地球系統科學

地球系統科學

地球系統科學理論構建主要取決于地球科學、科學技術與可持續發展三大背景和挑戰。其意義是:21世紀,地球系統科學將以全球性、同意性的整體觀、系統觀和多時空尺度,研究地球的整體行為。地球系統科學理論的構建,將使人類更好的認識所賴以生存的環境,更有效地防止和控製可能突發的災害對人類做造成的損害。

  • 中文名稱
    地球系統科學
  • 提出時間
    1983年
  • 前    身
    地球科學
  • 性    質
    學科

概述

地球系統科學地球系統科學

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系、相互作用中運轉的機製,地球系統變化的規律和控製這些變化的機理,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。

地球系統科學是從傳統的地球科學脫胎而來的。人類的生活要從環境中獲取食物、能源,故必然關心所居住的環境,對所立足的地球產生求知欲,于是逐漸形成了地球科學的各分支,如氣象學、海洋學、地理學、地質學、生態學等。然而,它們是對地球的某一組成部分的分門別類的研究。隨著研究的深入,形成了各自的研究方法、手段和目的。但是,由于地球的空間廣域性,形成它的時間悠久性和組成其要素的復雜性,分門別類的研究盡管有的學科已達定量、半定量化的研究水準,但仍不能完整地認識地球,傳統地學面臨著挑戰。用系統的、多要素相互聯系、相互作用的觀點去研究、認識地球,越來越為有識之士所倡導。于是,在20世紀80年代中期,特別以美國地球系統科學委員會(Earth System Sciewce Committee)在1988年出版的<地球系統科學>一書為標志的“地球系統科學”思想和概念被明確提出。事實上,本世紀六七十年代在中國興起的對自然地理各要素進行綜合研究的思想,可以看作是(表層)地球系統科學的萌芽。隻是後者涉及的範圍、領域更廣,時間更長,系統的方法和現代技術手段更加先進完善而已。

意義

地球系統科學地球系統科學

1988年,美國國家航空與宇航局(NASA)顧問委員會地球系統科學咨詢委員會公布了一份具有創新意義的檔案,從那時起,這份檔案指明了NASA地球科學計畫與任務的發展方向<地球系統科學-近距觀察>定義了地球系統科學的目標和任務:目標——通過對地球系統的構成及其相互作用、功能以及在整個地質年代將如何演化的論述來科學地理解全球規模完整的地球系統。

任務——提高預測未來10-100年自然和人類活動引起地球系統變化的能力。

地球系統科學咨詢委員會在地球研究的這個新觀點中指出,地球系統科學將地球的各組成部分視為一個統一的動力系統,將加深人們對地球組成部分相互作用的理解。這一觀點構築在傳統學科之上,其本質是強調物理和動力特征的相互作用,這種作用在空間尺度上從毫米級到地球的周長,在時間跨度上從數秒鍾到數十億年(圖1)。地球研究的這一系統方法作為一種有確鑿依據的架構已普遍為人們所接受,由此而引發一些學科和跨學科的問題,目前,它構成了美國國家科學基金會(NSF)長期規劃“NSF 2000年之後的地球科學:前十年的展望”草案的基礎。地球系統科學還是“塑造未來”研究報告所推薦的觀點,這份報告論述了大學地球科學教育的未來。圖1. 引自《地球系統科學-近距觀察》,NASA(1988)。本圖提出了實施ESSE計畫的概念架構,確立了地球系統科學的關鍵領域以及系統內動力/物理相互作用過程。地球系統科學對于理解我們這個存在水的星球的科學尺度、與人類活動相關的自然氣候系統以及可持續發展的未來需求都是至關重要的。圖2. 金字塔結構的概念,說明了在較廣的社會領域內地球系統科學與全球變化教育的關系。有關地球系統科學和全球變化的寬闊基底和有序高層教育為社會活動以及實現全球可持續性目標和製約條件的行動奠定了基礎。地球系統科學和全球變化的課程要求基礎學科與套用學科的結合,這樣才能奠定這一基礎。

