈一大气圈一水圈一生物圈）、各过程（生物过程、物理 过程、化学过程）、各要素（如：山水林田湖草海）之间相互作用、相互联系、连锁 响应。地球系统科学将大气圈、生物圈、土壤圈、岩石圈、地幔/地核作为一个系统， 通过大跨度的学科交叉，构建地球的演变框架，理解当前正在发生的过程和机制，预 测未来几百年的变化。地球系统科学的研究对象，在空间尺度上可以从
4、分子结构到全 球尺度，在时间尺度上可以从数亿年的演化过程到瞬间的破裂变形。地球演化的不同阶段，地质作用特征也不相同。在地球形成之初，由于小星体加积， 星体之间的引力势能及其动能由于碰撞转化为热能，再加上放射性物质含量高，衰变 速率快，产生了大量的热能。内动力地质作用十分发育，表层地球被岩浆海所覆盖， 逐渐分异出地壳，地幔和地核。相比较而言太阳的较为昏暗，外动力地质作用较弱。现今地球在板块构造体制下，内动力地质作用依然很活跃，同时太阳光度增强，外动 力地质作用也非常活跃。同时地球系统的物理、化学及生物过程在空间上又可以分为许多子过程，各个过程彼 此交错，相互影响。二，地球系统科学发展历史1, 萌
5、芽时期生物圈、生物地球化学的创始人，前苏联著名地球化学家维尔纳茨基(1863-1945),指出生物是地质营力的一部分，地圈与生物圈协同演化。他写到：“生命并非地表上 偶然发生的外部演化。相反，它与地壳构造有着密切的关联，没有生命，地球的脸面 就会失去表情，变得像月球般木然。”二十世纪七十年代，英国气象学家洛夫洛克认为生物与地球组成了一个类似生物的有 机体，其拥有一个全球规模的自我调节系统，是一个“超级有机体”，强调生物圈对 全球环境的调节作用，认为地球表面的气候和化学成分，由生物圈维持在一个最适宜 生物圈的动态平衡中，并用希腊神话中大地女神“ Gaia盖娅”命名这个控制系统。美国斯克里普斯海洋
6、研究所的 Charles David Keeling于1958年，在夏威夷Mauna Loa 火山顶部持续采样，检测大气 CO2浓度，发现CO2浓度已经由1958年的318ppm上升 到目前的411ppm，是近80万年以来CO2浓度最高值，在冰期时CO2浓度最低只有185ppm , 因此这条著名的大气CO2浓度变化曲线又名“ Keeling曲线”。CO2作为最主要的温 室气体，是导致全球变暖的主要原因。1985年，英国科学家Farman等人总结他们在南极哈雷湾观测站自1975年来的观测结果，发现从1975年以来，南极每年早春(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过30%，在科学界引起震惊，从而使得
7、南极臭氧层空洞问题广受关注。1987年世界多个国家签署蒙特利尔议定书，1989年1月1日正式生效，1996年，氯氟烃被正式禁止生 产，截至目前臭氧层已经稳定下来并逐步开始恢复。将地球作为整体、从圈层相互作用着眼的“地球系统科学”，源自“全球变化”的研 究。20世纪8 0年代为应对“臭氧层空洞”、“温室效应”的威胁，首先由大气科学 界发起，在全球范围内对碳循环等进行跨越圈层的追踪。1983年，美国国家航空航天局(NASA)建立了 “地球系统科学委员会”；1986年NASA首次将地球系统科学(Earth sys tem science)作为一个名词提出；1988 年 NASA 出版了“ Ear t
8、h Sys tem Science: A Closer View，提出著名的“ Bretherton图”，展示了大气、海洋、生物圈之间，在 物理过程和生物地球化学循环的相互作用，标志着“地球系统科学”的起步。3,发展中的地球系统科学自二十世纪八十年代开始，国际科学界先后发起并组织实施了以全球变化与地球系统 为研究对象，由四大研究计划组成的全球变化研究计划，即：世界气候研究计划(WCRP， World Climate Research Programme)、国际地圈生物圈计划 (IGBP， International Geosphere-Biosphere Programme)、全球环境变化人文
9、因素计划 (IHDP , International Human Dimension of Global Environmen tal Change Programme)、生物多样性计划(DIVERSITAS)。进入新世纪，四大全球环境变化计划又联手建立了“地球系统科学联 盟(ESSP)。2014年，为应对全球环境变化给各区域、国家和社会带来的挑战，加强自然科学与社 会科学的沟通与合作，为全球可持续发展提供必要的理论知识、研究手段和方法，由 国际科学理事会(ICSU)和国际社会科学理事会(ISSC)发起、联合国教科文组织 (UNESCO)、联合国环境署(UNEP)、联合国大学(UNU)、Bel
