走向地球系统科学

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！

地球的地质作用过程

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。

地球随时间的演化

1，地球系统的构成

地球系统指由大气圈、水圈（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。

地球圈层构成

2，地球系统的能量来源

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。

地球的能量供给和圈层相互作用

3，地球系统的时空特征

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—土壤圈—大气圈—水圈—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。

地球形成初期的地质作用

不同时期具有不同的地质过程

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。

Kppen的气候区分类

二，地球系统科学发展历史

1, 萌 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。”

维尔纳茨基及其著作

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。

洛夫洛克及地球演化简史

2, 从全球变化到地球系统科学

1，Keeling 曲线

美国斯克里普斯海洋研究所的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。

David Keeling及Keeling 曲线

Keeling 曲线简介

2，南极臭氧层空洞

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。

1979-2017年南极臭氧层卫星图

南极臭氧层恢复图及未来趋势预测

3，“地球系统科学”名词的首次提出

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８０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 system science)作为一个名词提出；1988年NASA出版了“Earth System 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。

“地球系统科学”名词的首次出现

3, 发展中的地球系统科学

1，国际全球变化研究计划

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)、全球环境变化人文因素计划(IHDP，International Human Dimension of Global Environmental 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)。

国际全球变化研究计划历史图解

2，未来地球计划(Future Earth)

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)、Belmont 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(Future Earth)——全球可持续发展

3，政府间气候变化专门委员会(IPCC)

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类应对策略，1988年由联合国环境规划署(UNEP)和世界气象组织(WMO)共同成立了政府间气候变化专门委员会(IPCC)。IPCC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。

IPCC运作构架

4，人类世(Anthropocene)

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。

人类世(Anthropocene)简介

5，横跨时空的地球系统科学

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(Earth System Process)”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延伸，更标志着地质科学进入集成研究的新时期。

2001年地球系统过程(Earth System Process)国际大会

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

大氧化事件与条带状铁建造的形成

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=Present Atmosphere 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

1，海陆分布格局演化

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)。

2，联合大陆的超级季风

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近，内陆降雨量几乎为零，联合大陆气候的大陆性极强，内陆冬夏温差可以高达50℃。

3，由青藏高原隆升引发的一系列气候变化

大约5000万年前，板块运动使印度与亚洲大陆碰撞导致地球历史上一次重要的造山事件，形成了全球规模最大的喜马拉雅—青藏造山带及世界的屋脊——青藏高原。

青藏高原隆升过程

青藏高原的隆升，改变并形成了我国西高东低的地形格局(我国大陆至少到白垩纪为止仍为东高西低的地势)；引起了亚洲主要河流分布和走向的变化，改变了陆地向海洋的淡水和沉积物输送状况；使地球上大面积的热带、亚热带和温带陆地海拔抬升到4500m以上成为高寒区，形成冰雪、冻土集中分布的“世界第三极”；使西风环流发生分支，夏季的南支气流和冬季的北支气流对季风具有加强作用；隆升后的高原在夏季成为大气的热源、冬季构成冷源，使亚洲大范围地区夏季盛行偏南风，从低纬海洋带来大量水汽，使我国南方成为湿润的鱼米之乡，而冬季盛行干冷的偏北风，构成强大的亚洲季风；对来自海洋的水汽构成地形屏障，在亚洲形成世界上最大的内陆干旱区；使得高原区物理和化学风化加强，吸收大气CO2，导致全球逐渐变冷。

高原隆升引起的环境效应

高原隆升引起的的风化加剧和地壳均衡

3, 地圈与水圈相互作用

环南极洋流与南极冰盖形成

新生代以来，全球温度呈现阶段性下降趋势，始新世／渐新世之交（~34 Ma），降温极为剧烈，导致南极冰盖形成。德雷克和塔斯马尼亚海峡通道的开启导致环南极洋流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）形成，从而阻碍了低纬向南半球高纬的热量传输，进而导致南极冰盖增长。当南极冰盖继续增长，扩大的冰盖范围足以封闭整个德雷克海峡时，这时环南极洋流受阻，环南极西风漂流带会消失，增强赤道热量向南极的输送，使扩展冰盖趋于消失，这是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因。

环南极洋流

4, 冰冻圈与地圈相互作用

冰川消融引起的地壳均衡调整

冰川均衡调整(Glacial isostatic adjustment，GIA)岩石圈对冰期地表冰和海水负荷改变的响应。一方面末次冰消期以来，北美的劳仑泰冰盖、科迪勒拉和伊努伊特冰盖以及欧亚大陆的不列颠、斯堪的纳维亚和巴伦支海-喀拉海等冰盖大规模融化，大量的冰融水进入大洋，造成全球平均海平面上涨约120 m；另一方面，由于冰川的卸载和海洋盆地的加载引起的地球内部物质的重新分布，导致冰后的地壳运动、地球重力场和应力场的变化，在之前的冰盖覆盖区，可能造成海平面的下降。

