進入21世紀，地球科學發(fā)展到“地球系統(tǒng)”的新階段，強調(diào)地球巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈之間的相互作用，進而從整體地球系統(tǒng)的視野，對地球各圈層的相互作用過程和機理進行研究。當前更多的對地觀測體系(衛(wèi)星、地表臺站等)，更細的時空分辨率以及更強的數(shù)據(jù)處理(超級計算機)，正逐漸促進人類對地球的科學認知，增強人類適應全球環(huán)境變化的能力，并服務于可持續(xù)發(fā)展！

地球的地質(zhì)作用過程

地球是一個物質(zhì)與能量不斷相互作用下的一個非常復雜的非線性系統(tǒng)，它可以被劃分為幾個基本的圈層，各圈層之間彼此交錯相互影響，圈層之間及內(nèi)部隨時間的相互作用構(gòu)成了地球的演化。

地球隨時間的演化

1，地球系統(tǒng)的構(gòu)成

地球系統(tǒng)指由大氣圈、水圈（含冰凍圈）、地圈（含地殼、地幔和地核）、土壤圈和生物圈（包括人類）組成的有機整體。地球系統(tǒng)科學主要研究各圈層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)分布、各圈層內(nèi)部及之間一系列相互作用過程和形成演變規(guī)律，以及與人類活動相關(guān)的全球變化，為人類認知地球和綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學支撐，以應對全球環(huán)境變化所帶來的挑戰(zhàn)。

地球圈層構(gòu)成

2，地球系統(tǒng)的能量來源

地球系統(tǒng)的演化主要受內(nèi)動力地質(zhì)作用和外動力地質(zhì)作用的共同驅(qū)動，其主要有兩個能量輸入體系。一個是太陽在核聚變過程中向太陽系釋放的太陽輻射能量，直接影響著地球氣候變化、生物光合作用和巖石風化剝蝕等地球表層系統(tǒng)過程，是外動力地質(zhì)作用最主要的能量供給；另外一個是地球內(nèi)部放射性物質(zhì)衰變、物質(zhì)向地球深部遷移釋放的重力勢能和礦物結(jié)晶等釋放的熱量，對大陸漂移、海底擴張、板塊運動、巖漿活動、地震作用、變質(zhì)作用和構(gòu)造運動等過程產(chǎn)生影響，是內(nèi)動力地質(zhì)作用最主要的能量供給。

地球的能量供給和圈層相互作用

3，地球系統(tǒng)的時空特征

地球作為一個由多時、空尺度過程構(gòu)成的復雜巨系統(tǒng)，在空間上表現(xiàn)為多圈層體系。地球各圈層（巖石圈—土壤圈—大氣圈—水圈—生物圈）、各過程（生物過程、物理過程、化學過程）、各要素（如：山水林田湖草海）之間相互作用、相互聯(lián)系、連鎖響應。地球系統(tǒng)科學將大氣圈、生物圈、土壤圈、巖石圈、地幔/地核作為一個系統(tǒng)，通過大跨度的學科交叉，構(gòu)建地球的演變框架，理解當前正在發(fā)生的過程和機制，預測未來幾百年的變化。地球系統(tǒng)科學的研究對象，在空間尺度上可以從分子結(jié)構(gòu)到全球尺度，在時間尺度上可以從數(shù)億年的演化過程到瞬間的破裂變形。

地球圈層構(gòu)成及相互作用

地球演化的不同階段，地質(zhì)作用特征也不相同。在地球形成之初，由于小星體加積，星體之間的引力勢能及其動能由于碰撞轉(zhuǎn)化為熱能，再加上放射性物質(zhì)含量高，衰變速率快，產(chǎn)生了大量的熱能。內(nèi)動力地質(zhì)作用十分發(fā)育，表層地球被巖漿海所覆蓋，逐漸分異出地殼，地幔和地核。相比較而言太陽的較為昏暗，外動力地質(zhì)作用較弱?，F(xiàn)今地球在板塊構(gòu)造體制下，內(nèi)動力地質(zhì)作用依然很活躍，同時太陽光度增強，外動力地質(zhì)作用也非常活躍。