10、mont Forum和国际全球变化 研究资助机构(IGFA)等组织共同牵头，组建了为期十年的大型科学计划“未来地球计 划(Future Earth) ”。未来地球计划(Fu ture Ear th)不但明确了重整国际全球变化研究组织的时间表 和新的组织机构，更是为现有的国际全球变化四大计划和ESSP确定了消亡路线图和时间表。该计划旨在为全球可持续发展提供必要的关键知识，打破目前的学科壁垒， 重组现有的国际科研项目与资助体制，填补全球变化研究和实践的鸿沟，使自然科学 与社会科学研究成果更积极地服务于可持续发展，以应对全球环境变化所带来的挑战。 同时也为应对全球气候变化及其对社会经济的潜在影响和人
11、类应对策略，1988年由联合国环境规划署(UNEP)和世界气象组织(WM0)共同成立了政府间气候变化专门委员会 (IPCC) oIPCC负责评审和评估全世界产生的有关认知气候变化方面的最新科学技术和 社会经济文献，目前IPCC有三个工作组和一个专题组。第一工作组的主题是气候变 化的自然科学基础，第二工作组是气候变化的影响、适应和脆弱性，第三工作组是 减缓气候变化。国家温室气体清单专题组的主要目标是制订和细化国家温室气体排放 和清除的计算和报告方法。工业革命以来，人类活动已经逐渐成为主要的地质营力。农业耕作、城镇化以及道路 交通等建设大大改变了原有的地表形态；化石燃料燃烧排放的温室气体，改变大气
12、圈 的化学组成，对气候系统造成了显著影响。自1970年来，世界人口从37亿人增长到76亿人；全球CO2排放量从149亿吨增长到368亿吨；由大气CO2升高导致的海洋酸 化，导致了近海生态系统发生了退化，尤其是造礁珊瑚；全球地表温度增加了约0.97度；海表面温度增加了约0.6度；每十年，北极海冰消融约13.2% ；全球海平面上升 了 14.4cm。我们比1970年，多生产了约15倍的塑料制品，海洋中共累积了约1.5亿吨的塑料垃圾。地球已逐渐进入新的地质时代“人类世”(Anthropocene)。2015年12月，全球197个国家在巴黎气候变化大会上达成巴黎协定，决定共同减少 全球碳排放，应对全球
13、气候变暖。此时地球系统科学已经牢牢地扎根在应对全球环境 变化的社会需求和地球与生命科学相结合的基础之上。2001年，英、美两国的地质学会在爱丁堡联合举办了“地球系统过程(Ea rth Sys temProcess) ”国际大会，将“全球变化”的概念上推了几十亿年，从太古代光合作用的 起源，一直到近代暖池演变的气候效应。与“全球变化”不同，这里说的“地球系统 科学”不但穿越圈层，而且横跨时空，将“全球变化”的概念应用于地质演变，在探 索圈层相互作用的同时，研究时间和空间不同尺度的变化过程，揭示不同尺度过程的 驱动机制和相互关系。地球系统概念进入地质科学，不但是全球变化研究圈层相互作 用在时间上的
14、延伸，更标志着地质科学进入集成研究的新时期。三，地球圈层相互作用举例1,生物圈与大气圈及地圈相互作用大约在24亿年前，大气中的游离氧含量(以相当于现代大气圈的分压表示， PAL二Present At mosphere Level) 突然增加，由一个极低的水平急剧增至现在浓度的 10%，随后保持在一个稳定水平直至8.5亿年前，被称为“大氧化事件”(Great Oxygenation Event，GOE)，8.5亿年前，氧气含量再次增加，被称为“新远古代氧化 事件” (Neoproterozoic Oxygenation Event ， NOE)直至达到约当前的水平。目前传 统观点认为，海洋中的蓝
15、细菌通过光合作用，使之前还原性的地表环境逐渐变为氧化 环境。GOE是前寒武时期的一次重大地质事件，导致大量厌氧生物的灭绝，真核生物 渐渐繁盛，多细胞生物逐渐出现并发展，改变了海洋化学环境，使得大量条带状铁建 造(Banded Iron Formations ， BIFs)形成(BIFs是全世界储量最大 、分布最广的铁 矿类型)，是地球表层系统的一次全面变革。2, 地圈与大气圈及水圈等相互作用地球气候系统不仅受太阳辐射纬度分布等的外部影响，同时也受海陆分布及地形等下垫面因素的影响。1912年，德国天文学家阿尔弗雷德魏格纳于发表论文提出大陆漂 移假说，之后随着海底扩张和板块构造理论的提出，人们发现
16、地球的大陆和海洋面貌 也可以发生翻天地覆的变化。大陆是地球在长期复杂地质作用过程中，由各种不同块 体与组分，历经多次改造而成的复杂拼合体，在地质历史时期，呈现出不同的海陆分 布格局，如地球曾经可能存在过 4次超大陆（地球上所有陆地几乎拼合在一个块体之 上），从老到新依次为基诺兰（Kenorland，26-24亿年）、哥伦比亚（Columbia，19-18.5 亿年）、罗迪尼亚（Rodinia， 10亿年）和联合大陆（Pangaea， 2.5亿年）。从二叠纪到早侏罗世（约2.5-1.8亿年前）的联合大陆（Pangaea），由北半球的劳亚大 陆和南半球的冈瓦纳大陆在赤道附近连接而成，尤以三叠纪早期为最盛。模拟结果显 示出全球（全大陆）规模的“超级季风（Megamonsoon） ” ：冬、夏出现方向相反的季风， ITCZ在联合大陆上作大幅度的迁移，雨量集中在特提斯洋附
