包郵 2021-2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略(宜居地球的過去現(xiàn)在與未來)

作者：地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略白皮書研究組

出版社：科學(xué)出版社出版時間：2021-05-01

開本： 16開 頁數(shù)： 174

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2021-2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略(宜居地球的過去現(xiàn)在與未來) 版權(quán)信息

ISBN：9787030688156
條形碼：9787030688156 ; 978-7-03-068815-6
裝幀：一般膠版紙
冊數(shù)：暫無
重量：暫無
所屬分類：
自然科學(xué)
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地球科學(xué)
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測繪學(xué)

2021-2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略(宜居地球的過去現(xiàn)在與未來) 本書特色

近十年來，由科學(xué)家建議，國家自然科學(xué)基金委主持資助了“華北克拉通破壞”等一系列重大研究計劃，開展了對地球演化規(guī)律的研究。在相關(guān)前沿研究的基礎(chǔ)上，本書匯集我國地球科學(xué)家的知識和智慧，共同思考。從宇宙與地球基本性質(zhì)、狀態(tài)、演化規(guī)律，探討人類生存條件的變化趨勢及應(yīng)對策略；深入討論“地球宜居性”這一重大科學(xué)問題所涉及的科技支撐以及實現(xiàn)途徑，提出了開拓交叉研究領(lǐng)域的建議，寫成《2021—2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略》。

2021-2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略(宜居地球的過去現(xiàn)在與未來) 內(nèi)容簡介

本書以“地球宜居性”為主題，突出地球深地、深海和深空以及和人類生活環(huán)境密切相關(guān)的表層系統(tǒng)。立足于**研究進展，集諸前沿領(lǐng)域的中國地球科學(xué)家思考之大成，在拓展科學(xué)視野的基礎(chǔ)上，兼顧“地球宜居性”所必需的科學(xué)攻關(guān)、科技支撐以及實現(xiàn)途徑形成一些初步想法，提出一些新的研究建議，是中國地球科學(xué)**由科學(xué)家自發(fā)思考并撰寫的戰(zhàn)略研究。

2021-2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略(宜居地球的過去現(xiàn)在與未來) 目錄

目錄
一、總述1
（一）地球宜居性的深部控制過程2
（二）從海洋探測認識維持地球宜居的要素4
（三）從深空視野看宜居地球內(nèi)外動力互饋6
（四）地球系統(tǒng)科學(xué)與地球宜居性8
（五）提升科研共同體視野的政策性探討10
二、科學(xué)視野——對人類認知的挑戰(zhàn)14
（一）地球早期演化14
（二）深部動力過程如何調(diào)控地球宜居性17
（三）重大事件對地球宜居性的影響22
（四）地球大氣與地球氣候變化25
（五）海洋與地球內(nèi)部相互作用31
（六）海洋與生命起源演化34
（七）深空環(huán)境日地多圈層、多尺度耦合過程和物理機制38
（八）類地行星地質(zhì)活動、空間環(huán)境和大氣逃逸40
（九）地外小天體撞擊預(yù)測、規(guī)避與評估43
（十）系外宜居行星探測44
（十一）人地系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展46
（十二）全球環(huán)境變化與生物、人類文明演化49
（十三）圈層相互作用與地球系統(tǒng)過程52
三、科學(xué)攻堅——滿足宜居需求的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題57
（一）資源能源保障中的重要科學(xué)問題57
（二）深海資源能源潛力與海洋安全65
（三）深空資源與深空經(jīng)濟69
（四）深空環(huán)境與深空探測器安全72
（五）自然災(zāi)害機理、預(yù)測與預(yù)防76
（六）新構(gòu)造地形急變帶的重大工程79
（七）人地耦合與生態(tài)安全81
（八）碳循環(huán)與碳中和85
四、科技支撐——變革性技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題94
（一）地球深部地球物理探測技術(shù)94
（二）地球深部地球化學(xué)示蹤體系和高精度定年技術(shù)99
（三）深海觀測與探測104
（四）深海進入和居住108
（五）空間天氣自動識別及人工干預(yù)、小天體人工操縱111
（六）系外行星探測114
（七）定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施框架及理論117
（八）數(shù)據(jù)集成129
（九）大數(shù)據(jù)與人工智能131
（十）數(shù)據(jù)革命與數(shù)據(jù)驅(qū)動地球科學(xué)發(fā)現(xiàn)135
五、實現(xiàn)途徑——交叉、融通、協(xié)作、合作145
（一）平臺建設(shè)與數(shù)據(jù)共享145
（二）學(xué)科交叉與協(xié)同攻關(guān)147
（三）開展國際合作交流149
參考文獻155
后記165