地球形成初期的地質(zhì)作用

不同時期具有不同的地質(zhì)過程

同時地球系統(tǒng)的物理、化學及生物過程在空間上又可以分為許多子過程，各個過程彼此交錯，相互影響。

K?ppen的氣候區(qū)分類

生物圈、生物地球化學的創(chuàng)始人，前蘇聯(lián)著名地球化學家維爾納茨基(1863-1945)，指出生物是地質(zhì)營力的一部分，地圈與生物圈協(xié)同演化。他寫到：“生命并非地表上偶然發(fā)生的外部演化。相反，它與地殼構(gòu)造有著密切的關(guān)聯(lián)，沒有生命，地球的臉面就會失去表情，變得像月球般木然?！?/p>

維爾納茨基及其著作

二十世紀七十年代，英國氣象學家洛夫洛克認為生物與地球組成了一個類似生物的有機體，其擁有一個全球規(guī)模的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是一個“超級有機體”，強調(diào)生物圈對全球環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，認為地球表面的氣候和化學成分，由生物圈維持在一個最適宜生物圈的動態(tài)平衡中，并用希臘神話中大地女神“Gaia蓋婭”命名這個控制系統(tǒng)。

洛夫洛克及地球演化簡史

1，Keeling 曲線

美國斯克里普斯海洋研究所的Charles David Keeling于1958年，在夏威夷Mauna Loa火山頂部持續(xù)采樣，檢測大氣CO₂濃度，發(fā)現(xiàn)CO₂濃度已經(jīng)由1958年的318ppm上升到目前的411ppm，是近80萬年以來CO₂濃度最高值，在冰期時CO₂濃度最低只有185ppm，因此這條著名的大氣CO₂濃度變化曲線又名“Keeling 曲線”。CO₂作為最主要的溫室氣體，是導致全球變暖的主要原因。

David Keeling及Keeling 曲線

Keeling 曲線簡介

2，南極臭氧層空洞

1985年，英國科學家Farman等人總結(jié)他們在南極哈雷灣觀測站自1975年來的觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)從1975年以來，南極每年早春（南極10月份）總臭氧濃度的減少超過30%，在科學界引起震驚，從而使得南極臭氧層空洞問題廣受關(guān)注。1987年世界多個國家簽署《蒙特利爾議定書》，1989年1月1日正式生效，1996年，氯氟烴被正式禁止生產(chǎn)，截至目前臭氧層已經(jīng)穩(wěn)定下來并逐步開始恢復。

1979-2017年南極臭氧層衛(wèi)星圖

南極臭氧層恢復圖及未來趨勢預測

3，“地球系統(tǒng)科學”名詞的首次提出

將地球作為整體、從圈層相互作用著眼的“地球系統(tǒng)科學”，源自“全球變化”的研究。20世紀８０年代為應對“臭氧層空洞”、“溫室效應”的威脅，首先由大氣科學界發(fā)起，在全球范圍內(nèi)對碳循環(huán)等進行跨越圈層的追蹤。1983年，美國國家航空航天局(NASA)建立了“地球系統(tǒng)科學委員會”；1986年NASA首次將地球系統(tǒng)科學(Earth system science)作為一個名詞提出；1988年NASA出版了“Earth System Science: A Closer View'，提出著名的“Bretherton圖”，展示了大氣、海洋、生物圈之間，在物理過程和生物地球化學循環(huán)的相互作用，標志著“地球系統(tǒng)科學”的起步。

“地球系統(tǒng)科學”名詞的首次出現(xiàn)