地球作為相關子系統構成了一個復雜動態統一體,這一概念是近于直觀的。在地球系統內,不存在與系統其他要素完全隔絕的作用過程或現象。盡管這種相互聯系是符合哲理的,但它卻給那些嘗試定量分析系統內各種要素、狀態和作用過程的研究人員提出了巨大的挑戰。任何個人、科研單位或大學都不具備博大精深的知識來迎接這種挑戰。隻有大學校內和大學之間不同學科的科研力量聯合起來才能充分評價地球系統科學的多樣性和復雜性。地球系統科學教育(ESSE)計畫所屬的、基于院校的NASA/USRA(大學空間研究聯合會)合作項目的核心就是通過院校之間以及與其他合作伙伴之間的聯手開設跨學科課程以及課堂主題標準。教育者在課堂開設跨學科課程,以加深對地球系統的理解,他們面臨的挑戰是令人敬畏的。鑒于地球系統科學是尋求構築一種系統內過程和狀態支撐的多學科架構,它還必須保持傳統學科的長處,以便理解基本的概念和復雜的相互作用。這種研究地球並把地球系統科學作為一個專題的整體研究方法已吸引了眾多的大專院校。

金字塔結構說明了在較廣的社會領域內地球系統科學與全球變化教育的關系。有關地球系統科學和全球變化的寬闊基底和有序高層教育為社會活動以及實現全球可持續性目標和製約條件的行動奠定了基礎。

在金字塔的底部,相關學科的信息和知識是極為重要的。上一層為學科綜合的信息和知識,是通過對單一學科和多學科研究形成“跨越有關學科交叉的子空間”的信息和知識。在普及教育、大學和研究生教育層次教授與運用這類知識,另外還包括各類專業知識——地球物理、經濟、社會、醫學、法律、新聞等,最終將會形成一個信息社會。

研究和開設與全球變化相關的地球系統科學的系列綜合課程將提供基本知識、激發公眾的興趣、形成一個信息社會。為迎接21世紀議程的挑戰,所有這些都是必需的,並將朝著下世紀可持續發展方向邁進。

特征

地球系統科學地球系統科學

地球系統科學是應人類面臨的根本生存環境危機---全球變化的嚴峻挑戰而興起,在近年諸多高新技術在地學上的套用研究而促進其發展,它反映了現代人類對人-自然界關系的哲學理念。但是,概念盡管已提出,行動卻尚有不少困難。首先就是面對這個復雜的開放的巨系統,如何能適時地、多周期地獲取系統多參數的海量資料?同時,又如何對海量資料進行整合、集成以及選取合適的參數進行數學建模?模型又如何能適時地檢驗?如何對全世界成千上萬的地學實驗室、科研機構、大專院校的科學研究和獲取的寶貴資料能進行共享、交換?這些問題均有待解決。地球系統科學又面臨困境。幸運的是,地球系統科學由于現代工程技術科學的參與與支持,將出現一場新的技術革命。數位地球就是這場技術革命的集中體現,它有望給地球系統科學帶來研究方法,手段的革命性變化。

地球系統科學是以全球性、統一性的整體觀、系統觀和多時空尺度,來研究地球系統的整體行為,使得人類能更好地認識自身賴以生存的環境,更有效地防止和控製可能突發的災害對人類所造成的損害。地球系統科學在現代技術,尤其是空間技術和大型電腦發展後出現,致力于對地球的整體探索。它以地球科學許多分支學科的大跨度交叉滲透,與生命科學、化學、物理學、數學、信息科學以及社會科學的緊密結合為特征。其研究發展的特點為時空尺度大,綜合性強,實用空間大,支持有效監測和預測,研究中大量採用高新技術,採集、存儲、處理的資料量都極其巨大。

研究

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地球系統科學的概念最早是由美國國家航天局(NASA)于1983年提出的。1980年代中期以來,地球科學發展迅猛,科學家明確提出地球物理過程與生物過程相互作用的觀點,進而形成了地球系統的思想。1990年代,這一觀點逐漸成為地學界共識,美國、英國、日本等國紛紛製定相關計畫,更促使了這一學科蓬勃發展起來。美國已有22所大學將地球系統科學教育納入課程之內,聯合國的《21世紀議程》更將地球科學作為可持續發展戰略的科學基礎之一。