展開全部

2021-2030地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略(宜居地球的過去現(xiàn)在與未來) 節(jié)選

一、總述人類在獲得生存基本保障后，出于探索未知的目的，開啟了對宇宙以及誕生人類生命的地球的窺測。日出月落的星球運動，探險旅行的大地奇觀，開啟了人類對地球和宇宙的研究歷程。然而，決定科學(xué)發(fā)展進程的是人類為生存從事的生產(chǎn)活動及其帶來的技術(shù)進步。從18世紀的工業(yè)革命到今日的數(shù)字時代，地球科學(xué)走過了從認識基本物理規(guī)律、化學(xué)變化和演化過程的學(xué)院式研究，到獲取地球資源和防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)創(chuàng)新所推動的能源、地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、大氣海洋以及比較行星學(xué)等多學(xué)科研究。上世紀60年代，地球科學(xué)家以全球視野研究大陸漂移、火山活動、海底擴張以及地幔柱，建立了新地球觀——板塊構(gòu)造理論。同樣是上世紀60年代，人類成功脫離地球引力，踏上月球。與此同時，科學(xué)界提出“地球系統(tǒng)科學(xué)”的概念，其含義是指地表系統(tǒng)與人類動力過程的互饋及全球變化，其目的是將地球表層及近地空間看作統(tǒng)一的整體，力圖探索人與自然和諧發(fā)展的途徑。21世紀，科學(xué)家又將地球內(nèi)部與表層過程及近地空間相結(jié)合，從宇宙大爆發(fā)追蹤到人類智能的產(chǎn)生，由此誕生了“地球的系統(tǒng)科學(xué)”。時至今日，經(jīng)歷計算機及信息技術(shù)革命的地球科學(xué)研究，已立足于全新的感知技術(shù)和數(shù)字處理能力，空前強大的對陸、對空、對海的觀測網(wǎng)絡(luò)，正在從越來越多的原始觀測信息中獲得對整個地球乃至宇宙系統(tǒng)方方面面的新認識。與此同時，人類活動的空前頻繁也導(dǎo)致人對地球的作用和依賴關(guān)系以幾何級數(shù)的變率發(fā)展。在這一進程中，人類是走向資源枯竭、生存環(huán)境惡化的自我毀滅，還是掌握地球作用人類的發(fā)展規(guī)律，指導(dǎo)人類的生存活動，進而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展？后者是地球科學(xué)研究未來面臨的重要科學(xué)命題。本書以“地球宜居性”為主題，突出地球深地、深海和深空以及和人類生活環(huán)境密切相關(guān)的表層系統(tǒng)及日地空間。立足于*新研究進展，集諸前沿領(lǐng)域中國地球科學(xué)家思考之大成，在拓展科學(xué)視野的基礎(chǔ)上，兼顧“地球宜居性”所必需的科學(xué)攻關(guān)、科技支撐以及實現(xiàn)途徑形成一些前瞻思考，提出一些新的研究建議。（一）地球宜居性的深部控制過程地球自形成，歷經(jīng)數(shù)十億年的演化，逐漸從相對均一、熾熱的行星演變成具有良好層圈結(jié)構(gòu)、生機勃勃的宜居星球。然而，地球的宜居性并非與生俱來。地球早期的大碰撞使得巖漿洋覆蓋全球，還原環(huán)境使得當(dāng)時的大氣圈以二氧化碳、甲烷、氫、氨和水汽為主。地球是如何演變到宜居環(huán)境并促進生命的出現(xiàn)？如何“修煉”并擁有強大的自我調(diào)節(jié)/修復(fù)功能，并維持宜居環(huán)境的相對穩(wěn)定？如何形成人類賴以生存的資源和能源？這些問題涉及多個圈層間的相互作用及資源環(huán)境效應(yīng)，是“地球的系統(tǒng)科學(xué)”研究實現(xiàn)突破所需要回答的關(guān)鍵問題。研究地球宜居性的發(fā)展歷程、關(guān)鍵控制因素和調(diào)控機制是預(yù)測地球未來的重要依據(jù)，也是尋找更多資源能源以及維系人類生存和社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。