流体地球科学与地球系统科学

近年来,地球系统科学逐渐成为地球科学的新趋势,但固体地球科学尚难于融入其中。其根本原因在于地球系统科学属于系统科学或复杂科学的组成部分,而固体地球科学其本质上属于理想科学的范畴,以研究线性地球过程为主,或者以理想科学的手法研究非线性地球过程。流体地球科学不仅研究地球的流体系统,也研究流体系统与固体系统的强和弱相互作用,是固体地球科学融入地球系统科学的唯一途径。     

我国的地球系统科学研究向何处去

近15年来,全球变化与地球系统科学研究在中国广泛开展,我国科学家越来越积极地参加各项国际计划。当前,一些重大的国际计划正在进入其新阶段（如IGBP-II,IODP）,恰好我国也正在制定科技发展中长期规划,迫切需要回顾我国地球系统科学的现状并探讨其今后方向。尽管中国作者的国际论文数量在增长,我国地球系统科学落后于国际的差距仍有拉大的趋势：国际前沿的许多热点问题,在中国尚未提上日程;中国学者在国际计划中早期多有贡献,但在项目总结中却很少有份。为此,提出 3点建议：（1）中国地球科学家应当扩大视野、立足本国、面向全球;（2）应当注意国际前沿动向,促进地学与生命科学在分子水平上的结合;（3）中国的地球科学,应当从以描述为主向探索理的方向发展。我们不应当满足于向国际学术界输出"原料",而要积极参加地球系统科学中关键问题的理论探讨。     

美国地球系统科学教育概况及对我国地球科学教育的启示

近年来，地球系统科学的概念在地球科学界越来越成为最受关注的话题。许多国家的地球科学战略及与地球科学领域的国际研究计划中，都引入了地球系统科学的观念。地球系统科学的出现源自于人类活动对全球变化影响的显著增强和地球监测能力的迅速提高。在地球科学各分支学科研究的基础上，地球系统科学可以使人们更深入地理解控制地球过去、现在和未来状态的物理、化学和生物相互作用。     

对地球系统科学的几点认识

地球系统科学将是２１世纪地球科学的主旋律,它被定义为：“将地球作为一个整体来伯全部知识;对地球的气圈、水圈、生物圈和岩石中的各种作用及各层圈间相互作用时间进行的研究”。此种学术思想可追溯到１００多年前,见於文字也有近二十年。它对当代地学的发展起了重要的推动作用,有四个特点：地球现象的远距离相互联系、影响;内动力和外动力研究一体化;地质作用和生物作用研究一体化;一类活动作为地球系统的一部分。当前地球系统科学的发展也提出了一些新问题,主要的是：在学术思路上对与岩石圈有关的地质作用有所忽视;观察研究系统不全面;还未深人到资源形成和小环境的研究中。近年来的观测试验表明,发生在岩石圈的各种地质作用正积极参与垒球各圈层间的物质能量交换。对它们的忽视,可能正是目前一些生物地球化学循环模型无法平衡的原因。     

黄土沉积与地球圈层相互作用

黄土是地球上分布最为广泛的沉积物之一,黄土的分布区也是旱作农业起源地和古文明的发祥地,养育了地球上数以亿计的人口。作为一种风力搬运的沉积物,黄土也是古气候变化的重要信息载体。长期以来,中外科学家已经对黄土的物理学、地球化学、沉积学、古气候学等开展了多学科的综合研究,取得了瞩目的成就。本文旨在从地球系统科学角度出发,将黄土物质的产生、搬运、堆积及沉积后的成土过程与地球岩石圈、水圈（包括冰冻圈）、大气圈、生物圈的演化联系起来,将黄土作为一个窗口,揭示出看似单一的地质事件（黄土沉积）与地球圈层相互作用之间的内在关联。

     

地球系统科学的发展与展望

简要回顾了地球系统科学从20世纪80年代作为人类迎接全球环境问题的挑战而提出的集成研究方法、到逐步成长为一门新兴学科的发展历程，系统阐述了地球系统科学的研究目标、研究对象、研究方法及所关注的科学问题。地球系统科学是一门连接地球科学、生命科学、计算机和对地观测技术以及其它相关科学的一门新兴的交叉学科。由于它所针对的特定的全球性环境问题，关系到社会的可持续发展和人类的切身利益，因此，它也是一门有极强生命力的科学。     