1，國際全球變化研究計劃

自二十世紀八十年代開始，國際科學界先后發(fā)起并組織實施了以全球變化與地球系統(tǒng)為研究對象，由四大研究計劃組成的全球變化研究計劃，即：世界氣候研究計劃(WCRP，World Climate Research Programme)、國際地圈生物圈計劃(IGBP，International Geosphere-Biosphere Programme)、全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP，International Human Dimension of Global Environmental Change Programme)、生物多樣性計劃(DIVERSITAS)。進入新世紀，四大全球環(huán)境變化計劃又聯(lián)手建立了“地球系統(tǒng)科學聯(lián)盟(ESSP)。

國際全球變化研究計劃歷史圖解

2，未來地球計劃(Future Earth)

2014年，為應對全球環(huán)境變化給各區(qū)域、國家和社會帶來的挑戰(zhàn)，加強自然科學與社會科學的溝通與合作，為全球可持續(xù)發(fā)展提供必要的理論知識、研究手段和方法，由國際科學理事會(ICSU)和國際社會科學理事會(ISSC)發(fā)起、聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)、聯(lián)合國環(huán)境署(UNEP)、聯(lián)合國大學(UNU)、Belmont Forum和國際全球變化研究資助機構(gòu)(IGFA)等組織共同牽頭，組建了為期十年的大型科學計劃“未來地球計劃(Future Earth)”。

未來地球計劃(Future Earth)不但明確了重整國際全球變化研究組織的時間表和新的組織機構(gòu)，更是為現(xiàn)有的國際全球變化四大計劃和ESSP確定了消亡路線圖和時間表。該計劃旨在為全球可持續(xù)發(fā)展提供必要的關(guān)鍵知識，打破目前的學科壁壘，重組現(xiàn)有的國際科研項目與資助體制，填補全球變化研究和實踐的鴻溝，使自然科學與社會科學研究成果更積極地服務于可持續(xù)發(fā)展，以應對全球環(huán)境變化所帶來的挑戰(zhàn)。

未來地球計劃(Future Earth)——全球可持續(xù)發(fā)展

3，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)

同時也為應對全球氣候變化及其對社會經(jīng)濟的潛在影響和人類應對策略，1988年由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)和世界氣象組織(WMO)共同成立了政府間氣候變化專門委員會(IPCC)。IPCC負責評審和評估全世界產(chǎn)生的有關(guān)認知氣候變化方面的最新科學技術(shù)和社會經(jīng)濟文獻，目前IPCC有三個工作組和一個專題組。第一工作組的主題是氣候變化的自然科學基礎(chǔ)，第二工作組 是氣候變化的影響、適應和脆弱性，第三工作組是減緩氣候變化。國家溫室氣體清單專題組的主要目標是制訂和細化國家溫室氣體排放和清除的計算和報告方法。

IPCC運作構(gòu)架

4，人類世(Anthropocene)

工業(yè)革命以來，人類活動已經(jīng)逐漸成為主要的地質(zhì)營力。農(nóng)業(yè)耕作、城鎮(zhèn)化以及道路交通等建設大大改變了原有的地表形態(tài)；化石燃料燃燒排放的溫室氣體，改變大氣圈的化學組成，對氣候系統(tǒng)造成了顯著影響。自1970年來，世界人口從37億人增長到76億人；全球CO₂排放量從149億噸增長到368億噸；由大氣CO₂升高導致的海洋酸化，導致了近海生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了退化，尤其是造礁珊瑚；全球地表溫度增加了約0.97度；海表面溫度增加了約0.6度；每十年，北極海冰消融約13.2%；全球海平面上升了14.4cm。我們比1970年，多生產(chǎn)了約15倍的塑料制品，海洋中共累積了約1.5億噸的塑料垃圾。地球已逐漸進入新的地質(zhì)時代——“人類世”(Anthropocene)。2015年12月，全球197個國家在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協(xié)定》，決定共同減少全球碳排放，應對全球氣候變暖。此時地球系統(tǒng)科學已經(jīng)牢牢地扎根在應對全球環(huán)境變化的社會需求和地球與生命科學相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。