對于地球宜居性，尤其是對宜居地球發(fā)展演化的深部控制機制，有太多的未知等待人類去探索。宜居地球的演化可分為“準穩(wěn)態(tài)模式”和“突變模式”；后者即是人們熟知的重大地質(zhì)事件，如大氧化事件、雪球地球、海洋缺氧事件、生物大滅絕，這些事件在地球的宜居性形成過程中具有重要作用。特別值得注意的是，雪球地球與生命大爆發(fā)、海洋缺氧/地球深部氧爆發(fā)與大氣升氧事件、超大陸聚合裂解與地球宜居性等事件之間都存在顯著的相關(guān)性。這些重大事件之間相關(guān)性的本質(zhì)是什么？是什么造成了周期性的生物大滅絕和新生命形式的出現(xiàn)？又是什么觸發(fā)了災(zāi)害性的環(huán)境氣候改變？大氧化事件氧氣的來源究竟是什么？是什么造成了深部地幔的廣泛熔融和大火成巖省的溢流玄武巖？是什么擾動了常態(tài)的地幔對流并觸發(fā)了超大陸的匯聚和裂解？為什么地球內(nèi)部存在地磁極性頻繁倒轉(zhuǎn)和超靜磁帶兩種動力過程？這些看似孤立的，發(fā)生在不同圈層的重大事件之間的內(nèi)在聯(lián)系是理解整個地球系統(tǒng)運行機制的關(guān)鍵。前人對上述問題的解答多針對各個獨立的事件展開研究，盡管取得一些研究進展，但大多數(shù)假說往往將事件歸因于外部因素，例如生物大滅絕事件就被歸因于小行星撞擊和海平面升降等原因，對地球內(nèi)部動力過程的影響考慮較少，這就造成一些假說與理論經(jīng)常是自相矛盾的。大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈僅占地球的一小部分，而地球的絕大部分處于未知的深部。例如，碳、氫、氧、硫等生命元素的地表含量占整個地球不到1%，其中大部分碳在深部（Plank and Manning， 2019）。只有了解深部碳循環(huán)才能深刻理解以地表和大氣碳循環(huán)為核心的碳排放國際爭議，這也是認識地球氣候系統(tǒng)演化的核心科學(xué)問題。由此可見，研究地球深部動力過程對揭示地球運行規(guī)律和宜居性是至關(guān)重要的。要從宇宙視野入手，尋找地球運行機制，地球過去、現(xiàn)在與未來的答案，因為我們的地球在宇宙“不特殊”。（二）從海洋探測認識維持地球宜居的要素海洋是地球生命的搖籃，是調(diào)控地球宜居性的重要紐帶。深海大洋不僅是地球氣候系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)器，而且對地球系統(tǒng)的碳、氫、氧、硫等多種物質(zhì)循環(huán)都有調(diào)控作用，深入認識海洋及相關(guān)的海底動力過程及能量物質(zhì)循環(huán)過程是理解地球宜居性和應(yīng)對未來碳排放與發(fā)展權(quán)益的關(guān)鍵。海洋也孕育了地球上**的生態(tài)系統(tǒng)，具有巨大的服務(wù)功能和價值，認識藍色生命系統(tǒng)的過程與規(guī)律、合理開發(fā)和保護藍色生物資源是支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。海洋作為地球系統(tǒng)的“血液”，是聯(lián)系地球系統(tǒng)各圈層的重要紐帶；但迄今人類對廣袤深邃海洋的探測區(qū)域還不到5%，中國更是海洋科學(xué)的后發(fā)者，未來需要圍繞“深海進入，深海探測，深海開發(fā)”啟動透明海洋、深海基站、大洋鉆探等重大科學(xué)工程，帶動我國在海洋及極地研究領(lǐng)域盡快成為引領(lǐng)者與新理論的創(chuàng)立者。近50年來，深海研究*重要的科學(xué)成就之一是認識到生命不一定需要光合作用，海底是無光的世界，但也是充滿生機的世界。生活在海底的生命不需要光合作用，這或許為我們認識生命起源打開了一扇窗戶。