地球数据是地球科学创新的重要源泉——从地球科学谈科学数据共享

地球科学的科技活动产生地球数据，地球数据又是形成地球科学假说、模式和理论的根据。同时，当代人类活动包括经济活动、社会活动、日常生活和军事活动等，越来越多地需要地球信息数据服务。     

国际地球科学发展态势

从学科发展的角度综述了20世纪80年代以来地球科学研究在思维方式、研究对象的时空尺度、研究内容、研究形式、组织形式、信息交流、方法手段等方面所发生的深刻变化，指出地球科学已经进入地球系统科学时代和为人类社会经济可持续发展服务的时代。进入21世纪，地球科学研究的主要趋向、热点与重点问题是：①突出地球系统科学，关注全球变化与地球各圈层相互作用及其变化的研究，以及人类活动引发的重大环境变化研究；②突出地球演化的动力过程研究，关注地球内部深层过程与岩石圈动力学、气候系统动力学与气候预测、生态系统动力学与生态环境的保护和建设；③突出地球信息科学，关注数字地球、3S（GIS、DIS和GPS）一体化和地球科学定量化的研究趋势；④突出地球管理科学，关注减灾防灾、环境保护治理、资源合理开发利用以及碳循环、水资源、食物与纤维、能源战略等问题；⑤突出地球科学跨学科研究进展与创新，关注经济社会发展对地球科学的影响与需求，重视地球科学在自然科学内部与其他学科的交叉融合以及高新技术在地球科学中的应用。     

关于固体地球系统与地质作用的三点认识

文中讨论了作为极复杂巨系统的固体地球内部运动规律的 3条推论 :(1)地球系统在偏离平衡态时 ,有选择能量耗散最小方式的“惯性” ,在系统内禀熵急增时或者回到一种准稳定的定态 ,或者通过自组织迅速减少内禀熵增加率。换言之 ,地球系统可能有种尽量保存自身内能不受大量耗散的惯性 ,使其总体内禀熵产生率对时空的积分取极小值。我们把这一认识称为总体熵产生率取极小准则 ,对于孤立与渐变的地质过程 ,它等同于热力学第二定律与普里高津最小熵产生原理 ,对于极复杂地球巨系统及远离平衡态情况加了“总体”两字 ,意思是在局部或短期突变时熵产生率可能是大的 ,但它对全球与长时间的积分而言仍然取极小。换句话说 ,作为一个巨系统 ,固体地球在其局部远离平衡状态时 ,仍然能保持总体上内能消耗取极小的惯性 ,维持对全部固体地球时空系统总体熵产生率取极小准则。 (2 )关于地质作用过程演化的定态遍历准则。地球系统的复杂性不仅表现在其非线性 ,即同时存在着多种可能的定态作为其演化的趋势 ,而且表现在其时空发展过程中将经历尽可能多的定态。非线性非平衡态动力学的一般规律符合大多数包含激变事件的地质作用过程。将来在地球系统偏离平衡态足够远时 ,它可能会具有无穷多个耗散结构 ,因而使系统进入完全?     

黄土与地球系统——李希霍芬对黄土研究的贡献及对地球系统科学研究的现实意义

李希霍芬是19世纪德国著名的地质学家,对欧洲和中国黄土的研究工作,以及后来的黄土研究有着深刻影响,其学术思想在地球系统科学研究的时代依然有重要的现实意义。文章简要回顾了李希霍芬对黄土研究的贡献,并探讨这些贡献与黄土研究在地球系统科学研究中的现实意义。从李希霍芬时代到今天,黄土作为全球宝贵的地球系统演化的历史记录,在揭示地球岩石圈、水圈、大气圈、冰冻圈、生物圈及宇宙事件对地球系统的影响发挥了重要作用,并在未来地球系统科学研究时代有旺盛的生命力。     

