地球系统研究的兴起

在全人类的生存条件和环境日益恶化的严重挑战面前，国际上不同学科的科学家共同提出了“全球变化”的课题，以促进环境质量的提高，预测未来的变化趋势，协调社会发展与生存环境的关系。这种全球性环境问题及其对区域生存环境的影响的研究，就其科学内容而言已经远远超出了传统学科的范围，“自然系统”的概念被提出，不同等级的自然系统已经成为不同目标的研究对象。从地球环境这个整体上来寻求解决的方法产生了“地球系统”的概念。

从全球尺度上看，可以把地球看作是由相互关联和相互作用的各具特性的地核、地幔、地壳、水圈、气圈、生物圈、人类圈和地球空间诸圈层综合集成的、连续开放的、复杂的动力系统，也可看成是由相互作用和相互关联的固体地球子系统、表层子系统和地球空间子系统组成的复杂动力系统。正在形成中的地球系统科学，摒弃单一学科的研究方式，开展多学科的地球环境的集成研究，试图发展一种包括了地球系统各组成部分之间物理的、化学的、生物的和人工的相互作用的地球系统的模式，并在地球系统模式和全球监测系统可提供的信息和资料基础上建立具有预测能力的全球和区域的环境模式，以进行环境变化的定量预测。

当前，全球变化是国际科学的一个前沿领域，已经设计了三个彼此独立又相互联系的重大国际计划：世界气候计划（WCRP），主要研究与全球气候有关的物理过程；国际地圈—生物圈计划（IGBP），主要研究全球环境变化有关的生物地球化学过程及其与物理过程的相互作用；全球变化的人类影响（HDP），主要研究人与环境的关系。而且正在设计和开始建立的全球气候观测系统（GCOS）、全球海洋观测系统（GOOS）和全球陆地生态观测系统（GTOS），进一步还将立完整的全球监测系统。有些科学家推测，21世纪初叶可望建立全球的实时和高精度地球监测资料数据库，并利用巨型计算机进行地球环境演化的定量研究，在小尺度和中尺度时间过程中取得突破性进展。届时，人类可以预测100年时间尺度的地球环境的全球变化，可以将中期天气预报的水平提高到准确率达90%以上，可以及时对预报台风的生成和发展，可以预报地球上的一些严重灾害性事件。

●固体地球系统研究

人类主要生活在大陆上，并主要从大陆上获取资源。固体地球系统研究涉及资源和能源的开拓、环境保护和减轻灾害等问题，直接关系到经济和社会的持续发展。这种研究围绕着地球动力学展开，并向地球内部发展，把岩石圈的研究与地幔研究相结合，阐明大陆的形成、变形、裂解、迁移和控制它们的基本过程、壳幔相互作用、地块间的相互作用、流体的形成和动力学、超大成矿作用等问题。

在有关地球的众多学科发展的基础上，形成和发展出一门高层次的综合性基础学科——地球动力学。地球动力学正在以大跨度的学科交叉，紧密地结合社会的持续发展的资源、环境和灾害三大主题，从四个层次进行着实测和理论研究，包括地球形状动力学研究、地球表壳动力学研究、地球岩石圈动力学研究、地球整体动力学研究。美国国家研究委员会发表的《固体地球科学与社会》（1990年）指出固体地学的四个主要目标：了解过程、提供资源、协调环境、减轻灾害。作为基础研究的“了解过程”他们设计了五个基本研究领域，其中包括地球岩石圈动力学和核幔动力学研究，还制定了大陆动力学研究计划。“大陆动力学”的提出标志着其与“大洋动力学”的分离，也意味着地球动力学的向下的一种落实即“大陆区域的”地球动力学。国际岩石圈计划（ILP）也在进行。

