个人介绍
全球变化与地球系统科学 刘本培
这门课程以“地球系统”为研究对象,将大气圈、水圈(含冰冻圈)、岩石圈和生物圈视为一个整体,探讨由一系列相互作用过程(包括系统各组成成分之间的相互作用,物理、化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球的相互作用)联系起来的复杂非线形多重耦合系统,使学生能够科学地、系统地了解我们生活的环境。
教师团队

刘本培 教授

单位:中国地质大学

简介

地球系统指由大气圈、水圈、陆圈(岩石圈、地幔、地核)和生物圈(包括人类)组成的有机整体。地球系统科学就是研究组成地球系统的这些子系统之间相互联系、相互作用中运转的机制,地球系统变化的规律和控制这些变化的机理,从而为全球环境变化预测建立科学基础,并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外层空间,时间尺度从几百年到几百万年。

地球系统科学是从传统的地球科学脱胎而来的。人类的生活要从环境中获取食物、能源,故必然关心所居住的环境,对所立足的地球产生求知欲,于是逐渐形成了地球科学的各分支,如气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等。然而,它们是对地球的某一组成部分的分门别类的研究。随着研究的深入,形成了各自的研究方法、手段和目的。但是,由于地球的空间广域性,形成它的时间悠久性和组成其要素的复杂性,分门别类的研究尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平,但仍不能完整地认识地球,传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用的观点去研究、认识地球,越来越为有识之士所倡导。于是,在20世纪80年代中期,特别以美国地球系统科学委员会(Earth System Sciewce Committee)在1988年出版的《地球系统科学》一书为标志的“地球系统科学”思想和概念被明确提出。事实上,本世纪六七十年代在中国兴起的对自然地理各要素进行综合研究的思想,可以看作是(表层)地球系统科学的萌芽。只是后者涉及的范围、领域更广、时间更长、系统的方法和现代技术手段更加先进完善而已。

意义

1988年,美国国家航空与宇航局(NASA)顾问委员会地球系统科学咨询委员会公布了一份具有创新意义的文件,从那时起,这份文件指明了NASA地球科学计划与任务的发展方向《地球系统科学-近距观察》定义了地球系统科学的目标和任务:目标——通过对地球系统的构成及其相互作用、功能以及在整个地质年代将如何演化的论述来科学地理解全球规模完整的地球系统。 任务——提高预测未来10-100年自然和人类活动引起地球系统变化的能力。

地球系统科学咨询委员会在地球研究的这个新观点中指出,地球系统科学将地球的各组成部分视为一个统一的动力系统,将加深人们对地球组成部分相互作用的理解。这一观点构筑在传统学科之上,其本质是强调物理和动力特征的相互作用,这种作用在空间尺度上从毫米级到地球的周长,在时间跨度上从数秒钟到数十亿年。地球研究的这一系统方法作为一种有确凿依据的框架已普遍为人们所接受,由此而引发一些学科和跨学科的问题,目前,它构成了美国国家科学基金会(NSF)长期规划“NSF 2000年之后的地球科学:前十年的展望”草案的基础。地球系统科学还是“塑造未来”研究报告所推荐的观点,这份报告论述了大学地球科学教育的未来。引自《地球系统科学——近距观察》,NASA(1988)。地球系统科学对于理解我们这个存在水的星球的科学尺度、与人类活动相关的自然气候系统以及可持续发展的未来需求都是至关重要的。金字塔结构的概念,说明了在较广的社会领域内地球系统科学与全球变化教育的关系。有关地球系统科学和全球变化的宽阔基底和有序高层教育为社会活动以及实现全球可持续性目标和制约条件的行动奠定了基础。地球系统科学和全球变化的课程要求基础学科与应用学科的结合,这样才能奠定这一基础。

地球作为相关子系统构成了一个复杂动态统一体,这一概念是近于直观的。在地球系统内,不存在与系统其他要素完全隔绝的作用过程或现象。尽管这种相互联系是符合哲理的,但它却给那些试图定量分析系统内各种要素、状态和作用过程的研究人员提出了巨大的挑战。任何个人、科研单位或大学都不具备博大精深的知识来迎接这种挑战。只有大学校内和大学之间不同学科的科研力量联合起来才能充分评价地球系统科学的多样性和复杂性。地球系统科学教育(ESSE)计划所属的、基于院校的NASA与USRA(大学空间研究联合会)合作项目的核心就是通过院校之间以及与其他合作伙伴之间的联手开设跨学科课程以及课堂主题标准。教育者在课堂开设跨学科课程,以加深对地球系统的理解,他们面临的挑战是令人敬畏的。鉴于地球系统科学是寻求构筑一种系统内过程和状态支撑的多学科框架,它还必须保持传统学科的长处,以便理解基本的概念和复杂的相互作用。这种研究地球并把地球系统科学作为一个专题的整体研究方法已吸引了众多的大专院校。

金字塔结构说明了在较广的社会领域内地球系统科学与全球变化教育的关系。有关地球系统科学和全球变化的宽阔基底和有序高层教育为社会活动以及实现全球可持续性目标和制约条件的行动奠定了基础。

在金字塔的底部,相关学科的信息和知识是极为重要的。上一层为学科综合的信息和知识,是通过对单一学科和多学科研究形成“跨越有关学科交叉的子空间”的信息和知识。在普及教育、大学和研究生教育层次教授与运用这类知识,另外还包括各类专业知识——地球物理、经济、社会、医学、法律、新闻等,最终将会形成一个信息社会。

研究和开设与全球变化相关的地球系统科学的系列综合课程将提供基本知识、激发公众的兴趣、形成一个信息社会。为迎接21世纪议程的挑战,所有这些都是必需的,并将朝着下世纪可持续发展方向迈进。

特征

地球系统科学是应人类面临的根本生存环境危机——全球变化的严峻挑战而兴起,在近年诸多高新技术在地学上的应用研究而促进其发展,它反映了现代人类对人与自然界关系的哲学理念。但是,概念尽管已提出,行动却尚有不少困难。首先就是面对这个复杂的开放的巨系统,如何能适时地、多周期地获取系统多参数的海量数据。同时,又如何对海量数据进行整合、集成以及选取合适的参数进行数学建模,模型又如何能适时地检验。如何对全世界成千上万的地学实验室、科研机构、大专院校的科学研究和获取的宝贵数据能进行共享、交换。这些问题均有待解决。地球系统科学又面临困境。幸运的是,地球系统科学由于现代工程技术科学的参与与支持,将出现一场新的技术革命。数字地球就是这场技术革命的集中体现,它有望给地球系统科学带来研究方法,手段的革命性变化。

地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度,来研究地球系统的整体行为,使得人类能更好地认识自身赖以生存的环境,更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。地球系统科学在现代技术,尤其是空间技术和大型计算机发展后出现,致力于对地球的整体探索。它以地球科学许多分支学科的大跨度交叉渗透,与生命科学、化学、物理学、数学、信息科学以及社会科学的紧密结合为特征。其研究发展的特点为时空尺度大,综合性强,实用空间大,支持有效监测和预测,研究中大量采用高新技术,采集、存储、处理的数据量都极其巨大。


参考资料


参考书籍












(讲座)全球变化与CO2地质封存

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