在2020年的全國地質調查工作會議上，鍾自然局長再一次強調，地質調查工作的指導理論由傳統地質科學向地球系統科學轉變。本期推送文章為大家介紹地球系統科學的發展演化、方法手段、新的理論和面臨的挑戰。
經過近40年的發展，地球系統科學（ESS）經歷了1970年代前的萌芽階段、1980年代的學科建立、21世紀初的走向全球和2015年後的當代發展四個階段；形成了觀測與實驗、地球系統模擬和評估與綜合研究三大研究方法；催生了人類世、翻轉成員和行星邊界框架三大新的理論；目前面臨兩大挑戰：研究地球系統的穩定性和認識人類社會對地圈-生物圈-人類圈的影響。
階段一：萌芽期（1970年代以前）
ESS的誕生有如下三個方面背景：
一是20世紀中葉地球科學開始國際化。以1957—1958年的國際地球物理年（IGY）活動為標誌，這項前所未有的研究整合了67個國家的研究工作，提高了對地球圈層系統的綜合認識。
二是20世紀60年代和70年代，科學界和一般公眾對於環境問題的認知不斷加強。以蕾切爾·卡遜的《寂靜的春天》、羅馬俱樂部發表的《增長的極限》以及阿波羅17號飛船拍攝的「藍色星球」圖像為代表，突出了應將地球視為一個整體進行研究，並且強調了地球系統的脆弱性。
三是地球科學研究受到了極大的重視。20世紀下半葉，在冷戰背景下，地球和環境科學發生了重要變化，地球物理學由於軍事領域經費的支持（非地球科學傳統資金來源），獲得了前所未有的發展。全球環境調查和監測成為一項戰略要務，也為之後當代ESS提供了有用的信息。
該階段的重要成果是1972年洛夫洛克提出的蓋亞假說，產生了一種思考地球的新方式：認識到生物群對全球環境的重要影響，以及地球系統主要組成部分之間相互關聯和相互反饋的重要性。
階段二：學科的建立（1980年代）
由於逐漸認識到人類活動導致了臭氧層損耗和氣候變化等全球變化，20世紀80年代，科學界呼籲建立一門新的「地球科學」。這些呼聲所基於的認識是：如果要建立新的學科，就必須以將地球視為一個統一整體（即地球系統）這一新認知為基礎。
NASA將這項新的科學探索命名為「地球系統科學」，NASA地球系統科學委員會於1983年成立，通過觀測、建模和過程研究，幫助推動ESS的發展，並支持地球觀測系統衛星和相關研究。
NASA領導的研究項目開發了布雷瑟頓結構圖（圖2），該結構圖是地球系統的第一個系統-動力學展示，通過一系列複雜的外部條件和反饋將物理學的氣候系統與生物-地球-化學循環耦合在一起，將連接地球系統各組成部分相互作用的物理、化學和生物過程可視化，並且認識到人類活動是系統變化的重要驅動力。
鑑於ESS跨學科和國際性的特點，1986年，國際科學理事會設立國際地圈-生物圈計劃（IGBP）解決國際合作和學科融合問題。
階段三：走向全球（1990年代-21世紀初）
除了資源迅速消耗和氣候變化的影響日益顯著，全球變化的人類驅動因素以及生態系統變化並未引起關注。然而，一系列研究都表明了生態研究對氣候變化、生物多樣性和可持續發展的重要性，在這些研究的推動下，1991年，創立了國際研究方案：國際生物多樣性計劃（DIVERSITAS），用以研究全球生物多樣性的喪失和變化，補充了IGBP關於陸地和海洋生態系統機能方面的研究。
世界氣候研究計劃（WCRP）、IGBP、DIVERSITAS和國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）等國際研究計劃的全球體系為全球不同學科科學家的協作提供了「工作空間」，對ESS的發展至關重要。
2001年，國際性會議「變化中的地球挑戰」召開，由上述四個國際性的全球變化研究計劃共同主辦，來自105個國家的1400名代表參會，發布了阿姆斯特丹宣言，啟動了地球系統科學聯盟（ESSP）。
階段四：當代地球系統科學（2015年以後）