要解決地球系統科學的一些重大突出問題,將需要有跨過學科邊界的有效的和持續的合作。基于這一思想,英國自然環境研究委員會(NERC)于2002年12月提出了一項地球系統科學研究計畫——量化並理解地球系統(QUEST)計畫,並于2004年7月發布了該計畫的科學計畫和實施計畫。QUEST計畫為期6年(2003—2009年),其主要目標是提高對地球系統中大尺度過程及其相互作用的定性和定量理解,特別關註大氣、海洋、陸地中的生物、物理和化學過程之間的相互作用以及人類活動與它們之間的復雜關系。QUEST計畫主要集中于三個研究主題:現今的碳迴圈及其與氣候和大氣化學之間的相互作用;大氣成分在冰期-間冰期和更長時間尺度上的自然變化;全球環境變化對資源可持續利用的影響後果。

德國聯邦政府教育與研究部和德國科學基金會(DFG)共同策劃製定了未來15年(2000-2015年)的超大型研究計畫——地球工程學,並已于2000年3月就正式定稿和招標實施。地球工程學是把地球的整體作為研究對象,該計畫將有助于從地史時期的發展過程研究中探索地球的未來狀況。在這個計畫中,進一步明確了地球科學的任務,即與其他科學進行學科間合作,在工業方面為解決緊迫的、與社會發展關系重大的問題和生態問題做出貢獻。該計畫的研究目標是認識這些過程及其相互變化關系,以及評估人類對于自然平衡和自然迴圈的影響。

氣象學家葉篤正等以地球系統科學為指南,從整體的角度出發,從1987年開始開展了中國的全球變化預研究。2001年1月,中國科學院院長路甬祥把對“地球系統整體行為的集成研究”列為21世紀科學家要面對的第九大挑戰。2002年10月,溫家寶在中國地質學會80周年紀念大會上講話時也強調,必須實現傳統地質工作向以“地球系統科學”為核心內容的現代地質工作的轉變。自然科學基金委地學部也于2002年3月提出了21世紀初的地球科學戰略重點,擬定了“以地球系統各圈層的相互作用為主線,從我國具有優勢的前沿領域尋找主攻目標”的優先資助領域戰略。

理論

地球系統科學是把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會等組成部分構成的統一系統,是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學。研究目的是了解地球系統所涉及的過程,各組成部分之間的聯系和相互作用,維持充足的自然資源供給,減輕地質災害,調節全球環境變化並使危害降到最小,獲取在全球尺度上對整個地球系統的科學理解。

地球系統科學的研究步驟由四部分構成:現象的觀測和資料的積累;對觀測資料進行分析和解釋,從物理、化學和生物學的規律出發,建立有關地球過程的定量關系;在前兩項的基礎上建立概念模型和數學(數值)模型(和實驗);驗證模型,並用它對未來的變化趨勢進行統計預測和預報。

隨機性是復雜地球系統的重要特征之一。若地球系統中一個系統的狀態演化可用一個隨時間變化的隨機變數來描述,則稱該系統為一隨機過程。自組織是地球系統科學的一個重要概念,它是地球復雜系統演化時出現的一種現象。在地球系統實現空間、時間或功能的結構過程中,如果沒有外界的特定幹擾,僅是依靠地球系統內部的相互作用來達到的,便可以說地球系統是自組織的。地球系統科學從系統局部與整體的關系出發來研究地球系統,簡單地球巨系統是研究的基礎和起點,運用地球系統自組織理論來研究簡單巨系統,使對這一類地球系統有個基本的認識。