海底熱液，特別是低溫堿性熱液甲烷、冷泉以及深海暗生命系統(tǒng)等一系列重大發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)為生命從無機物到有機提供了線索。地球科學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家等通力合作，深入研究海底火山噴發(fā)過程中甲烷和各種蛋白質(zhì)物質(zhì)的成因，有助于我們破解地球生命起源與適宜性之謎。隨著人口持續(xù)增長，人類對能源、礦產(chǎn)資源、水資源乃至空間資源等提出了更加迫切的需求。與此同時，隨著人類活動空間與強度的加劇，與人類生存需求和舒適度密切相關(guān)的海洋生態(tài)環(huán)境和地球氣候系統(tǒng)演化面臨新的不確定因素。認識這些重大科學(xué)問題的關(guān)鍵是研究流固相互作用對地球系統(tǒng)的影響。海水通過海底蝕變、沉積過程、熱液活動等影響著大洋板塊的物理性質(zhì)和化學(xué)成分；而板塊俯沖則將地表流體帶到地球深部，影響著巖漿活動、板塊運動乃至整個地球演化；進入地球內(nèi)部的水誘發(fā)部分熔融，很可能助力軟流圈和下地幔過氧層的形成。這些研究成為認識板塊運動驅(qū)動力和地球大氧化事件成因的有效途徑。因此，深部熔流體的活動機制，如俯沖板塊驅(qū)動的水循環(huán)、碳循環(huán)等是理解地球宜居性的核心。開展以海洋為核心的多圈層耦合研究，認識海洋、經(jīng)略海洋，關(guān)系到人類社會的發(fā)展。（三）從深空視野看宜居地球內(nèi)外動力互饋地球是目前發(fā)現(xiàn)**確定擁有生命的星球。地球宜居性不僅涉及地球系統(tǒng)本身，而且與太陽、太陽系乃至遙遠的天體活動密切相關(guān)。天文學(xué)家根據(jù)行星與太陽的距離定義太陽系宜居帶，類地行星金星、地球和火星位于其中。類地行星均形成于46億年前，在早期演化中發(fā)育相似的圈層構(gòu)造。然而，大約在40億~35億年前，金星、地球和火星的演化開始分道揚鑣。現(xiàn)今的金星有相當(dāng)于地球92倍的大氣壓（96.5%為二氧化碳氣體），表面溫度高達460℃，是失控的溫室效應(yīng)的典型；而火星大氣密度不到地球大氣的1%，且95%為二氧化碳，表面溫度低至–63℃，代表了失控的冰室效應(yīng)；只有地球演化成了宜居星球。這表明，行星宜居環(huán)境的形成除與恒星的距離這一必要條件有關(guān)外，還取決于行星內(nèi)在的其他因素。研究表明，行星內(nèi)部動力學(xué)過程是主控因素。火星約在37億年前失去全球磁場，目前僅殘留區(qū)域性的剩余磁場，推測由于全球性磁場保護消失，火星后來失去了原有的大氣和液態(tài)水。金星質(zhì)量與地球相似，火山活動頻發(fā)，表明其深部構(gòu)造運動主要為垂向運動，缺少地球所特有的板塊運動。相比較而言，地球內(nèi)部動力充沛，有板塊構(gòu)造，內(nèi)部垂向運動和水平運動共存，具有偶極子全球性磁場。究竟是哪些關(guān)鍵因素控制火星、金星和地球的演化路徑出現(xiàn)巨大差異？通過比較行星學(xué)研究，分析類地行星的內(nèi)外圈層時空演化、水和揮發(fā)分的作用、板塊構(gòu)造運動、磁場的保護等科學(xué)問題，才能深刻理解地球宜居性的過去、現(xiàn)在和未來。當(dāng)前，人類已經(jīng)把目光瞄準到火星、冰衛(wèi)星乃至系外行星，探索地外生命，嘗試回答人類是否孤獨的哲學(xué)問題，并不斷地拓展人類未來的生存空間。當(dāng)以深空視野探討地球宜居性時，需要從日地全景、行星族譜、系外行星、地球防御以及時空基準五個維度進行闡述。“日地全景”聚焦太陽活動對地球空間環(huán)境宜居性的影響，“行星族譜”通過太陽系天體的比較行星學(xué)研究來審視地球宜居性的形成和演化。“系外行星”通過對太陽系外行星的探測和研究，理解地球的過去、現(xiàn)在和未來。“地球防御”針對人類社會面臨的小天體撞擊、宇宙極端天體活動等潛在威脅，探索防災(zāi)、減災(zāi)的方法與對策。