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地球系统科学 : 方向与措施

地球系统科学 : 方向与措施. 孙　枢 中国科学院地质与地球物理研究所 2007 年 4 月　. 内 容. 引言： 20 年的历程 近中期主要发展方向 1. 地球系统科学伙伴计划 2. 综合大洋钻探计划初始科学计划 3. 地球系统概念与地学各学科的互动 4. 生命系统与地球系统的相互作用 — 地球生物学和地球微生物学 5. 地球系统的观测与模拟 我国在研究与教育方面应采取的措施 1. 基础研究需继续奋进 2. 加强学科交叉 , 发展综合性多学科论坛 3. 紧紧抓住热点创新 4. 新时期的更高目标：原始创新 5. 发展地球系统科学教育 结语.

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地球系统科学 : 方向与措施

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  1. 地球系统科学:方向与措施 孙　枢 中国科学院地质与地球物理研究所 2007年4月　

  2. 内 容 引言：20年的历程 近中期主要发展方向 1.地球系统科学伙伴计划 2.综合大洋钻探计划初始科学计划 3.地球系统概念与地学各学科的互动 4.生命系统与地球系统的相互作用—地球生物学和地球微生物学 5.地球系统的观测与模拟 我国在研究与教育方面应采取的措施 1.基础研究需继续奋进 2.加强学科交叉,发展综合性多学科论坛 3.紧紧抓住热点创新 4.新时期的更高目标：原始创新 5.发展地球系统科学教育 结语

  3. 引言：20年的历程 上世纪80年代提出 Earth System Science(ESS) 概念，至今已近20年。它同大陆漂移说和板块构造说不同,ESS几乎没有遭到任何反对,基本上顺风顺水。

  4. 魏格纳1915年出版<海陆起源>一书曾经盛极一时,他在汉堡的住宅成了热心者们的”朝圣”地.但1926年美国的一次会议居然拒绝了这一学说,从此被冷落了近40年。魏格纳1915年出版<海陆起源>一书曾经盛极一时,他在汉堡的住宅成了热心者们的”朝圣”地.但1926年美国的一次会议居然拒绝了这一学说,从此被冷落了近40年。

  5. 1962年海斯提出海底扩张说,接着一系列的新发现导致1960年代末板块构造理论的诞生.随后也曾遭到不少学者的反对.但这一代表地球科学革命的理论毕竟成了20世纪的重大科学成就1962年海斯提出海底扩张说,接着一系列的新发现导致1960年代末板块构造理论的诞生.随后也曾遭到不少学者的反对.但这一代表地球科学革命的理论毕竟成了20世纪的重大科学成就 H.Hess在运输舰上

  6. 地球系统科学概念提出时 • 强调了一个思路-----地球是一个系统,子系统的相互作用和演化,人类活动的重要性 • 提出一个新学科的轮廓-----整体地球系统的科学

  7. 它被认为是地球科学发展的新方向,是新世纪地学革命的突破口,吸引了众多的努力它被认为是地球科学发展的新方向,是新世纪地学革命的突破口,吸引了众多的努力 • 国际计划 • 多国资助机构的指导思想 • 发展战略探讨 • 相关的教育计划 • 至今已经取得一些重要成果,从学科意义上看到了未来的方向.

  8. 近中期主要发展方向 1.地球系统科学伙伴计划 • 世界气候研究计划(WCRP,1980,2005-2015) • 气候变率与可预报性(CLIVAR) • 全球能量与水循环试验(GEWEX) • 平流层过程及其在气候中的作用(SPARC) • 气候与冰冻圈(Clic) • 海洋表层—低层大气研究(SOLAS) 核 心 项 目

  9. 近中期主要发展方向1 • 世界气候研究计划(WCRP,1980,2005-2015) • 2005-2015的战略框架:地球系统的协调观测与预测(COPES)

  10. 近中期主要发展方向1 • 世界气候研究计划(WCRP,1980,2005-2015) • 例如GEWEX的观测战略,包括洲际和流域尺度试验以及全球卫星观测.