大陆动力学（亦称大陆地球化学动力学）的主要目标是揭示大陆岩石圈演化最本质的、深层次动力学过程和机制，并服务于人类关注的资源和环境问题。其基本科学问题是大陆岩石圈物质增长、消减和保存的演化过程，而其研究内容主要包括大陆地幔地球化学和壳幔分异作用、大陆地壳生长和再循环及其演化、岩石圈流体对物质和能量的输运与交换作用等三个相对独立的研究范畴。大陆动力学以大陆地质学为基础，与地球物理学相参照，应用元素、同位素和流体地球化学等方法研究大陆岩石圈成分、结构和演化过程，特别是研究大陆物质在不同时间和空间的迁移、交换和循环的动力学速率、机制和过程。其学科特点和优势是能够同步获得大陆物质成分、时间和空间“三维”坐标信息，能够从微观到宏观尺度以精细的、定量的和动态的方式来探讨和重塑大陆演化的历史过程。大陆地幔地球化学，大陆地壳生长、演化和地壳中流体这三者，在1980年代已成为国际地学界上热烈讨论的主题。地幔地球化学不均一性的事实已被普遍承认，地幔的组成、结构与动力学的研究也取得了一些进展。大陆地壳生长演化问题的研究，在地壳物质的非均匀性、多阶段增长、增长机制的多样性等方面也取得了一些进展。岩石圈中流体对物质和能量迁移与交换作用问题受到重视，地壳和地幔中的流体在岩浆、变质和成矿中作用、流体的通量和性质差异引起元素迁移和同位素扰动等已被研究，但有关流体作用过程的动力学机制的研究尚无明显进展。地幔对流、流体运动和大陆演化这三大主题仍将是今后一个时期内的地球物质研究中的重点，将三者结合起来形成一个有机整体的学科也会逐步走向成熟。

地球表壳动力学是从天文学、地球物理学、地质学、地震学、大地测量学和海洋学等多学科交叉研究派生出一门的综合性的学科。它主要借助于空间技术研究地球外表100公里厚的地壳的各种运动及其动力学机制。1970年代末以来，由于卫星激光测距（SLR）、甚长基线射电干涉（VLBI）和全球卫星定位系统（GPS）等新空间观测技术的发展，已能以厘米级的精度测定地球的整体运动（地球的自转和极移）、区域性地壳形变，以每年几毫米的精度测定全球板块的相对运动以及地壳的垂直运动。与传统的地质方法不同，空间技术这种能实时而精确地测量地壳运动中微小动态变化的优点，可能发现地壳运动的非线性时变细节，进而能真正探索地震、火山爆发的成因过程与机制。1970年代末，由美国宇航局（NASA）牵头组织了全球规模的地壳动力学计划（CDP），发展了观测地球各种变化的空间技术，使观测精度由米级提高到1厘米，并取得了一批重要的成果，例如，实时、定量地测到了板块的运动。1990年代初，美国宇航局继完成CDP计划后又开始组织未来10年的固体地球动力学计划（DOSE）。与此同时，西欧组织了旨在研究地中海地区地壳运动、海平面变化和冰川后期地壳反弹的WEGENER计划。近期由欧洲联盟牵头组织的东南亚GPS计划以及以中国为主倡议的亚太空间地球动力学计划，都旨在研究区域性的板块运动、地壳形变以及与自然灾害的关系。

●地表流体系统研究

地球上的大气和海洋组成地表流体系统是现代大气科学和海洋科学（主要是物理海洋学和海洋物理学）研究的对象。它们研究发生在大气和海洋中的各种运动形态和其表现（现象）的规律，以及它们和周围环境的相互作用。大气科学和海洋科学都既是基础科学又有十分明显的实用性，例如天气预报、海况预报、气候预测、气候和环境的改良或控制等等。它们是独立发展起来的，但由于大气和海洋都是地球上的流体，它们在外界能流输入、周围环境的影响、以及地球的重力和科氏力作用下的运动形式有许多共同点，逐渐形成了用统一观点和方法来研究大气和海洋力学运动的学科分支——地球流体力学（亦称地球物理流体力学）。

自1940年代起，通过多年积累的相当数量的全球大气和海洋的观测资料，对于全球规模的大气环流和海洋环流的空间结构以及它们的成员如长波、气旋和反气旋、太平洋的黑潮、大西洋的墨西哥湾流、赤道逆流等等，人们已经有了定性的认识并建立了能在一定程度上反映实际情况的概念模式。大气科学和海洋科学研究，尤其是它们的动力学方面，已经脱离了描述性阶段，进入观测和理论（包括计算）并重、定性描述和定量推理并重的阶段，并且达到能够为天气预报等实用目的提供知识的程度。由于来自实际应用方面的刺激，以及一批其他基础科学专家的参与，诸如云雨物理、大气湍流和边界层结构以及辐射传输等分支，也都有了长足的发展。鉴于大气中和海洋中的化学过程和生物过程或生态系统亦对气候有重要影响，大气化学和海洋化学诞生并迅速发展起来，建立环境和生态动力学亦已成为科学家的任务了。

