未來地球什麼樣？美地球科學解讀

21世紀的地球科學已經發展成為結合和聯繫生物科學、社會科學、計算機科學、物質科學和工程科學在內的許多學科的真正跨學科科學。為了更深入地理解地球及其內部的相互作用，要求地球科學必須應用整體分析方法，探索應用來自所有科學與工程學科的知識。

1999年，美國國家科學基金會（NSF）地球科學諮詢委員會（AC-GEO）發表了《2000年後的地球科學》報告，作為NSF地球科學部（GEO）的一份長期戰略文件。到2005年，AC-GEO認識到，雖然這份文件一直能很好地為GEO服務，但是由於在此期間出現了新的科學機遇和技術發展，這一規劃應予以修訂。AC-GEO批准"地球科學遠景工作組"制訂新的規劃--地球科學遠景。在地球科學遠景報告中，AC-GEO提出了地球科學面臨的三大挑戰、五個重大科學問題，以及迎接該挑戰的十個建議。

地球科學面臨的挑戰

人類社會正處於十字路口。隨著資源枯竭、能源的可持續性、環境退化和氣候變化等問題的日益突出，人們開始懷疑：人類在實現廣泛經濟繁榮的同時，保護地球的健康能否成為現實？要在上述目標之間取得平衡，社會必須首先對用於地球資源的管理政策與原則進行評估，然後基於已建立的和新的優先性來作出困難的抉擇。這些抉擇必須有堅實的理論基礎，而這又必須建立在對這些選擇及其可能後果的科學理解之上。同時，驅動地球系統的複雜過程也激發了人們的質疑，並引導人們去理解地球是如何工作的和人類是如何對其產生影響的。

一：理解並預測複雜和變化的地球系統行為

地球系統以其複雜性、非線性過程和連續變化為特徵，這些特徵對理解和預測地球系統的目標構成了障礙。地球系統的各組成部分在不同的尺度上相互作用，跨越不同的時空相互聯繫。地球某一組分的變化將影響到其他組分的狀態和功能，而這種影響往往是以非直接的、不明顯的方式發生的。孤立地研究一個組成部分會得出不完整的、有時是錯誤的認識。地球系統最顯著的特徵之一是格局的存在。格局在所有地域、所有尺度上存在，無論是地球外核、海洋或是大氣圈中，都存在具體化的格局。它們表現為各種各樣的現象：極光、河流網路、斷層系統、板塊構造及對流運動。這些格局隨著時間的演進產生於局地過程和自組織。理解在地球歷史中這類系統的排列格局是如何出現的，將為預測地球系統行為提供重要線索。

二：減小脆弱性與維持生命

人類在自然力面前常常感到十分脆弱。強烈的而且常常是災難性的事件，如地震、海嘯、火山噴發、大氣風暴以及洪水，危害人類的生命與社會基礎設施。儘管科學和技術不斷進步，但由於人口增長、居住格局與日益擴張的人類基礎設施等因素，人類對地球災害的易感性達到了其歷史最高水平。而且，缺少足夠財政資源的社區在自然力面前常常是最脆弱的，不管是新奧爾良的颶風或是中國的地震都證明了這一點。雖然地球災害不可避免，但其造成的影響可以通過更充分的風險評估和更好的減災戰略設計予以控制。

三：培養地球科學未來工作力量

地球科學的生命力源自大氣科學、固體地球科學和海洋科學等多種核心學科內部及其之間的綜合集成。在這些核心學科中有許多動態因素是共同的，從在熱與重力影響下的可變形介質（水、空氣、岩漿、岩石、冰），到自組織和格局形成的能力，到水的普遍存在。這些共同的、引人注目的因素提供了獨特的研究機會而穩定了現有的科學家，並吸引著下一代的地球科學研究力量。

處於十字路口的地球科學

日-地系統面臨許多需要人們關注的挑戰，地球變化的速率不斷加快，人們面臨的現實世界的挑戰，將考驗人們尋找促進地球科學發展並造福社會的解決方案的決心和能力。在未來，人們如何通過深入的研究、大膽的解決方案和切實可行的決策，來應對以下5個方面的自然和人為挑戰，將決定人們如何成功地維護和保持日- 地系統。

動態的地球

地球是一個動態的星球，它以不同速率發生變化和運動。儘管許多變化隨時間漸漸地發生，但諸如颶風、地震、海嘯、火山爆發、熱浪甚至太陽風暴這樣的破壞性事件突出了現代社會的脆弱性。

變化的氣候

基於對大氣中氣體的輻射特性的深入研究和對大氣中氣體的測量，早在20世紀初人類就認識到，人類能夠改變地球的全球氣候。溫室氣體通過吸收和釋放熱量，具有正的輻射強迫作用並加熱地球的表面。沒有什麼人類活動和自然過程將保持不受地球所面臨的預期幅度和速度的氣候變化的影響。有效地應對氣候變化自然依賴於基礎研究，但是人們的研究也必須考慮水、生命、大氣環流和人類活動之間複雜的相互作用。這些因素決定著氣候變化如何和在哪兒發生，氣候變化對地球系統組成部分的影響；以及人類如何最好地減輕這些影響，或者以最小的代價適應它們。

地球與生命

重建地球的起源與演化以及地球上生命的進化過程，毫無疑問構成了最傷腦筋的科學努力之一，也是最令人望而卻步的任務之一。復原地球的自然與生物歷史，需要集成完整系列的科學學科，包括物理學、化學、地質學、水文學、生物學和數學科學等。

地圈-生物圈聯繫

對地球系統功能至關重要的化學物質最終將生物的（生物圈）和非生物的（水圈、大氣圈和岩石圈）組分聯繫在一起。化學物質（例如碳、氮和氧）在生態系統的生命和非生命部分流動，以不同的速率、在不同的時間尺度上不斷地被吸收、排除、保存和循環。地圈和生物圈之間的聯繫和循環發生在廣泛的物理尺度上。微生物群落從洋底的熱液噴口內到高山的湖泊和土壤中都有分布。海洋表層內化學物質的生物生產最終會在大氣雲層的形成過程中發揮重要作用。因此，要充分理解這些生物地球化學循環，需要同時考慮生命和非生命的組分。

水--變化的前景

水對生命的許多形式都是不可或缺的。全球海洋包括了地球全部水量的97%以上。陸地水系統一直從地球表面以下（地下水）延伸到大氣層，並包含了水的許多形態，從冰到雪再到雨。水循環也延伸到了地球內部，在火山和地熱系統中發揮著作用。

建議

地球科學家日益認識到，他們的貢獻必須超越個人的觀點，並且跨越嚴格限定的研究學科領域。而且，地球科學家意識到不僅必須與其他領域的科學家和工程師共享他們的專業技術、知識和見解，而且自己領域的科學進步與其他學科領域的知識、研究和見解有密切的聯繫。將新的方法和範式引入一門學科可能引起混亂，但由此產生的在科學理解上的突破可以迅速推進科學前沿的發展。