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地球系统科学:理解与误解

发布日期:2014-07-01   阅读次数:(940)    [返回]

编者按:在“第三届地球系统科学大会”在沪召开之际,汪品先院士特撰稿就“地球系统科学”的基本概念、来源与发展、未来及展望进行阐述。在此特刊登此稿,以飨读者。

 

地球系统科学:理解与误解

什么是地球系统科学
        你知道什么是地球系统科学吗?当然知道,不然怎么会来开会呢。其实并不见得。眼下“地球系统”走红,出书、上课、开会都喜欢叫“地球系统科学”,实际上指的并不都是一码事。
        “各门地球科学加起来,就成为地球系统科学”,这是最常见的一种误解。十多年前我国出过一本一千多页的巨著,地球科学所有分支应有尽有,由各路名家分头介绍本学科的发展,书名就叫“地球系统科学”。多年来通行的“地球系统”教科书中,有许多也是地球科学各个分支的浓缩本。把各个学科放在一起,无疑是件大好事,但这并不是现在所说的地球系统科学。地球系统科学不能光靠加法。不过把地球科学加起来就做成的“地球系统科学”,也不是中国的专利。“印度科学院学报”的“行星与地球科学”分卷,2005年改名叫“地球系统科学学报”,反映的就是这股世界潮流。 
        另外一种误解,是把遥感科学、或者把数值模拟当作“地球系统科学”。遥测遥感是地球系统科学产生的前提,有了遥感技术才有全球的视野。 一位德国科学家把遥感技术的发明比作“第二次哥白尼革命”:第一次依靠望远镜从地球向外看,建立了“日心说”;第二次依靠遥感技术从空间向内看,其结果就是“地球系统科学”。而认识地球这个极大的复杂系统,决不是人脑所能对付,只有依靠计算机才能实现。因此,从日本横滨的超级计算机“地球模拟器”,到我国北京在建的“地球系统模拟器”,都是研究地球系统科学的重大设施。不过科学研究手段不等于科学本身,地球系统科学是建立在遥感技术、计算技术和许许多多观测试验基础上的新学科,代表了地球科学集成研究的新方法。

从全球变化到地球系统
        将地球作为整体、从圈层相互作用着眼的“地球系统科学”,源自“全球变化”的研究。 80年代为应对“臭氧洞”、“温室效应”的威胁,首先由大气科学界发起,在全球范围内对碳循环等进行跨越圈层的追踪。 1983年,美国NASA建立了“地球系统科学委员会”,1988年发表了“地球系统科学”报告,提出著名的“Bretherton图”,展示了大气、海洋、生物圈之间,在物理过程和生物地球化学循环的相互作用,标志着“地球系统科学”的起步。 
        二十多年来,许多全球变化的研究以“地球系统”冠名。 1996年美国地球物理学会在NSF支持下组织会议,提出将“地球系统科学”列入教学计划。从此之后,“地球系统科学”的课程和教科书接踵而来。 进入新世纪,四大全球环境变化计划(气候研究计划,WCRP;地圈生物圈计划,IGBP;人文因素计划,IHDP;生物多样性计划,DIVERSITAS)又联手建立了“地球系统科学联盟(ESSP),对碳、水、食物和健康四大问题进行集成研究。地球系统科学,已经牢牢地扎根在应对全球环境变化的社会需求,和地球与生命科学相结合的基础之上。
        然而所有这些以“全球变化”为对象的“地球系统科学”,着眼点都是有关人类生态环境的现代过程。尽管有些长期过程需要上溯到千、百年前,甚至涉及万年尺度的变化,但都是围绕着现代变化开展研究,有着时间域里的限制。

从地球表层到地球内部
        2001年,英、美两国的地质学会,联合在爱丁堡联合举办了“地球系统过程( Earth System Process) ”国际大会, 将“全球变化”的概念上推了几十亿年,从太古代光合作用的起源,一直到近代暖池演变的气候效应。苏格兰的爱丁堡称得上地质科学的发祥地,也是两百多年前“水成派”与“火成派”火并的地方;这次爱丁堡会议,又把地质学推向“地球系统科学”的新阶段。与“全球变化”不同,这里说的“地球系统科学”不但穿越圈层,而且横跨时空, 将“全球变化”的概念应用于地质演变,在探索圈层相互作用的同时,研究时间和空间不同尺度的变化过程,揭示不同尺度过程的驱动机制和相互关系。地球系统概念进入地质科学,不但是全球变化研究圈层相互作用在时间上的延伸,更标志着地质科学进入集成研究的新时期。
        然而,以上所说的还都是地球的表层,无论气圈、水圈、生物圈、岩石圈,都局限于地球的表圈。 近年来发现,全球变化所研究的碳循环和水循环,都不至于地球表层,地幔里有着大量的水和碳,都在和地球表面的圈层发生相互作用,无非是时间太长、埋藏太深,不易为人类发现罢了。从地面俯冲下去的板块会改变地幔的成分,从地幔逸出表面的地幔物质也在改变着地球的表圈。这项研究已经成为国际研究的前沿,美国Sloan基金会设立的“深部碳计划”就是一例。 这种结合地球内部和地球表层的全球变化研究,叫作“行星循环(planetary cycle)”或者“地球连接(Earth Connection)”。
        地球系统科学时间和空间范畴里的拓展,激发了对比较行星学的兴趣。
        地球内部与表层联系,在地球演化的早期更为密切;而地外星球的全球变化,正是我们研究地球演化早期最好的参考。就像政治家读历史、国学家学外语一样,地外星球的“地球系统”能够开阔我们的思路。因此,比较行星学是我们提升地球系统研究高度的必修科目。

寻求地球科学自己的理论
       在英国的乡下,生活着一位95岁高龄的老人James Lovelock。他首先发现大气中氟利昂的广泛存在,提出了根据大气成分判断星球上有无生命的新思路,是一位备受尊敬的化学家。70年代,他提出地球是一个超级有机体的假说,认为地球能够自我调节,拥有全球规模的自我调节系统,并且用希腊神话中大地女神“盖娅(Gaia)”来命名这个控制系统。这项“盖娅假说”激起了学术界剧烈的争论:这究竟是一种异端邪说,还是科学思维上的创新? 
        迄今为止,地球科学并没有自己的理论。地球科学里的理论,都可以说是物理、化学等兄弟学科在地球科学中应用。现在“地球系统科学”的产生,提出了研究地球圈层相互作用、时空尺度相互关系的新题目,很可能正是建立地球科学理论的一道曙光。“盖娅假说”提倡研究的“地球生理学”,会不会就是这种理论探索的把手?
        从地球系统科学入手探索地球科学自己的理论,目前还只是一种朦胧的设想。地球系统过于复杂,作为整体进行研究要求方法和思路上的创新。比如大气界有人建议,用能量平衡和“最大熵”的方法来整体研究地球这个复杂系统,十分值得注意。地球系统的研究,固然依靠着观测与模拟的技术进展,但同时也必须要有理论、思路上的创新。三百年前现代科学的产生,关键在于解剖分析;而当代系统科学的发展,又反过来要求整合集成。如果说,以整体综合为特色的华夏文明,在三百年前难有作为,那么在当代地球系统科学的发展中,能不能一显身手,做出自己的贡献?

 
 

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