地球系統科學研究的對象是從簡單性和簡單系統轉向復雜性和復雜系統,要求在方法論上實現根本轉變。概括地說,凡是不能用還原論方法處理的問題,或者需要用新的科學方法處理的問題,都是復雜性問題,復雜巨系統就是這類問題。因此,在面對復雜的地球系統問題時,總是設法把復雜性簡化掉,即把復雜性當作簡單性處理。當對象是典型的簡單系統,或者屬于不夠典型的復雜性問題時,這樣處理是可行的或近似可行的。這也是地球系統復雜性研究的主要理論基礎。

計算

地球科學發展的一個趨勢是:從對局部的個別學科的研究發展為對整個地球系統及其各部分相互關系影響的研究,從定性的研究發展為對地球動力學過程的定量化研究。先進的新技術使地球科學家獲得了空前豐富的觀測資料,而對這些資料的處理、分析和深入理解,離不開現代計算科學和技術。

在數值模擬技術方面,日本的地球模擬機(Earth Simulator)計畫獨樹一幟。日本政府為此投入4億美元研究經費,且有多個大學和研究所的人員長期參與了該項目。該計畫已建成了利用並行計算技術模擬三維黏彈性非均勻各向異性介質中地震輪回三維動力學問題的技術平台(GEOFEM),內含斷層本構關系、斷層相互作用、地震波在三維黏彈性各向異性介質中傳播與破裂發展的動力學問題等,計算能力極強。該計畫的實施可以完成強地面運動的模擬和預測,對防震減災意義重大。

美國、澳大利亞的數值模擬技術也發展很快。澳大利亞政府長期投巨資(近幾年已投入近千萬美元)資助昆士蘭大學以莫拉(P.Mora)教授為首的研究集體,研究開發了微觀模擬的格狀固體粒子模型地球(LSMearth),現在用該模型已能模擬摩擦、斷裂、斷層、波動、熱作用、水因素等多種與地震有關的現象,在國際上已產生了重要的影響。美國則在高科技方面投巨資研究地球科學,例如,NASA從2003年開始將執行一個固體地球研究虛擬觀測(SERVO)八年計畫,其海量資料的模擬也令人嘆為觀止。

相對而言,中國在數值模擬領域內差距較大,而且長期低水準重復,但近年來,中國在與地學計算有關的數值計算技術和套用數值計算的地球科學前沿問題和計算技術硬體上取得了一些進展。例如,聯想深騰6800已經在世界超級電腦前500名中排名14,另外在軟體研究上也開發了並行有限元程式自動生成系統。但總的來說,國內現代計算技術在地球科學中的套用與世界先進水準還存在差距。

技術

信息獲取

地球系統科學的核心是地球空間信息科學,地球空間信息科學的技術體系中最基礎和基本的技術核心是3S技術及其集成。3S是遙感(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS)的統稱。這裏所說的集成,是指一種有機的結合,線上的連線、即時的處理和系統的整體性。

遙感技術

當代遙感技術已能全面覆蓋大氣視窗的所有部分。光學遙感可包含可見光、近紅外和短波紅外區域。熱紅外遙感的波長可達到8~14毫米,微波遙感觀測目標物電磁波的輻射和散射,分被動微波遙感和主動微波遙感,波長範圍為1毫米~100釐米。

遙感的高解析度特點體現在空間解析度、光譜解析度和溫度解析度三個方面。長線陣CCD成像掃瞄器可以達到1~2米的空間解析度,成像光譜儀的光譜細分可以達到5~6納米的水準。熱紅外輻射計的溫度解析度可從0.5開提高到0.3開乃至0.1開。

隨著小衛星群計畫的推行,可以用多顆小衛星實現每2~3天對地表重復一次採樣,獲得高解析度成像光譜儀資料,多波段、多極化方式的雷達衛星,將能解決陰雨多霧情況下的全天候對地觀測,通過衛星遙感與機載和車載遙感技術的有機結合,是實現多時相遙感資料獲取的有力保證。

遙感信息的套用分析已從單一遙感資料向多時相、多資料源的融合與分析過渡,從靜態分析向動態監測過渡,從對資源與環境的定性調查向電腦輔助的定量自動製圖過渡,從對各種現象的表面描述向軟體分析和計量探索過渡。近年來,由于航空遙感具有的快速機動性和高解析度的顯著特點使之成為遙感發展的重要方面。