全球变化研究中最大和最突出的问题是全球气候变化问题，它不仅成为国际科学研究的重要课题，而且已成为各国政府在制定政策与决策的依据。如何预测气候系统的年际和年代际变化已成为跨世纪的重大科学前沿问题。国际科联（ICSU）与世界气象组织（WMO）联合制定了世界气候研究计划（WCRP），并从1986年已开始实施。通过这个研究计划，可以更深刻地了解各种时间尺度气候形成与变化机理，从而可以预测气候变化与异常。为实现WCRP这一目标，国际上又制定了各种研究计划，如已完成的热带海洋和全球大气（TOGA）研究计划；正在进行全球海洋环流试验（WOCE）研究计划：从1996年开始要实行的全球能量和水循环（GEWEX）研究计划和正在酝酿的全球气候变化（CLIVA）研究计划。并且为了研究气候系统与生物圈相互作用，还制定了国际地圈一生物圈研究计划（IGBP）。围绕着气候系统变化的研究而组织全球性、多学科的综合研究计划正在蓬勃发展。并且，为了进行气候变化预测研究，国际上相继建立气候预测研究中心，如国际气候预测研究所（IRICP）、英国海德里（Hadley）气候预测研究中心、日本的气候系统研究中心、德国的马克斯-普朗克（Max-Planck）气候研究所、中科院大气物理研究所的气候和环境预测研究中心等。大气物理学家们设计了大气环流模型（GCM）来模拟地球气候和预报未来气候变化。关于月、季时间尺度的气候变化与异常的预测研究正在深入进行，气候系统的年际变化预测的研究也在逐渐发展。

作为大气和海洋或即地球流体运动的基础研究，将随着上述各个重大科学问题的研究和解决而得到重视和发展。科学家们估计，在地球流体中的非线性和复杂性、湍流结构和演变、涡旋运动结构及演变、涡波流的相互作用、中尺度天气系统动力学、海洋中的中尺度涡、多相介质中的辐射传输、相变或化学反应过程与动力过程的相互作用诸问题的研究中将会有较大的进展。地球流体中的运动非线性和复杂性图像以及涡旋和湍流的多样性和复杂性过程的研究还有可能促进相应的一般基础性数学、力学和物理学研究。

●全球生态系统研究

早在1875年奥地利地质学家修斯（Eduard Suess，1831—1934）就在对比地球的岩石圈、水圈、大气圈概念的基础上提出“生物圈”（biosphere）概念。1935年英国生物学家坦斯利（Arther GGeorge Tansley，1871—1955）将特定区域的生物群落及其生存环境所组成的自然体系概括为“生态系统”（ecosystem）。现在人们所称的全球生态系统作为地球系统的一个子系统，指由各类生态系统组成的地球生物圈有机自然体系。生物圈不是各类生态系统的简单线性叠加。就分布在地球表面任一地理坐标点上的特定生态系统而言，其内部过程主要由局地气候、地表水文和土壤状况等综合的大环境背景所决定。而生物圈本身的空间分布格局与过程则是整个地球系统各圈层之间在全球时空尺度上相互作用、相互适应并达到动态平衡的结果。对生物圈演变规律的研究，一般既要在局地和区域尺度上考虑生态系统内部的过程以及生态系统之间的相互影响，又要在全球范围内、在相互耦合的动力学框架上考虑生物圈与其它物理圈层的相互适应。

国际全球变化研究的焦点和重心从1990年代开始转向生态系统对全球变化的反应与反馈及其功能与过程方面。在国际地圈与生物圈计划中的核心项目“全球变化与地球生态系”（GCTE）已成为最活跃和不断扩展的研究领域。这类研究包括4种基本科学问题：生态生理学问题、生态系统的结构变化问题、全球变化对农林的影响问题、全球变化与生态复杂性问题。受大气环流模型的启发，生态学家们开始设计全球变化的生态模型。已经出台的有三种不同尺度的模型：生态系统水平上的斑块尺度模型、由若干相临斑块构成的景观尺度的模型和由景观结合而成的区域模型。景观尺度和区域尺度的模型进而联合成大陆和全球尺度的模型，即全球植被模型（GVM）和全球动态植被模型（DGVM）。

