地球系统可以划分为固体地球系统、表层地球系统和日地空间系统三大组成部分, 这三大部分之间不仅存在能量和物质上的相互传输和耦合关系, 而且涉及从微观到宏观的多个尺度. 地球系统科学以全球性和统一性以及整体观、系统观和多时空尺度为特征, 不仅着眼于地球各圈层之间在物理、化学和生物上的相互作用, 而且以此来研究地球整体及其圈层之间的性质、行为、过程和机制. 虽然对这三大系统内部学科领域的研究均取得了长足的进展, 但是对它们的整体行为以及个体之间的相互作用仍然认识不足, 因此面临不同类型和层次的挑战. 固体地球系统由地壳、地幔和地核组成, 现有的观测技术难以深入到地幔内部, 导致直接观测和数据获取困难; 地球内部的高温、高压和强磁场等极端环境, 也给观测设备和科学实验带来了巨大挑战. 表层地球系统是一个开放的复杂巨系统, 其内部各子系统(包括大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间存在复杂的相互作用和反馈机制, 使得对表层地球系统的整体行为和长期演化的理解变得困难; 生物活动对表层地球系统的影响日益显著, 地球内部系统与外部系统之间的耦合更加复杂, 如何区分和量化地球圈层相互作用和生物活动对表层地球系统的影响是一个重要挑战. 日地空间系统包括太阳活动、地球磁场、大气层、空间天气等多个物理过程, 太阳活动对地球空间环境的影响显著, 但现有的观测与重建方法和预测模型在精度和时效性方面仍存在不足; 如何提高太阳活动的预测能力并减少空间天气灾害的影响是日地空间系统研究的重要课题, 如何跨越不同尺度并建立多物理过程的耦合模型是日地空间系统研究的重要挑战. 由于上述地球三大系统内部及其之间的各种过程和现象往往跨越多个时间和空间尺度, 并且表现出强烈的非线性特征, 结果使得对其行为和过程的理解变得复杂多变, 这给理论建模和数值模拟带来了巨大挑战. 因此, 对地球三大系统的研究需要多学科之间的深入交叉和融合, 以共同揭示地球系统的基本规律和运行机制.
结论及展望
地球系统包括固体地球系统、表层地球系统和日地空间系统三大部分, 它们各自面临不同的挑战. 尽管固体地球系统观测困难, 但是汇聚板块边缘地球系统科学研究已经取得了长足进展, 因此多尺度和非线性特性是理解和模拟其行为和过程的前沿领域. 表层地球系统是一个开放的巨系统, 虽然其内部各子系统之间存在不同类型的相互作用和反馈机制, 但是对其整体行为和长期演化的认识和理解亟待加强. 日地空间系统涉及多个物理过程, 尽管其观测困难、数据量大且难以处理和利用, 但是面临的挑战正在逐渐被化解. 通过多学科之间的联合攻关, 可以深入研究地球三大系统的基本性质及其演变, 揭示不同地球子系统的形成和演化规律, 从而实现地球系统科学在理论上的突破和在资源能源环境灾害应用上的拓展. 将新方法新技术及时应用于地球系统科学, 可以为研究提供新思路和新方法, 同时也带来新的机遇和挑战. 因此, 对地球系统三大组成部分的研究需要多学科之间的深入交叉和融合, 以共同揭示地球不同子系统的奥秘.
就整个地球系统而言, 一方面地球内部过程影响表层地球系统的演化及地球宜居性, 另一方面表层地球系统影响地球内部圈层的成分和演化, 对两者之间互馈关系的研究亟待深化. 亟待解决的问题包括地球圈层界面的形态起伏大小、界面是突变还是渐变以及物理化学梯度等, 穿透界面的物质传输是以扩散渗滤还是聚集流动的方式, 圈层之间相互作用与能量和物质交换之间的耦合关系, 地球内部能量和物质向地表传输的机制和效率等. 虽然地球内部和外部环境具有一定的复杂性和动态性, 但是对其进行全面、连续和高精度的观测和数据获取, 依然是地球系统科学研究的首要任务. 由于观测技术的限制和模拟模型的不完善, 对地球系统的观测和模拟结果往往存在较大的不确定性, 因此有效降低这种不确定性并提高预测精度, 有效地处理和利用这些海量的观测数据, 也是地球系统科学研究面临的挑战之一. 随着计算机技术的发展和大数据时代的到来, 对地球系统结构和组成以及过程和动力学的模拟和数据集成, 即将成为地球系统科学研究的前沿乃至热点. 利用高性能计算机和先进的数理模型对地球系统进行模拟和预测, 同时利用和整合多来源、多尺度的数据与数据融合以揭示地球系统的复杂性和动态性, 也许会成为地球系统科学研究的新范式.
地球圈层之间相互作用是地球系统科学研究的出发点和落脚点, 对其进行研究不仅需要综合应用不同学科领域的方法和技术, 而且需要与时俱进、不断更新思想和观念. 建议加强地球不同圈层系统数据的收集和监测, 通过长期的观测和监测, 获取各圈层要素的变化趋势和相互关系; 开展数值模拟和建立地球系统模型, 用于模拟和预测不同圈层之间的相互作用, 以研究不同圈层之间的物质传输、能量交换、反馈机制等; 开展不同尺度的物质结构和成分分析, 研究各圈层之间物质的循环和相互转化, 揭示它们之间的物质传输和作用机制; 关注生物圈与其他圈层之间的相互作用, 通过研究生态系统的结构、功能和动态变化, 探究生物圈与大气圈、水圈和土壤圈之间的物质循环、能量传输和生物多样性维持机制等. 由于学科之间的差异和壁垒, 跨学科合作往往面临着沟通困难、数据共享和整合等问题. 但是, 加强跨学科合作与交流, 是推动地球系统科学发展的重要任务之一. 因此, 学科之间的交叉融合是发展地球系统科学的必由之路. 一是要加强地球科学与其他学科之间的交叉融合, 如与数学、物理学、化学、生命科学、行星科学、天文学等; 二是加强地球系统科学内部学科领域之间的交叉融合, 对于固体地球系统涉及地质学、地球化学、地球物理学和地球动力学等, 对于表层地球系统涉及大气科学、海洋科学、生态学、水文学、生物学、土壤学和地质学, 对于日地空间系统涉及天文学、行星科学、物理学和地球科学等. 只有通过多学科联合攻关和综合研究, 才能有效推动地球系统科学研究的深入发展.郑永飞, 郭正堂, 焦念志, 穆穆, 朴世龙, 傅绥燕, 杨顶辉, 朱茂炎.2024.地球系统科学研究态势.中国科学: 地球科学 54卷, 10期: 3065 - 3090.