  11. 近中期主要发展方向1 • 世界气候研究计划(WCRP,1980,2005-2015) SOLAS研究范围

  12. 近中期主要发展方向1 • 国际地圈生物圈计划(IGBP,1987;IGBP-I1990-1999; IGBP-II2004-2013) IGBP-II 2004-2013

  13. 近中期主要发展方向1 • 国际地圈生物圈计划(IGBP,1987;IGBP-I1990-1999; IGBP-II2004-2013) • 项目:地球系统的分析.集成与模拟(AIMES) • 全球大洋生态系统动力学(GLOBEC) • 全球土地项目(GLP) • 国际全球大气化学(IGAC) • 综合土地生态系统-大气过程研究(iLEAPS) • 综合海洋生物地球化学和生态系统研究(IMBER) • 海岸带的陆海相互作用(LOICZ) • 古全球变化(PAGES) • SOLAS

  14. 近中期主要发展方向1 • 国际生物多样性科学计划(DIVERSITAS,1991) • 第三阶段制订了生物多样性科学的国际框架,2003年命名了三个核心项目: • bioDISCOVERY----发现生物多样性和预测其变化 • ecoSERVICES------评估生物多样性变化对生态系统功能 • 和服务的影响 • bioSUSTANABILITY----发展生物多样性的保护和可持续 • 利用科学

  15. 近中期主要发展方向1 • 全球环境变化国际人文因素计划(IHDP,1996) • 核心项目:全球环境变化与人类安全(GECHS) • 全球环境变化的制度因素(IDGEC) • 工业转型(IT) • 土地利用与土地覆盖变化 (LUCC) • 海岸带陆海相互作用(LOICZ) • 城市化与全球环境变化(UGEC) • 全球土地项目

  16. 近中期主要发展方向1 • 地球系统科学伙伴计划(ESSP) 2001年把上述四个计划联合形成ESSP,进行地球系统的集成研究:系统的结构与功能,系统的变化,以及对全球可持续发展的意义.

  17. 近中期主要发展方向1 • 地球系统科学伙伴计划(ESSP) 还有少量的集成区域研究,第一个是季风亚洲.

  18. 近中期主要发展方向1 • 全球变化研究的成就 2001年IGBP科学丛书之四总结了IGBP及其它全球变化计划过去十年来的工作.

  19. 该书强调全球变化研究取得了丰硕成果,揭示了地球系统的复杂性和相互作用的本质,以及人类活动影响该系统的方式;全球变化已经超越地球系统过去50万年的自然变率范围;目前正在发生的变化的本质,变化的幅度和速率都是前所未有的.四大计划强调,要构建一种综合的地球系统科学,以应对全球可持续发展的挑战.该书强调全球变化研究取得了丰硕成果,揭示了地球系统的复杂性和相互作用的本质,以及人类活动影响该系统的方式;全球变化已经超越地球系统过去50万年的自然变率范围;目前正在发生的变化的本质,变化的幅度和速率都是前所未有的.四大计划强调,要构建一种综合的地球系统科学,以应对全球可持续发展的挑战.

  20. 近中期主要发展方向 2.综合大洋钻探计划初始科学计划

  21. 近中期主要发展方向2

  22. 近中期主要发展方向2 综合大洋钻探计划2003-2013年的初始科学计划提出应用多种钻探平台和新技术对地球系统进行科学研究.

  23. 近中期主要发展方向2 综合大洋钻探计划主要研究 .深部生物圈和海底下的海洋 .环境变化,过程和影响 .固体地球旋回和地球动力学

  24. 近中期主要发展方向 3.地球系统概念与地学各学科的互动 地球系统科学不是地学各分支学科的简单加积,也不会取代各学科的独立发展.但随着地球系统科学概念的发展,以各子系统为研究对象的各分支学科,更加重视同其它子系统的相互作用---圈层相互作用,尽管这种概念过去就有,有的追溯颇远,但毕竟现在更加强化了.把经典分析科学的优点嵌入到复杂系统分析中去.

  25. 近中期主要发展方向3 在地学各分支学科中,这种趋势非常常见,仅举几个地质学的例子. 地球内部结构与地幔柱

  26. 近中期主要发展方向3 Large Igneous Province

  27. 近中期主要发展方向3 中国东部中新生代大陆岩石圈演化工作模式2002

  28. 近中期主要发展方向 4.生命系统与地球系统的相互作用—地球生物学和地球微生物学 全球变化研究的重要进展之一是认识到生物过程同物理过程和化学过程的强烈相互作用,形成了适于生命居住的地球环境,海洋生物控制着海洋与大气间的二氧化碳交换方式(生物泵),陆地生物是地球系统运行的重要组份.

  29. 近中期主要发展方向4 汪品先(2003)从深海热液生物群和深海生物圈的发现,强调生物圈概念的变化,大声疾呼地学与生命科学在分子生物学和生物地球化学层面的交叉,以及生命演化及其与地圈的关系.

  30. 近中期主要发展方向4 殷鸿福(2007)主张地球各圈层同生物圈之间的相互作用和影响,应成为地球生物学的主要研究方面.特别要加强地球系统的分子地球生物学,地球微生物学和地球生态学研究.