地球系统重要组成部分的海岸系统越来越受到特别的重视。从自然系统的角度看，海岸带是陆地、海洋、大气间相互作用的最活跃地带。从人文地理的角度看，仅占地球表面的8%海岸带提供了全球26%的生物产量，集中了全球50%以上的人口，是人类经济活动最频繁的区域，是全球经济持续发展最富有生命力的地带。因此，陆—海相互作用（LOICZ）研究被国际地圈生物圈计划（IGBP）列为核心项目进行研究。其中心目的在于，深入了解全球规模陆—海界面的各种变动，为预测气候变化、海平面变化和人类活动对海岸带的生态系统以及资源环境及其功能的未来影响提供依据。这项计划将与全球海洋通量联合计划（JGOFS）、水循环的生物学计划（BAHC）、全球变化与地球生态系统（GCTE）、国际全球大气化学计划（IGAC）密切相关，并与世界气候研究计划（WCRP），特别是与全球能量和水循环试验计划（GEWEX）、平流层过程及其在气候中的作用计划（SPARC）、全球变化的人类影响计划（HDP），以及全球海洋观测系统（GOOS），保持紧密的协调环节。

目前对生物圈的宏观动力学过程还缺乏完整的、高质量的观测数据，有关生物圈动力学的基本理论框架亦尚未形成。因此，对生物圈的基本性质、过程和空间分布格局的时间演变规律等进行系统的观测和多学科的综合研究，尤其是通过卫星遥感与地面区域联网定位观测相结合，力求对全球生态系统演变过程的认识具有时空连续性，就显得特别重要。此外，在动力学理论方面，以非线性微分方程的理论分析方法与数据模拟方法相结合，发展以研究生态系统与气象环境相互作用为目的的生态系统动力学，发展可与气候模式及大洋模式相耦合的生物圈模式，已成为有关科学家的努力方向。

地球系统的生物圈不仅代表了我们这个充满勃勃生机的星球上物质存在的高级行式—生命过程的时空延续性，而且还起到了联系其它物理圈层的纽带作用。生物圈的概念已经远远超出了生物学赋予它的最初含义。随着社会经济的大规模发展，人类正以大大超过生物圈自然演变过程的速率地改变着全球生态系统的自然状态，其消极的后果已从全球增暖、土地退化、物种减少等方面逐渐反映出来。认识生物圈的演变规律以及其在地球系统中的基本功能，对于避害趋利地实现人类对于全球环境积极影响，具有十分重要的意义。

●人地系统研究

早在1870年代，德国地理学家李特尔（C.Ritter，1779—1859）提出人地关系的概念。他的德文大作《地球科学——他同自然和人类历史的关系》（1817—1859）都反映他的这种观念。20世纪初，法国学者沙而坚（T.De Sargen，1881—1955）和勒鲁瓦（E.le Roy）等人引入“智慧圈”（noosphere）的概念，表示有思想的地球外层，认为他的形成与人类意识的产生和发展有关。1942年，前苏联韦尔纳茨（В.И.Вернадскии，1863—1945）关于“智慧圈是地球的新的地质现象，在这里人首次成为巨大的地质力量”的说法，将智慧圈变成社会与自然相互关系的概念，包括人本身和人类活动改造的范围，相当人工生态系统总体。把自然生态的概念扩大到包括人工生态，就产生了人地系统的概念。认识到人类作为地球营力并不断加强其作用，是非常重要的进展。人类对表层系统的作用导致环境变化，使人与其赖以生存和发展的自然界的关系越来越不协调，以致严重响到社会生活质量、到经济和社会的持续发展、人类未来的安全与生存。关心和维护“唯一的地球”，调整人与环境或人地关系，已成为人类的共识，并成为一种积极的力量。