人類世(Anthropocene)簡介

5，橫跨時空的地球系統(tǒng)科學

2001年，英、美兩國的地質(zhì)學會在愛丁堡聯(lián)合舉辦了“地球系統(tǒng)過程(Earth System Process)”國際大會，將“全球變化”的概念上推了幾十億年，從太古代光合作用的起源，一直到近代暖池演變的氣候效應。與“全球變化”不同，這里說的“地球系統(tǒng)科學”不但穿越圈層，而且橫跨時空，將“全球變化”的概念應用于地質(zhì)演變，在探索圈層相互作用的同時，研究時間和空間不同尺度的變化過程，揭示不同尺度過程的驅(qū)動機制和相互關(guān)系。地球系統(tǒng)概念進入地質(zhì)科學，不但是全球變化研究圈層相互作用在時間上的延伸，更標志著地質(zhì)科學進入集成研究的新時期。

2001年地球系統(tǒng)過程(Earth System Process)國際大會

大氧化事件與條帶狀鐵建造的形成

大約在24億年前，大氣中的游離氧含量(以相當于現(xiàn)代大氣圈的分壓表示，PAL=Present Atmosphere Level)突然增加，由一個極低的水平急劇增至現(xiàn)在濃度的10%，隨后保持在一個穩(wěn)定水平直至8.5億年前，被稱為“大氧化事件”(Great Oxygenation Event，GOE)，8.5億年前，氧氣含量再次增加，被稱為“新遠古代氧化事件”(Neoproterozoic Oxygenation Event，NOE)直至達到約當前的水平。目前傳統(tǒng)觀點認為，海洋中的藍細菌通過光合作用，使之前還原性的地表環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境。GOE是前寒武時期的一次重大地質(zhì)事件，導致大量厭氧生物的滅絕，真核生物漸漸繁盛，多細胞生物逐漸出現(xiàn)并發(fā)展，改變了海洋化學環(huán)境，使得大量條帶狀鐵建造(Banded Iron Formations，BIFs)形成(BIFs是全世界儲量最大 、分布最廣的鐵礦類型)，是地球表層系統(tǒng)的一次全面變革。

大氧化事件

條帶狀鐵建造

1，海陸分布格局演化

地球氣候系統(tǒng)不僅受太陽輻射緯度分布等的外部影響，同時也受海陸分布及地形等下墊面因素的影響。1912年，德國天文學家阿爾弗雷德·魏格納于發(fā)表論文提出大陸漂移假說，之后隨著海底擴張和板塊構(gòu)造理論的提出，人們發(fā)現(xiàn)地球的大陸和海洋面貌也可以發(fā)生翻天地覆的變化。大陸是地球在長期復雜地質(zhì)作用過程中，由各種不同塊體與組分，歷經(jīng)多次改造而成的復雜拼合體，在地質(zhì)歷史時期，呈現(xiàn)出不同的海陸分布格局，如地球曾經(jīng)可能存在過4次超大陸(地球上所有陸地幾乎拼合在一個塊體之上)，從老到新依次為基諾蘭(Kenorland，26-24億年)、哥倫比亞(Columbia，19-18.5億年)、羅迪尼亞(Rodinia，10億年)和聯(lián)合大陸(Pangaea，2.5億年)。

150Ma以來海陸分布演化

2，聯(lián)合大陸的超級季風

從二疊紀到早侏羅世(約2.5-1.8億年前)的聯(lián)合大陸(Pangaea)，由北半球的勞亞大陸和南半球的岡瓦納大陸在赤道附近連接而成，尤以三疊紀早期為最盛。模擬結(jié)果顯示出全球(全大陸)規(guī)模的“超級季風(Megamonsoon)”：冬、夏出現(xiàn)方向相反的季風，ITCZ在聯(lián)合大陸上作大幅度的遷移，雨量集中在特提斯洋附近，內(nèi)陸降雨量幾乎為零，聯(lián)合大陸氣候的大陸性極強，內(nèi)陸冬夏溫差可以高達50℃。

