作者:张志强 安培浚 来源:科学时报 发布时间:2009-12-29 9:49:17
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张志强 安培浚:美地球科学远景报告解读
 
21世纪的地球科学已经发展成为结合和联系生物科学、社会科学、计算机科学、物质科学和工程科学在内的许多学科的真正跨学科科学。为了更深入地理解地球及其内部的相互作用,要求地球科学必须应用整体分析方法,探索应用来自所有科学与工程学科的知识。
 
1999年,美国国家科学基金会(NSF)地球科学咨询委员会(AC-GEO)发表了《2000年后的地球科学》报告,作为NSF地球科学部(GEO)的一份长期战略文件。到2005年,AC-GEO认识到,虽然这份文件一直能很好地为GEO服务,但是由于在此期间出现了新的科学机遇和技术发展,这一规划应予以修订。AC-GEO批准“地球科学远景工作组”制订新的规划——地球科学远景。在地球科学远景报告中,AC-GEO提出了地球科学面临的三大挑战、五个重大科学问题,以及迎接该挑战的十个建议。
 
地球科学面临的挑战
 
人类社会正处于十字路口。随着资源枯竭、能源的可持续性、环境退化和气候变化等问题的日益突出,人们开始怀疑:人类在实现广泛经济繁荣的同时,保护地球的健康能否成为现实?要在上述目标之间取得平衡,社会必须首先对用于地球资源的管理政策与原则进行评估,然后基于已建立的和新的优先性来作出困难的抉择。这些抉择必须有坚实的理论基础,而这又必须建立在对这些选择及其可能后果的科学理解之上。同时,驱动地球系统的复杂过程也激发了人们的质疑,并引导人们去理解地球是如何工作的和人类是如何对其产生影响的。
 
挑战一:理解并预测复杂和变化的地球系统行为
 
地球系统以其复杂性、非线性过程和连续变化为特征,这些特征对理解和预测地球系统的目标构成了障碍。地球系统的各组成部分在不同的尺度上相互作用,跨越不同的时空相互联系。地球某一组分的变化将影响到其他组分的状态和功能,而这种影响往往是以非直接的、不明显的方式发生的。孤立地研究一个组成部分会得出不完整的、有时是错误的认识。地球系统最显著的特征之一是格局的存在。格局在所有地域、所有尺度上存在,无论是地球外核、海洋或是大气圈中,都存在具体化的格局。它们表现为各种各样的现象:极光、河流网络、断层系统、板块构造及对流运动。这些格局随着时间的演进产生于局地过程和自组织。理解在地球历史中这类系统的排列格局是如何出现的,将为预测地球系统行为提供重要线索。
 
挑战二:减小脆弱性与维持生命
 
人类在自然力面前常常感到十分脆弱。强烈的而且常常是灾难性的事件,如地震、海啸、火山喷发、大气风暴以及洪水,危害人类的生命与社会基础设施。尽管科学和技术不断进步,但由于人口增长、居住格局与日益扩张的人类基础设施等因素,人类对地球灾害的易感性达到了其历史最高水平。而且,缺少足够财政资源的社区在自然力面前常常是最脆弱的,不管是新奥尔良的飓风或是中国的地震都证明了这一点。虽然地球灾害不可避免,但其造成的影响可以通过更充分的风险评估和更好的减灾战略设计予以控制。
 
挑战三:培养地球科学未来工作力量
 
地球科学的生命力源自大气科学、固体地球科学和海洋科学等多种核心学科内部及其之间的综合集成。在这些核心学科中有许多动态因素是共同的,从在热与重力影响下的可变形介质(水、空气、岩浆、岩石、冰),到自组织和格局形成的能力,到水的普遍存在。这些共同的、引人注目的因素提供了独特的研究机会而稳定了现有的科学家,并吸引着下一代的地球科学研究力量。
 
处于十字路口的地球科学
 
日—地系统面临许多需要人们关注的挑战,地球变化的速率不断加快,人们面临的现实世界的挑战,将考验人们寻找促进地球科学发展并造福社会的解决方案的决心和能力。在未来,人们如何通过深入的研究、大胆的解决方案和切实可行的决策,来应对以下5个方面的自然和人为挑战,将决定人们如何成功地维护和保持日—地系统。
 
