第21卷第3期2007年6月资源环境与工程ResourcesEnvironment&EngineeringVol21,No.3.June.,2007地球系统科学初探王丽芳,张宝一,吴信才122(11湖北省地质调查研究院,湖北武汉430030;21中国地质大学信息工程学院,湖北武汉430074)摘:地球系统科学研究目标宏大、投资强度大、多学科交叉、需要昂贵且复杂的实验设备,已经从传统地要球科学发展成为“大地球科学”。作为“大地球科学”的地球系统科学要以大科学思维方式,即以对传统地球科学各学科的全覆盖性、大交叉性和资源的大协作性来指导学科的发展,为当前社会经济发展中的人口、资源、环境与发展问题提供知识准备与技术支持。关键词:大地球科学;地球系统科学;地球系统;大科学思维方式中图分类号:P183文献标识码:A文章编号:1671-1211(2007)03-0223-031概述纪地球科学的突破在于板块构造,21世纪地球科学的突破在于地球系统变化的理论。地球科学现正处于飞跃、突破的阶段,原来分头描述地球上各种现象的学科,正在以系统科学的高度相2大地球科学”“的产生互结合,成为揭示机理、服务预测的地球系统科学ESS(EarthSystemScience),地球系统科学在研究对象、研究方法、要解决的问题、从业人员以及组织形式和规模等诸方面与传统地球科学相比具有许多全新的特色和更高的层次,已经从近代的“小地球科学”发展到了今天的“大地球科学”1963年美国科学史家普赖斯在。《小科学,大科学》一书中对于“大科学”概念作了明确阐述。他指出:“现代科学不仅硬件如此光辉不朽,堪与金字塔和欧洲中世纪大教堂相媲美,且用于科学事业人力物力的国家支出也骤然使科学成为国民经济的主要环节。现代科学的大规模性,面貌一新且强而有[1]力使人们以‘大科学’一词来美誉之”。进入“大科学”时代以后,地球科学研究和科技开发也需要在“大科学”的指导下来完成,原来“小科学”时代下的研究方式已无法适应时代的潮流。当前,人口爆炸、土地荒漠化、自然资源短缺、环境污染加剧、温室效应”“与全球变暖、臭氧层的破坏、森林锐减和物种加速灭绝等问题困扰着人们,也是地球科学所面临的巨大挑战。科学家已普遍认识到,必须把地球作为一个由相互作用着的各个层圈或子系统即地球系统来研究,也只有作为“大地球科学”的地球系统科学才能回答人类所面临的一系列重大问题。有科学家认为,19世纪地球科学的突破在于进化论,20世作为“大地球科学”的地球系统科学理论构建取决于地球科学、科学技术与可持续发展三大背景和挑战,主要是由于强烈的人类活动、传统地球科学的成熟[2]以及对地观测技术和计算机技术的进步推动。尤其是“3S”技术的突飞猛进开阔了人类的眼界,大大提高了人类认识地球的能力,“上天、入地、下海、探极”地,球系统科学作为大科学研究的舞台愈加宽阔。开展地球系统科学的研究,将使人类更好地认识赖以生存的环境,更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所[3]造成的损害,为解决经济发展中人口、资源与环境问题提供知识准备与技术支持。众所周知,地球自诞生以来就以其自身的规律造就并主宰着地球上的生灵。今天,人类对地球环境的影响已进入到“全球影响”的时代。人类工业活动和日常生活对化石能源的消耗,不仅造成环境污染,而且导致CO2等痕量气体排入大气,其温室效应可能导致全球增暖。人口爆炸,城市扩张,森林、草地被垦殖为农田,使土地利用格局发生了翻天覆地的变化,直接造成植被破坏、生物物种灭绝、土地荒漠化,引发气候异常。这就迫使人们必须首先认识地球系统本身是如何工作的,全球变化的自然和人为触发机制是什么,从而规范、控制和调整人类自身的行为,建设一个富裕、健康、安全及可持续发展的社会。收稿日期:2006-12-14;改回日期:2006-12-25基金项目:国家十五863计划“面向网络海量空间信息的大型GIS”课题(2001AA135170)。作者简介:王丽芳(1979-),女,固体地球物理学专业。E-mail:wlfz793645@1261com224资源环境与工程2007年[6]各传统地球科学学科自身的成熟性促进了各学科之间基本关系和相互依赖的认识。经过100多年的发展,大气科学、海洋科学、地质科学、地理科学、地球物理学、空间科学等地球科学分支学科已经形成了各自完整的独立学科体系。事实上,地球系统各层圈本来是有机结合的整体,任一层圈过程都在不同程度上与其它层圈不同时空尺度过程存在着相互影响和制约,任一层圈的结构、功能和行为都是地球系统在局部的反映,层圈行为的耦合产生了系统的新行为,这是一次质的飞跃。因此,地球科学研究必须从复杂系统的科学理论出发,站在综合分析的高度上,揭示地球