人类（活动）体系与自然环境系统的相互作用是不可避免的。其结果是人类赖以生存和发展的环境和资源受到破坏，经济和社会的持续发展受到影响，社会生活质量的提高得到扼制，安全与生存受到威胁。探索人地协调发展的调控机制和理论，从整体性、动态性的角度研究人口、经济、社会与环境、资源的相互作用，谋求它们之间的协调与统一，以形成相互依存、相互促进、和谐持续发展的动态平衡系统的，这一复杂而艰巨的任务要求大跨度的学科交叉研究，涉及数学、地球科学，主要是地理科学以及经济学、农业科学等。正在进行着的国际性的人类活动空间计划（HDP），就是从人文角度研究全球气候和环境变化和人类社会、经济的关系等方面的问题。人与环境系统或人地系统动力学将在这种研究中逐渐形成。

李特尔提出人地关系问题以来的100多年间，这方面的研究一直停留在现状描述水平上。1970年代以来，英国、美国、苏联、荷兰、德国、法国、日本等国先后在人地系统理论与应用方面进行了诸多研究。1970年英国区域学派以人地关系概念为指导，对英国的人口、资源、城市、经济、自然条件进行了综合研究，提出的区域发展对策由于政府的支持而获得实际效果。1972年美国麻省理工学院推出世界发展模型。1980年3月5日联合国向全世界发出呼吁：“必须研究自自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然过程中的基本关系及利弊抉择，才能确保全球发展。”1970年代以来，国际上先后开展了“人与生物圈计划”（MAB）、“国际地圈－生物圈计划”（IGBP）、“国际空间年”、“国际减灾10年”、“全球变化人类因素计划”等一系列研究”。1982年，美国中部6个州研制成《AGNET》区域管理信息系统，对该区内所涉及的119个人地关系问题实施全面优化调控与自动决策。MAB主要研究人类活动对各生态系统的影响，其目的是合理利用与保护生物圈资源的理论基础，改善人类于环境的关系，预测人类活动对未来世界的影响，以提高人类对生物圈资源有效管理的能力。IGBP也是研究和预测人类活动对全球气候与环境变化的影响，以便资源合理利用与环境保护政策及应付全球变化的对策等。

从事人地系统研究的科学家们，正在筹划着如下重要问题的研究：人地相互作用与人地系统的调控研究、区域协调发展与优化模式的研究、全球资源与环境变化和人地系统宏观调控研究、人地信息系统与分析模型的研究。在这种研究中，中国生态科学家马世骏（1915—1991）提出的“社会-经济-自然复合生态系统”（SENCE）可能为人地研究提供一种生态模式。复合生态系统的出发点是人工生态系统，即以人的行为为主导，以自然为依托，以资源流动为命脉，以社会体制为经络的人工生态系统。人地系统研究本质上属于人类生态学的范抽畴，而人类生态学的主要认务就是研究各种不同类型的复和系统及其与环境间的各种生态关系。马世骏复合生态系统为一三圈层的结构：核心圈是人，包括人类的组织、技术和文化，称之为生态核二圈是复合系统内部活动的直接环境，称之为生态基；第三圈是复合系统的外部环境亦即支撑系统，包括源和汇仓，称之为生态库。复合生态系统理论还包括四条生态控制原理：循环原理、生克原理、平衡原理和自适应原理。

●日地系统研究

1960年代，以日地系统作为一个整体进行研究的日地科学兴起。日地系统（solar-terrestrial system）作为太阳系和日球层中的一个子系统，指太阳-近地空间系统-固体地球系统的耦合系统，包括包括由太阳大气、行星际空间、地球磁层、电离层以及热、中层和低层大气组成的庞大空间。日地系统研究的主要目标是日地系统的扰动过程及其对人类活动的影响，研究内容包括太阳及日球层与地球空间之间的相互作用、地球空间系统与固体地球系统之间的相互作用以及日地系统的整体行为与演变。