地理信息系統技術

隨著數位地球這一概念的提出和人們對它的認識的不斷加深,從二維向多維動態以及網路方向發展是地理信息系統發展的主要方向,也是地理信息系統理論發展和諸多領域如資源、環境、城市等的迫切需要。在技術發展方面,一個發展是基于客戶端/伺服器結構,即使用者可在終端上調用伺服器上的資料和程式;另一個發展是通過網際網路絡發展GIS,可以實現遠程尋找所需要的各種地理空間資料,包括圖形和圖像,而且可以進行各種地理空間分析,這種發展是通過現代通訊技術使GIS進一步與信息高速公路接軌。利用資料挖掘技術,可以從空間資料庫中自動發現規律,用來支持遙感解譯自動化和GIS空間分析的智慧型化。

空間定位技術

GPS作為一種全新的現代定位方法,已逐漸在越來越多的領域取代了常規光學和電子儀器的定位。1990年代以來,GPS衛星定位和導航技術與現代通信技術相結合,在空間定位技術方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間,從靜態擴展到動態,從單點定位擴展到局部與廣域差分,從事後處理擴展到即時(準即時)定位與導航,絕對和相對精度擴展到了米級、釐米級乃至亞毫米級,從而大大拓寬它的套用範圍和在各行各業中的作用。

信息處理和表達

地球是一個復雜的巨系統,地球上發生的許多事件及其變化和過程十分復雜且呈非線性特征,時間和空間的跨度變化大小不等,差別很大,隻有利用高速電腦,才有能力來模擬一些不能觀測到的現象。利用資料挖掘技術,將能夠更好地認識和分析所觀測到的海量資料,從中找出規律和知識。科學計算能突破實驗和理論科學的限製,建模和模擬可以更加深入地探索所蒐集到的有關地球的資料。地球系統科學研究的最新進展對其研究平台和環境提出了更高的要求,格線計算技術的發展及信息化科研環境概念的適時提出是地球系統科學研究解決方案的必然選擇。

地球系統科學的信息表達的方式主要有可視化和虛擬現實技術。可視化是實現數位地球與人互動的視窗和工具,沒有可視化技術,電腦中的一堆數位是無任何意義的。信息表達的另一個顯著技術特點是虛擬現實技術。建立了數位地球以後,使用者戴上顯示頭盔,就可以看見地球從太空中出現,使用使用者介面來放大數位圖像;隨著解析度的不斷提高,將能看見陸地,然後是城市、鄉村,最後是私人住房、商店、樹木及其他天然和人造景觀;若對某個商品感興趣時,可以進入商店內,欣賞商場內的衣服,並可根據虛擬體型試穿衣服。虛擬現實技術為人類觀察自然、欣賞景觀、了解實體提供了身臨其境的感覺。實際上,人造虛擬現實技術在攝影測量中早已是成熟的技術,近幾年的數位攝影測量的發展,已經能夠在電腦上建立可供測量的數位虛擬技術。當然,當前的技術是對同一實體拍攝照片,產生視差,從而構造立體模型。進一步的發展是對整個地球進行無縫拼接,任意漫遊和放大,由三維資料通過人造視差的方法,構造虛擬立體模型。

數位套用

數位地球是地球系統科學的數位表達,將有利于從對自然現象的描述向定量化方向發展。數位地球是以地球系統為原型,以地球(理)坐標為參考系,以地球系統科學、信息科學和計算科學為理論基礎,通過建立一系列不同層次的原型、數學模型、物理模型、力學模型、信息模型和電腦模型並集成。同時,以對地觀測和網路高新技術為支撐,建立具有多解析度、海量資料和多種資料的融合,並可用多媒體和模擬仿真虛擬技術進行多維的表達,具有空間化、數位化、網路化、智慧型化和可視化的技術系統。以了解整個地球系統所涉及的信息過程,特別關註地球系統各圈層之間信息的聯系和相互作用的規律。主要研究內容包括:數位地球提出背景;數位地球研究方法;數位地球原型;地球系統場理論基礎;數位地球物質模型;數位地球力學模型;數位地球數學模型;數位地球信息模型;數位地球信息獲取技術與模擬;數位地球空間信息基礎設施;數位地球技術方法;數位中國與數位工程等。