Pangaea聯(lián)合大陸

3，由青藏高原隆升引發(fā)的一系列氣候變化

大約5000萬年前，板塊運動使印度與亞洲大陸碰撞導致地球歷史上一次重要的造山事件，形成了全球規(guī)模最大的喜馬拉雅—青藏造山帶及世界的屋脊——青藏高原。

青藏高原隆升過程

青藏高原的隆升，改變并形成了我國西高東低的地形格局(我國大陸至少到白堊紀為止仍為東高西低的地勢)；引起了亞洲主要河流分布和走向的變化，改變了陸地向海洋的淡水和沉積物輸送狀況；使地球上大面積的熱帶、亞熱帶和溫帶陸地海拔抬升到4500m以上成為高寒區(qū)，形成冰雪、凍土集中分布的“世界第三極”；使西風環(huán)流發(fā)生分支，夏季的南支氣流和冬季的北支氣流對季風具有加強作用；隆升后的高原在夏季成為大氣的熱源、冬季構(gòu)成冷源，使亞洲大范圍地區(qū)夏季盛行偏南風，從低緯海洋帶來大量水汽，使我國南方成為濕潤的魚米之鄉(xiāng)，而冬季盛行干冷的偏北風，構(gòu)成強大的亞洲季風；對來自海洋的水汽構(gòu)成地形屏障，在亞洲形成世界上最大的內(nèi)陸干旱區(qū)；使得高原區(qū)物理和化學風化加強，吸收大氣CO₂，導致全球逐漸變冷。

高原隆升引起的環(huán)境效應

高原隆升引起的的風化加劇和地殼均衡

環(huán)南極洋流與南極冰蓋形成

新生代以來，全球溫度呈現(xiàn)階段性下降趨勢，始新世／漸新世之交（~34 Ma），降溫極為劇烈，導致南極冰蓋形成。德雷克和塔斯馬尼亞海峽通道的開啟導致環(huán)南極洋流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）形成，從而阻礙了低緯向南半球高緯的熱量傳輸，進而導致南極冰蓋增長。當南極冰蓋繼續(xù)增長，擴大的冰蓋范圍足以封閉整個德雷克海峽時，這時環(huán)南極洋流受阻，環(huán)南極西風漂流帶會消失，增強赤道熱量向南極的輸送，使擴展冰蓋趨于消失，這是南極冰蓋不能擴展成南半球大冰川的一個重要原因。

環(huán)南極洋流

冰川消融引起的地殼均衡調(diào)整

冰川均衡調(diào)整(Glacial isostatic adjustment，GIA)巖石圈對冰期地表冰和海水負荷改變的響應。一方面末次冰消期以來，北美的勞侖泰冰蓋、科迪勒拉和伊努伊特冰蓋以及歐亞大陸的不列顛、斯堪的納維亞和巴倫支海-喀拉海等冰蓋大規(guī)模融化，大量的冰融水進入大洋，造成全球平均海平面上漲約120 m；另一方面，由于冰川的卸載和海洋盆地的加載引起的地球內(nèi)部物質(zhì)的重新分布，導致冰后的地殼運動、地球重力場和應力場的變化，在之前的冰蓋覆蓋區(qū)，可能造成海平面的下降。

冰川消融引起的地殼均衡調(diào)整

如位于加拿大努納武特行政區(qū)的巴瑟斯特因萊特，冰消期以來，因冰蓋消融而引起的巖石圈均衡作用，導致該地區(qū)海平面一直在下降，形成了眾多海岸線，現(xiàn)在這個地區(qū)的海平面仍在下降，如下圖所示。