地球空间是地球系统的最外层次，是太阳活动影响地球的主要通道。其中包括高层大气、电离层、磁层及近地球轨道的行星际空间等几个层次，主要物质为完全或部分离化的等离子体和高能粒子，其中发生着复杂的、非线性的等离子体和磁流体动力学过程。地球空间是人类赖以生存的保护层，没有大气层、电离层和磁层，地球上的各种生物就无法生存。地球空间环境也是人类自然灾害的祸源。太阳常数千分之几的持续下降会导致地球灾难性的寒冷，百分之一的持续下降就将使人类和生物大规模毁灭。强烈磁暴严重影响卫星的姿态，加热高层大气使卫星改变轨道提前陨落，引起电离层骚扰及无线电中断，使导航系统失灵、通讯卫星带电等空间灾害，并损坏高纬地区输电系统及输油管道，造成重大经济损失。空间高能粒子对飞行器太阳能电池、计算机系统以及宇航员均有辐射损伤危害。随着人类的航天活动的进展和未来空间产业的开发需要，认识空间环境及其变化规律以及人类活动对它的影响越来越重要。日地系统整体行为的研究与人类的生存和发展休戚相关，空间扰动预报对人类活动具有现实的意义。

日地系统研究经过1960年代的初期阶段和1970—1980年代的测绘阶段，1990年代进入了认识阶段。在1960年代，通过大量的空间飞行器的直接探测，发现日冕物质的膨胀形成的太阳风与太阳磁场一起延伸到行星际空间，并与地球磁场相互作用形成磁层，且地球磁层与电离层以及行星际的等离子体和磁场的形状都有随时空而变化的结构，表明日地系统还是一个包含有电磁过程、气动力学过程和热力学过程的等离子体系统。在1970年代，美国酝酿地球附近等离子体起源（OPEN）计划，通过综合设计的空间探测，同时探测粒子、电磁场、运动和波动，接示了无磁撞激波、场向电流、千米波辐射、粒子加速、磁通量传递以及许多波动和不稳定性。在1980年代美国、日本和西欧的空间局联合推进国际日地物理（ISTP）计划，发射20多颗卫星到日地系统的关键区进行空时相关探测，研究日地系统的各种耦合过程和整体行为。1990年代以来，他们又扩大联合成立国际空间局合作组织（IACG），制定了日地科学计划（STSP）计划，在1991—1996年间执行20项探测任务。国际科联的日地物理委员会骇发起，在1990—1995年间开展日地能量计划（STEP）。这些计划把先日地系统作为一个相互联系的整体，研究太阳各种扰动能量的产生、在日地空间中传输并最终影响地球环境的全过程，特别是其中决定日地整体性的耦合过程。未来20年内，日地系统研究可望走上其成熟期，通过全方位、多层次的研究，建立起日地耦合过程的定量模型，完善对空间环境的监测和短、中期预报体系。

地球空间系统研究的中心问题是，太阳活动所引起的行星际和地球空间系统的扰动，特别是它的等离子输出这唯一能引起全系统各层次剧烈变化的物理过程。这种扰动研究包括太阳扰动等离子体输出及其在行星际空间的传输和演化、太阳风扰动输入磁层及磁暴的形成、能量沉积在电离层和高层大气过程等问题。通过这种研究认识了地球空间环境的变化规律，就可以建立日地环境的定量模型，以提高日地环境的预报水平。一直困扰学术界的一个关键问题是太阳活动与地球天气、气候及灾害事件之间的关系。虽然现在已认是到空间扰动期间高、低层大气的耦合有助于弄清楚太阳活动对天气和气候的可能影响问题，磁扰的高频成分感应导致的地球内部导电性能结构、变化有助于对探索可能的地震前兆，地磁活动可能对人体心血管、癫痫等疾病产生影响，但许多重要问题待日地系统整体行为研究取得实质性进展后才能逐步地解决。

世界各空间大国都非常重视地球空间扰动预报及研究工作。美国航天局、国防部、空军、海洋大气局等有连续监测行星际太阳风（IMP）及同步高度空间环境（GOES）的卫星，建立了太阳风监测信息系统（SWIM）、试验磁暴实时预报，并有空间物理分析网（SPAN）科学信息系统。美国国家基金委设有地球空间环境模式（GEM）项目，以促进建立“空间天气学”和“空间气候学”，为空间环境预报作准备。科学家们认为，实现对日地系统各层次整体性的成像观测和局部区域多点卫星的三维探测，在月球上建立日地科学监测站收集地球附近的太阳风和行星际介质的状态参数及磁层尾、顶部磁层的数据，将给日地科学研究带来突破性进展。