  31. 近中期主要发展方向4 讨论到生物圈及其在地球系统中的作用,不可避免地要提到盖娅(Gaia)假说/理论(Lovelock,1972) 在英国成立了”盖娅;地球系统科学”专家组(伦敦地质学会).

  32. Gaia，古希腊神话中的大地女神 The Temple of Gaia near Delphi Photo credit: N. K. Grant

  33. Gaia理论认为生物与地球组成了一个类似生物的整体，具备由负反馈作用实现的自我调节能力。抑制地球系统偏离原状态, 稳定了全球的环境以保持环境对生物有利。

  34. 支持和反对的都有,进化论生物学家质疑: ·天性自私的生物进化怎么能为共同利益而改变全球环境呢？ ·地球上的生物经历了几个近乎全部灭绝的时期，Gaia假说无法解释。 我国也应更多地介入研讨..

  35. 近中期主要发展方向 5.地球系统的观测与模拟 地球系统科学在开始构思之初就用了很大篇幅讨论观测计划,以获取覆盖全球的信息,数十年来的卫星观测大大增进对地球系统的了解.

  36. 近中期主要发展方向5 2005年国际地球观测组织审定了全球综合地球观测系统十年计划. 地球观测高峰会•美国华盛顿(2003.7.31)

  37. 信息与知识 用户 近中期主要发展方向5 计划涵盖地基,海基,空基,天基观测.连续监测地球系统,增进对地球动力学过程的了解,增强对地球系统的预测.

  38. 近中期主要发展方向5 开展地球系统研究,必须对其动力学特性进行模拟,已经作出大量模式.日本的地球模拟器受到世界的注意.

  39. 近中期主要发展方向5 JAMSTEC-The Earth Simulator Center

  40. 近中期主要发展方向5

  41. 近中期主要发展方向5 曾庆存(2007)在全球变化联合学术大会上,对地球系统动力学模式作了深入的讨论和分析.汪品先(2003).周秀骥(2004)都强调地球系统数值模拟的重要性

  42. 我国在研究与教育方面应采取的措施 1.基础研究需继续奋进 最近十年来,中国地学研究水平有了很大提高,可以说已实现了过去常说的”在国际上占一席之地”的目标.

  43. 我国在研究与教育方面应采取的措施1 但我们仍有不足.陈泮勤(2007)指出在全球变化领域,我国的国际文章数量在国际上有一定地位,丰富了地球系统科学和全球变化研究计划的内容,但有影响的文章还是少了些;在整个地球系统运行的认知上尚无重大建树.汪品先(2003)指出国际讨论的许多重大问题不见于国内;重大国际计划的学术总结,往往不见我国参与. 因此加强基础研究仍是重要任务,强调全球化的研究工作特点,面向全球,突出过程和机理.

  44. 我国在研究与教育方面应采取的措施 2.加强学科交叉,发展综合性多学科论坛 学科交叉的重要性在我国有普遍的共识.但付诸行动有时又不那么容易. 美国AGU有着88年历史,是世界著名的多学科学术组织,每年春秋两次大会吸引了全世界地学家的眼球,说明了它的影响力.

  45. 我国在研究与教育方面应采取的措施2 值得提到的是2002年成立了欧洲地学联合会(European Geosciences Union).每年召开学术大会,今年大会的一个分组会要讨论”新生代和中生代时期地圈与生物圈的联系”,这是很新鲜的地球系统科学问题.

  46. 我国在研究与教育方面应采取的措施2 我国地学界各个学会是否要逐步考虑”分久必合”.前不久在北京举办全球变化的联合学术大会,是好的开端.综合的地学会议可以从中小规模的论坛开始,从培养综合交叉文化做起.

  47. 我国在研究与教育方面应采取的措施 3.紧紧抓住热点创新 跟踪外国的研究方向,有时受到指责.但在国际的研究热点中创新应受到鼓励.有人分析历史上的诺贝尔奖,一段时期内在一些热点中产生了多个奖项.海底扩张说形成的热点导致板块构造理论的产生.热点代表着新开拓的园地,众人的耕耘使其百花盛开,果实累累.

  48. 我国在研究与教育方面应采取的措施3 最近ESI根据论文引用量列出195个地学研究前沿,有相当数量是当前的热点,其中有我国地学界的工作.

  49. 我国在研究与教育方面应采取的措施 4.新时期的更高目标：原始创新 判断一个研究项目有无价值,要看其创新性,没有创意就成为简单的重复,就没有任何意义.热点创新中就包含着原始创新.

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