冰消期以來加拿大努納武特行政區(qū)形成的海岸線

1,現(xiàn)代過程的觀測體系

利用空天地一體化的調(diào)查方法技術(shù)，通過各類觀測平臺，獲取地球系統(tǒng)各要素的數(shù)量、產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、分布等基礎(chǔ)要素信息。如在全球?qū)用?，已建立了全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（GEMS）、全球陸地觀測系統(tǒng)（GTOS）、全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)、全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）、國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡（ILTER）、通量觀測網(wǎng)絡（FLUXNET）和綜合全球觀測戰(zhàn)略（IGOS）等，通過天上衛(wèi)星、陸表觀測臺站、海洋浮標、潛標和深潛器、地球深部探測等獲取第一手數(shù)據(jù)，目前已更深程度地開展，上天、入地和下海等的數(shù)據(jù)獲取，擴張人類認知地球的邊界。

中國風云系列氣象衛(wèi)星

美國對地觀測衛(wèi)星系列

全球海洋觀測系統(tǒng)

中國蛟龍?zhí)栞d人潛水器

中國地球深部探測技術(shù)與實驗研究專項(SinoProbe)

美國地球透鏡計劃(EarthScope)

2,地史資料獲取

地球上形成的各類巖石和沉積物忠實地記錄了當時的地質(zhì)過程及環(huán)境信息，是記錄地球歷史的“天然書籍”，我們可以利用這些材料去重建地史時期的地球系統(tǒng)演變過程。目前已經(jīng)開展的大洋和大陸鉆探等，正幫助人們往更古老的地質(zhì)歷史延伸，而高精度儀器分析技術(shù)的進步，使得人們可以獲取更高時空分辨率的地質(zhì)信息。

中國大陸科學鉆探(CCSD)之亞洲第一井(江蘇省東海縣)

亞洲國家實施的最深大陸科學鉆井之松科二井

國際大陸鉆探計劃(ICDP)之青海湖國際環(huán)境鉆探項目

大洋鉆探計劃(ODP)

格陵蘭冰芯鉆探歷史

第四紀氣候變化主要研究物質(zhì)載體

在獲取第一手原始數(shù)據(jù)后，需要對所發(fā)生的各個時空尺度的地球系統(tǒng)過程進行模擬，以更好認知地球系統(tǒng)不同圈層、不同過程、不同時空尺度的運行與演變規(guī)律，并服務于可持續(xù)發(fā)展。近年來，原始數(shù)據(jù)的觀測力度在不斷增強，在模擬和預測方面剛剛起步，但發(fā)展勢頭迅猛。

氣候模式的演變

2002年3月，日本地球模擬器開始運作，致力于帶動日本海洋地球科學及相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)。

2015年3月，中科院大氣物理研究所聯(lián)合中科院計算所、中科院網(wǎng)絡中心、中科曙光等單位率先啟動“地球數(shù)值模擬裝置”原型系統(tǒng)建設項目，2017年“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”國家重大科技基礎(chǔ)設施項目獲批建設。

2017年11月，青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室聯(lián)合美國國家大氣研究中心、美國德州農(nóng)工大學共同建設國際高分辨率地球系統(tǒng)預測實驗室。

2018年4月，美國能源部（DOE）耗費四年時間構(gòu)建了一個百億億次地球系統(tǒng)模型(E3SM)，該模型作為“第一個端到端的多尺度地球系統(tǒng)模型”，它能夠模擬地球的地殼、大氣、冰山及海洋運動，從而預測地殼、大氣及水循環(huán)系統(tǒng)相互作用的方式。

地球系統(tǒng)模式概念圖

神威太湖之光超級計算機

相信隨著觀測手段的多樣性發(fā)展和技術(shù)的長足進步，獲取地球系統(tǒng)各要素的數(shù)量、產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、分布等基礎(chǔ)要素信息的時空分辨率越來越高；計算機運算速度和存儲容量的不斷發(fā)展，超級計算機的飛速進步；地球系統(tǒng)模式向各個圈層和時空深度不斷擴展，地球系統(tǒng)科學必迎來更大的發(fā)展和進步，從而促進人類對地球本身的科學認知，增強人類適應全球環(huán)境變化的能力，服務于可持續(xù)發(fā)展！

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