冰川消融引起的地壳均衡调整

如位于加拿大努纳武特行政区的巴瑟斯特因莱特，冰消期以来，因冰盖消融而引起的岩石圈均衡作用，导致该地区海平面一直在下降，形成了众多海岸线，现在这个地区的海平面仍在下降，如下图所示。

冰消期以来加拿大努纳武特行政区形成的海岸线

四，未 来 展 望
地球系统科学研究进入新的时期，人类上天、下海以及向地球深部进军的能力逐渐增强，各类探测器渐渐遍布天空、海洋、地表及以下，建立了庞大的对地球系统状态的观测网络，实时获取地球系统各圈层要素的信息。地史学将地球系统科学的研究横跨时空，古今过程的结合，帮助我们更好的认知地球的过去、现在和未来。同时超级计算机的出现，极快的运算速度和庞大的存储容量， 使得人们对于高度复杂的非线性地球系统的模拟有了可能，利用大数据、云计算等现代信息技术处理分析数据，建立模型，推进着地球系统科学的发展。
1, 原始数据获取

1,现代过程的观测体系

利用空天地一体化的调查方法技术，通过各类观测平台，获取地球系统各要素的数量、产状、结构、分布等基础要素信息。如在全球层面，已建立了全球环境监测系统（GEMS）、全球陆地观测系统（GTOS）、全球海洋观测系统(GOOS)、全球气候观测系统（GCOS）、国际长期生态研究网络（ILTER）、通量观测网络（FLUXNET）和综合全球观测战略（IGOS）等，通过天上卫星、陆表观测台站、海洋浮标、潜标和深潜器、地球深部探测等获取第一手数据，目前已更深程度地开展，上天、入地和下海等的数据获取，扩张人类认知地球的边界。

2,地史资料获取

地球上形成的各类岩石和沉积物忠实地记录了当时的地质过程及环境信息，是记录地球历史的“天然书籍”，我们可以利用这些材料去重建地史时期的地球系统演变过程。目前已经开展的大洋和大陆钻探等，正帮助人们往更古老的地质历史延伸，而高精度仪器分析技术的进步，使得人们可以获取更高时空分辨率的地质信息。

2, 模拟与预测体系及服务可持续发展

在获取第一手原始数据后，需要对所发生的各个时空尺度的地球系统过程进行模拟，以更好认知地球系统不同圈层、不同过程、不同时空尺度的运行与演变规律，并服务于可持续发展。近年来，原始数据的观测力度在不断增强，在模拟和预测方面刚刚起步，但发展势头迅猛。

气候模式的演变

2002年3月，日本地球模拟器开始运作，致力于带动日本海洋地球科学及相关领域的研发。

2015年3月，中科院大气物理研究所联合中科院计算所、中科院网络中心、中科曙光等单位率先启动“地球数值模拟装置”原型系统建设项目，2017年“地球系统数值模拟装置”国家重大科技基础设施项目获批建设。

2017年11月，青岛海洋科学与技术国家实验室联合美国国家大气研究中心、美国德州农工大学共同建设国际高分辨率地球系统预测实验室。

2018年4月，美国能源部（DOE）耗费四年时间构建了一个百亿亿次地球系统模型(E3SM)，该模型作为“第一个端到端的多尺度地球系统模型”，它能够模拟地球的地壳、大气、冰山及海洋运动，从而预测地壳、大气及水循环系统相互作用的方式。

相信随着观测手段的多样性发展和技术的长足进步，获取地球系统各要素的数量、产状、结构、分布等基础要素信息的时空分辨率越来越高；计算机运算速度和存储容量的不断发展，超级计算机的飞速进步；地球系统模式向各个圈层和时空深度不断扩展，地球系统科学必迎来更大的发展和进步，从而促进人类对地球本身的科学认知，增强人类适应全球环境变化的能力，服务于可持续发展！

参考资料：

汪品先. 地球系统科学:理解与误解[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2014(4):30-30.

吴福元，郭正堂. 青藏高原隆升能引起全球气候变化吗?. 10000个科学难题

郭正堂. 黄土高原见证季风和荒漠的由来[J]. SCIENTIA SINICA Terrae, 2017, 47(4): 421-437.

王斌, 周天军, 俞永强. 地球系统模式发展展望[J]. 气象学报, 2008, 66(6):857-869.

侯增谦. 立足地球系统科学，支撑自然资源统一管理和系统修复. 中国自然资源报, 2018.

IPCC第五次评估报告(AR5)

舒良树.普通地质学[D].北京.地质出版社

朱诚，谢志仁等[D].北京.科学出版社

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本文经授权转载自《中科院地球环境研究所》微信公众号

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