“時空基準”構(gòu)建深空活動所涉及的導(dǎo)航、定位、定時（Positioning， Navigation and Timing， PNT）理論、技術(shù)和體系。通過以地球為核心，對宜居地球所要求的地球空間環(huán)境宜居性，太陽系行星及其衛(wèi)星的起源與演化，系外行星的宜居性等重大科學(xué)前沿問題開展研究，從本質(zhì)上探索地球宜居性發(fā)生和發(fā)展，拓展人類生存發(fā)展的空間，深化人類對太陽系和宇宙的認識，為人類向更深遠的宇宙進發(fā)、尋找新的家園奠定重要的科學(xué)基礎(chǔ)。（四）地球系統(tǒng)科學(xué)與地球宜居性地球系統(tǒng)中人類活動與自然過程相互交織耦合，導(dǎo)致自然系統(tǒng)功能失調(diào)、誘發(fā)水資源短缺、土地品質(zhì)下降、生物多樣性減少、大氣和海洋環(huán)境污染等一系列降低地球生命舒適度的問題。與地球系統(tǒng)科學(xué)密切相關(guān)的全球變化提出了人類生存環(huán)境的問題，而問題的解答卻要求超越人類本身的時空尺度。以碳為例，人類排放的碳主要被大氣、海洋和土壤植被分擔(dān)，但是進入土壤的碳可以停留上百年，進入海洋的可以超過十萬年，都比大氣里長得多。需要跨越地球圈層、橫穿時空尺度，并將社會系統(tǒng)有機融入自然過程中。實際上，缺乏對地球內(nèi)部作用以及各圈層相互作用過程的詳細了解，既無法推斷過去也無法預(yù)測未來的地表環(huán)境，更難以評估它們對人類活動的影響。比如氣候系統(tǒng)各圈層（大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈和巖石圈）變化尺度差異巨大；年際和年代際時間尺度上的自然變化，主要取決于海洋、陸地表層和大氣之間的相互作用以及太陽輻射的變化；人類活動主要是化石燃料的使用和土地利用的影響；更長時間尺度的地球氣候系統(tǒng)變化則必須考慮地球的內(nèi)部動力過程。環(huán)境變遷與生物演化、文明演化構(gòu)成地球生物圈運行的兩條脈絡(luò)，各有內(nèi)在規(guī)律，互相作用與協(xié)同發(fā)展，構(gòu)成完整的地球生物演化史、環(huán)境變化史以及人類文明史。一方面，生命演化受到地球系統(tǒng)動力過程的影響與控制；另一方面，生命演化對塑造地球宜居性起到了重要作用。這就是二者協(xié)同演化的重要含義，也是未來從地球系統(tǒng)科學(xué)研究地球宜居性的重要內(nèi)容。自然/人為災(zāi)害和環(huán)境污染是制約宜居地球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。自然災(zāi)害形成演化時空跨度大，是典型的非線性復(fù)雜巨系統(tǒng)，可造成整個或區(qū)域性地球系統(tǒng)的突變。人為災(zāi)害的時空范圍可預(yù)測度要高一些，危害**的是環(huán)境污染問題。近年來流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，環(huán)境因素已超過遺傳因素，成為影響人類健康*危險的因素。新冠病毒的光顧，使我們進一步認識到Geo-Health（地球與生命健康）對地球科學(xué)家提出更高的要求，同時也意識到現(xiàn)有的知識體系還不足以保證人類與宜居地球的和諧發(fā)展。（五）提升科研共同體視野的政策性探討立足國家重大需求，面向國際科學(xué)前沿，地球科學(xué)研究亟待在國家需求引導(dǎo)下聚焦地球科學(xué)重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，以及變革性技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題；強化對前瞻性科學(xué)問題的把握，以擺脫跟跑國際前沿的研究現(xiàn)狀為目標，更有效的

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