美国国家科学基金会地球科学十年愿景里的12个优先科学问题
2023-08-31
来源：绿色能源世界
从地球初始到现今，从地核到大气，从微生物与岩石的相互作用到造山运动的热对流及板块构造，地球系统各组成部分以人类意想不到的方式相互联系与作用。虽然探索这些联系的过程本身很有趣，也具有很高的学术价值，但研究的紧迫性在于我们亟需理解怎样才能保持人类文明和生物多样性的可持续发展。过去十年，地球科学家把地球视为一个整体，在理论、技术、计算和观测方面取得了进展。展望未来，人类探索地球的步伐将不断加快。
受美国国家科学基金会（NSF） 地球科学处（EAR） 委托，地球科学研究机遇促进委员会通过问卷调查、研讨访谈、文献调研等各种渠道，总结提出了地球科学的十年（2020~2030）发展战略——《时域地球：美国国家科学基金会地球科学十年愿景：2020～2030》 是这些任务成果的展示，阐述了令人信服和充满活力的地球科学研究愿景 。
美国国家科学基金会（NSF）每隔十年发布指导未来地球科学发展方向的报告。这次发布的 Earth in Time （《时域地球》），不仅展望了未来地球科学的优先科学问题，而且强调地球科学已经从多学科研究发展到了超越学科界限的研究阶段，阐述了技术方法及基础设施建设的重要性，以及全方位国际合作学科特征，这些都值得我们思考和借鉴。希望《时域地球》能给读者以启迪，并助力中国地球科学的发展。
本 报告确定了12 个优先科学问题 ，涉及地磁、板块构造、关键元素、地震、火山、地形、关键带、气候、水循环、生物地球化学、生物多样性、地质灾害等各个方面，还明确了为解决这些优先科学问题所需要的基础设施（如仪器设备、信息基础设施和人力资源），以及在科学项目与基础设施上可以开展广泛合作的相关机构。
委员会的首要任务是明确优先科学问题，从而指导EAR 未来的工作 。一个重要的考虑是：所确定的科学问题要能代表地球科学界广泛多样的研究兴趣。 委员会通过网络问卷调查、内部研讨、同行访谈、学术咨询，以及对业内报告和科学论文进行全面的文献综述等多种渠道，了解到社会各界人士对地球科学的研究方向、基础设施、合作关系和培训等方面的意见建议，从而确保未来地球科学研究具有活力并能可持续发展。基于上述工作，委员会确定了12个能够展现地质年代的重要性、地球表层与深部之间的联系、地球与生物的协同演化、人类活动的影响，以及其他具有现实意义的优先科学问题。
了解地磁发电机随时间变化的能量来源和控制其变化速率的因素，对于认识从地球内部到大气层的相互作用，以及地磁场对人类活动的影响至关重要。 板块构造产生并改变着大陆、海洋和大气。但对于板块构造何时在地球上出现，为什么发生在地球而不是其他行星上，以及板块构造随时间会如何发展变化，目前人们仍然缺乏基本的认识。 关键元素的循环对地质过程至关重要。它为生命创造了适宜条件，并为人类现代文明提供了必要的物质基础。然而，地球内部这些元素如何在不同的时空尺度上进行运移，仍是需要研究的基本问题。 地震破裂是一个复杂的过程。地球以各种方式和不同的速率发生变形，促使地球科学家重新思考地震的本质及其驱动力。 火山喷发对人类、大气圈、水圈和地球系统都有着重大影响，因此，迫切需要对岩浆在全球不同环境下的形成、上涌和喷发机理，以及火山系统在整个地质历史时期的运行方式等基础问题开展研究。 新的测量技术可以揭示从地质时间尺度到人类时间尺度的地形变化，并有助于探究地球深部与地表之间的内在联系，应对地质灾害、资源和气候变化等紧迫的社会挑战。 地球的活性皮肤（reactive skin）——关键带影响着陆地与大气之间的水汽、地下水、能量和气体的交换。它对气候的响应与反馈是理解地球系统以及应对全球变化的重要组成部分。 地球历史上长期和快速的环境变化留下了证据，提供了与现代气候变化进行比较的关键基准，有助于阐明地球系统动力学，了解气候变化的幅度和速率，并在预测未来气候变化方面发挥关键作用。 要理解水循环当前和未来的变化，需要从根本上理解陆地水循环系统，以及水循环与其他物理、生物和化学过程相互作用的方式。 生物的长期作用影响着岩石矿物的形成与风化、碳循环以及我们所呼吸的空气成分。为了量化生物的这些作用，需要对生物地球化学循环有更深入的了解。 生物多样性是地球的一个重要特征，但人类尚未完全了解它的形成过程。我们需要研究生物多样性随时间、环境、地理位置的变化而发生变化的方式及原因，特别是像生物大灭绝这样的重大地质事件。 12. 地球科学研究如何降低地质灾害的风险与损失？ 地质灾害的量化和预测分析对于降低灾害风险和不利影响、保护人民生命和财产安全，以及保护基础设施至关重要。 这12 个问题凸显了地球过程相互关联的本质 。可将这些独立的研究问题概括为以下几点 ： 首先，地球是一个活跃、动态、开放的系统，所有组成部分彼此相互作用并共同塑造着地球的形态； 其次，复杂的地质、地球化学、地球物理和生物演化进程，在广阔的时空尺度上调控着地球系统的相互作用； 最后，将地球视为一个整体系统（包括人类作为新的地质营力），认识它现今以及过去的演化过程，对于预测自然与人为的变化将如何影响人类社会至关重要。 为应对这些优先科学问题，EAR 需要在核心学科项目持续投入，并在个体研究和大型项目之间保持一种平衡。 本文摘编自《时域地球： 美国国家科学基金会地球科学十年愿景： 2020～2030》（地球与生命科学部地球科学与资源委员会，地球科学研究机遇促进委员会 （CORES）著，张尉等译校. 北京：科学出版社，2023.7 ）一书“概要”。 标题为编者所加。 受美国国家科学基金会地球科学处委托，地球科学研究机遇促进委员会通过问卷调查、研讨访谈、文献调研等各种渠道，总结提出了地球科学的十年（2020~2030）发展战略，确定了12 个优先科学问题，涉及地磁、板块构造、关键元素、地震、火山、地形、关键带、气候、水循环、生物地球化学、生物多样性、地质灾害等各个方面，还明确了为解决这些优先科学问题所需要的基础设施（如仪器设备、信息基础设施和人力资源），以及在科学项目与基础设施上可以开展广泛合作的相关机构。 本书对我国地球科学的发展规划及科技管理具有借鉴意义，可供科研、教育和管理工作者及研究生参阅。 （本文编辑： 刘四旦）
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