浅议学科交叉与地球系统科学

以整体系统的观念认识地球 ,强化学科间的交叉与渗透 ,是 2 1世纪初地球科学发展的主题。各国都十分重视推动学科交叉研究 ,并将学科交叉分为Modidisciplinary、Interdisciplinary、Transdiscipli nary三个层次。地球系统科学的两大前沿为“地球系统的联系”和“地球系统的演化” ,2 1世纪地球科学的突破在于地球系统变化理论的形成。笔者指出 :目前 ,我们的观念还跟不上地球科学的发展 ,尤其是“学科交叉”的理念不强 ,缺乏地球系统科学的思维 ,但我们有开展地球系统科学研究的有利条件     

地球系统科学发展方向与趋势

首先从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化和地球系统科学与传统地球科学三个方面介绍了地球系统科学提出的背景;在此基础上,阐述了地球系统科学国内外研究现状;然后详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法,主要内容有研究思路、基本概念、地球系统过程、全球一区域信息获取、海量信息处理和分析及系统模型等;第三构建了地球系统科学理论基础,主要内容包括:地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统;然后重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学模型与效应;第四,概述了地球系统的数字表达——数字地球和地球系统科学是可持续发展战略科学基础。最后,简述了中国开展地球系统科学研究的方向和面临的主要科学问题。     

地球系统科学时代的湖泊科学

湖泊科学是地球系统科学的一个分支,对应传统的湖沼学,其概念内涵已经发生了巨大变化,并且深深地刻上了"流域"与"生态系统"的印记。本文系统梳理了地球系统科学框架下湖泊科学的研究特点、学科体系、发展现状以及研究热点,并结合文献计量手段,对近50年来湖泊科学的总体情况、研究主题以及学科发展未来态势进行了定性与定量分析。研究表明,湖泊科学是一门古老而年轻的综合性学科,发展态势良好,其学科体系目前正处于不断的发展完善之中;建立从"湖泊水体"到"湖泊流域系统"再到"自然-社会综合系统"的湖泊科学研究发展新思路,实现从湖泊专门研究层面向复杂系统层面延伸。我国的湖泊科学研究发展迅速但仍处于起步阶段,在理论和方法上亟待原始创新,形成具有自身特色的、系统的、综合的研究体系和完善而实用的学科服务功能。

     

关于我国开展地球系统研究战略概念模型的讨论

自20世纪末以来,地球科学开始进入一个新的发展时期,地球系统科学理念逐渐成为引领新世纪地球科学的发展方向。世界各国在制定其地球科学战略时,均基于各自掌握的科学资源和实际需求,形成了各自的特色。我国地球科学发展的优势在于区域自然条件,以及社会经济快速发展产生的需求和机遇。基于我国的实际情况的分析,提出了一个地球系统科学研究的概念模型。在这一框架内,我国可以在两方面选择研究范例,并为地球系统科学的发展做出贡献：一是在地球系统物质、能量循环中关注我国具自然条件优势的关键环节;二是强化区域集成研究。同时,还需要加强地球系统观测和模拟的平台建设。     

固体地球科学与全球变化研究

固体地球科学要积极参与全球变化的研究。全球增暖的温室气体ＣＯ２增率与大气升温呈正相关性。第四纪的最末１．５Ｍａ间有１７次冰期，其成因可能与米兰科维奇周期律有关。除现今估算的人类每年燃料排放的ＣＯ２量外，地球内部由火山和地震等的大地构造原因释放的ＣＯ２量需定量估算，甚至可能是大气ＣＯ２增率的主要来源。我国文化历史悠久，对历史中的盛世与气候变迁关系应深入研究。我国的自然条件复杂而独特，应研究其变化特色     

地球深部物质科学在地球深部研究中的作用和意义

为解决地球深部探测过程中地球物理和地球化学两大系列研究成果无法联系和统一的难题，地球深部物质科学应运而生。该学科既要研究组成地球深部的一切物质实体的物理和化学的属性，又要从物质的角度去研究地球深部的结构和动力学过程。随着该学科的发展，将会为地球深部的观测结果和计算模拟结果赋予物质内容，从而促进对地球深部的物质组成、结构分层以及动力学形成统一认识，建立适合于各学科的地球深部模型。