动态的地球
 
地球是一个动态的星球,它以不同速率发生变化和运动。尽管许多变化随时间渐渐地发生,但诸如飓风、地震、海啸、火山爆发、热浪甚至太阳风暴这样的破坏性事件突出了现代社会的脆弱性。
 
变化的气候
 
基于对大气中气体的辐射特性的深入研究和对大气中气体的测量,早在20世纪初人类就认识到,人类能够改变地球的全球气候。温室气体通过吸收和释放热量,具有正的辐射强迫作用并加热地球的表面。没有什么人类活动和自然过程将保持不受地球所面临的预期幅度和速度的气候变化的影响。有效地应对气候变化自然依赖于基础研究,但是人们的研究也必须考虑水、生命、大气环流和人类活动之间复杂的相互作用。这些因素决定着气候变化如何和在哪儿发生,气候变化对地球系统组成部分的影响;以及人类如何最好地减轻这些影响,或者以最小的代价适应它们。
 
地球与生命
 
重建地球的起源与演化以及地球上生命的进化过程,毫无疑问构成了最伤脑筋的科学努力之一,也是最令人望而却步的任务之一。复原地球的自然与生物历史,需要集成完整系列的科学学科,包括物理学、化学、地质学、水文学、生物学和数学科学等。
 
地圈—生物圈联系
 
对地球系统功能至关重要的化学物质最终将生物的(生物圈)和非生物的(水圈、大气圈和岩石圈)组分联系在一起。化学物质(例如碳、氮和氧)在生态系统的生命和非生命部分流动,以不同的速率、在不同的时间尺度上不断地被吸收、排除、保存和循环。地圈和生物圈之间的联系和循环发生在广泛的物理尺度上。微生物群落从洋底的热液喷口内到高山的湖泊和土壤中都有分布。海洋表层内化学物质的生物生产最终会在大气云层的形成过程中发挥重要作用。因此,要充分理解这些生物地球化学循环,需要同时考虑生命和非生命的组分。
 
水——变化的前景
 
水对生命的许多形式都是不可或缺的。全球海洋包括了地球全部水量的97%以上。陆地水系统一直从地球表面以下(地下水)延伸到大气层,并包含了水的许多形态,从冰到雪再到雨。水循环也延伸到了地球内部,在火山和地热系统中发挥着作用。
 
建议
 
地球科学家日益认识到,他们的贡献必须超越个人的观点,并且跨越严格限定的研究学科领域。而且,地球科学家意识到不仅必须与其他领域的科学家和工程师共享他们的专业技术、知识和见解,而且自己领域的科学进步与其他学科领域的知识、研究和见解有密切的联系。将新的方法和范式引入一门学科可能引起混乱,但由此产生的在科学理解上的突破可以迅速推进科学前沿的发展。
 
为此,提出以下建议:
 
1.支持和培育基础地球科学学科研究计划;
 
2. 大胆拓展新的方向,交叉和融合其他学科;
 
3.提倡一种能认识到变革研究具有风险的文化;
 
4. 明智地投资于下一代的工具、技术和方法,包括能够实现跨学科边缘研究的先进的计算能力,并予以负责任的管理;
 
5.宣传地球科学在减少自然灾害风险中发挥的关键作用;
 
6. 建立NSF内部以及与联邦其他机构、私营部门、国际组织,乃至美国以外的其他机构的有效、持久的伙伴关系;
 
7.认识到对地球科学迎接增加自然系统恢复力的挑战的强烈需求;
 
8. 建立地球科学的研究人员与学前和基础教育(K-12)之间的桥梁,以促进儿童和青少年对地球科学概念的理解;
 
9. 建立一个广泛、多样化的地球科学研究人员的队伍体系,这些地球科学研究人员能够将创造性方法应用于所有层次上的地球科学教育和素养培养;
 
10. 向决策者和思想领导者提供重要的、可能是关键性的地球科学研究成果和发现,以建设可持续未来。(□中国科学院国家科学图书馆兰州分馆/中国科学院资源环境科学信息中心 张志强 安培浚)
 
《科学时报》 (2009-12-29 A4 国际)
 
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