研究青藏高原的隆升對于環境和人類活動的影響,這是一個涵蓋地球科學和生物學諸多分支學科的主題,不同學科可以從各自的學科出發,對這一主題進行論證。在國家實施西部大開發戰略的過程中,一切長遠的基礎設施,如鐵路、公路和水利工程、地下資源開發和農林牧業發展及城市建設,都要和生態、環境的保護改善協調進行。我國西部的大部分地區,特別是青藏高原氣候寒冷幹燥,生態環境脆弱,更要密切註意氣候與環境變化的大趨勢和人類活動增強對生態和資源的影響。利用地球系統科學研究方法,可以正確地評價這種趨勢,預籌適應可持續發展的戰略,避免可能出現的不利行為。可以肯定,青藏高原及鄰區在21世紀將出現氣候環境和災害的大變化,可能會帶來上述涉及內容以外的許多問題,如自然災害的加重,疾病的流行等;也會帶來好處,如作物生長期延長有利于農業的發展等。研究這些問題屬于區域性的地球系統工程。因此,青藏高原及鄰區是發展地球系統科學,探討以山地系統為載體、各圈層相互作用最好的天然實驗室。

可持續發展的社會需求是多方面、多層次的。地球系統科學作為規劃與對策的科學基礎應劃分為兩大層次,即滿足可持續發展中面臨的緊迫問題的任務研究和遠期效應的基礎研究。但二者又有許多內在聯系,相互促進、不能截然分開。地球系統科學是可持續發展戰略的科學基礎,不僅要研究自然規律,而且還要為社會發展提出規劃依據。實際套用中要加強地球系統工程規劃和地球系統管理,爭取早日真正解決人口、資源、環境、災害等與人類可持續發展密切相關的問題,真正實現地球系統科學成為可持續發展戰略的科學基礎。

教育計畫

鑒于地球系統科學是作為一個研究全球變化的科學尺度的構架而出現的,NASA、USRA以及大學科技人員認為,亟待建立一種激勵校園內、大學之間以及大學與政府科研中心開展科學合作的機製。USRA提出了ESSE的概念,它是在地球科學教程編研過程中形成以大學為基地的一種合作形式。這一架構的目的是消除傳統障礙,發展跨學科的科學教育體系。

1991年,美國22所大學被選入ESSE首期計畫。1995年,該計畫規模擴大,到2000年又有22所大專院校加入計畫的行。ESSE計畫第二階段突出了全球變化更廣的研究領域,包括了自然科學和社會科學的研究領域。每年數以千計的大學生參加這一計畫、100多位大學教研人員直接投入到計畫之中。

ESSE強調了課堂教育、師生之間的合作與交流,其重點放在全球變化的科學和人文方面以及共享的教學資源。ESSE開設了地球系統科學專題的初級和高級課程。在ESSE網站可以共享有關的教材。另外還開通了地球系統科學和全球變化研究專題的伺服器,作為參與人員討論相關論題和問題的論壇。每年召開專題教學研討會,教師們交流經驗,為參與者教授新的軟體和課堂教學方法。ESSE支撐的目標是,通過大學與其他機構的合作開設跨學科課程和主題標準。

相關內容

[1] 畢思文.地球系統科學與可持續發展.北京:地質出版社,1998.

[2] 畢思文,許強.地球系統科學.北京:科學出版社,2002.

[3] 葉篤正.中國的全球變化預研究.北京:氣象出版社,1992.

[4] 黃秉維,鄭度,等.現代自然地理.北京:科學出版社,1999.

[5] 陳述彭,曾杉.地球系統科學與地球信息科學.地理研究,1996,15(2): 1-10.

[6] 畢思文.數位地球(地球系統數位學).北京:地質出版社,2001.

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