到2015年，ESS已比較成熟，開始在更高層次整合的基礎上進行重大機構重組和跨學科研究。IGBP、IHDP和DIVERSITAS在2015年被合併到新計劃「未來地球」中，旨在通過研究和創新加速向全球可持續性研究轉變。該計劃以早期全球變化方案的研究為基礎，但從一開始就與管理部門和私營企業更為密切地合作，共同設計和研究面向更加可持續未來的新知識。
二、ESS的三種方法：觀測與實驗、地球系統模擬、評估與綜合研究
地球系統的跨學科研究需要在大範圍的空間（自上而下和自下而上）和時間（回顧式和前瞻式）尺度上考慮系統過去和現在的變化。
·自上而下：最具標誌性的是夏威夷莫納羅亞天文臺正在進行的大氣二氧化碳濃度測量，該觀測站由Keeling於1958年建立，Keeling曲線描述了不斷增加的二氧化碳濃度，為理解人類如何影響氣候奠定了基礎。空間觀測具有越來越高的空間和時間解析度，使我們重複、持續、近乎實時的地球系統觀測能力發生了革命性的變化。
·自下而上：受到了地球不均一性的挑戰，但也提供了有價值的見解，補充了自上而下的觀測。一個典型的例子是全球海洋觀測系統（GOOS），通過Argo浮標持續收集和傳輸海洋數據。
· 回顧式：對了解現在的動態非常重要。如Vostok冰川巖心數據顯示了第四紀晚期溫度-二氧化碳關係的規律性和同步性，可謂重大進展。
·前瞻式：探究未來地球系統的子系統對人類幹預活動的響應。例如通過鐵的富集效應實驗，模擬利用大洋降低大氣圈內二氧化碳濃度的前景。
模擬是ESS的關鍵部分，模擬產生的模型可以闡明地球系統中的重要過程、特徵或反饋。最重要的是，模型-觀測交互式聯繫可以檢驗我們對地球系統如何運轉的認識。如：
·全球大氣環流模型（GCMs）：提供未來氣候及其影響的可能軌跡，並用於提供政策和治理信息。·綜合評估模型（IAMs）：模擬特定氣候穩定政策的成本，為特定的氣候目標確定最佳政策。·中等複雜性地球系統模型（EMICs）：可以在長達數十萬年的時間尺度上運行，這使得模型可以被古觀測結果檢驗，還可以探索遙遠未來的氣候。除了觀測和模擬之外，評估和綜合研究也是ESS的重要工具。綜合研究可在基礎層面上創造新知識，從而產生新視角、新概念和新知識。全球評估體系充當了科學和政策部門之間的中間人，在政策部門反饋後，形成新的研究方向。
最著名的例子或許是政府間氣候變化專門委員會（IPCC），IPCC關於1.5℃目標的特別報告，作為《巴黎氣候協定》的一部分，評估了1.5℃和2℃目標之間風險和影響的顯著差異。科學對政策發展產生了明顯的影響，而政策部門也催生了新的研究方法。
三、ESS催生的三大理論：人類世、翻轉成員和行星邊界
人類世（Anthropocene）：已經成為一個非常強大的統一概念，將氣候變化、生物多樣性喪失、汙染和其他環境問題，以及諸如高消費、日益加劇的不平等和城市化等社會問題置於同一框架內，並且通過研究人類世的起源及其潛在的未來軌跡，為可持續科學發展做出貢獻。
翻轉成員（Tipping Elements）：指地球系統中有可能發生根本變化的子系統或系統成員，描述了地球系統的重要特徵，這些特徵不是線性關係，反而顯示強烈的非線性特徵，有時是不可逆的閾值突變行為。如北極海冰、格陵蘭冰蓋、同生凍土等即為翻轉成員。
行星邊界框架（Planetary Boundaries Framework）：圍繞氣候變化、生物多樣性喪失、海洋酸化和土地利用變化等九個地球系統過程建立，指示了人類對地球的擾動程度，對地球關鍵生物物理過程的安全邊界進行了設置，為釐定人類活動的安全操作空間提供了科學依據。
第一大挑戰：研究地球系統的穩定性，各個翻轉成員的串聯是否會產生並觸發整個地球系統變化的臨界點。
第二大挑戰：理解人類社會動態將如何影響地圈-生物圈-人類圈的發展軌跡。
生物-地質-物理學界不斷重點研究地球系統的非線性特徵、翻轉點的相互作用與串聯以及潛在的行星尺度閾值和狀態變化，從而解決第一項挑戰。
然而，第二項挑戰需要付出更大的努力，我們對地球系統的認識在很大程度上仍然局限於生物-地質-物理學成分。最大的挑戰是將社會科學和人文科學中的人類動力學與生物-物理動力學充分結合起來，以建立一個真正統一的ESS。
圖3突出了這一挑戰，該圖受到布雷瑟頓結構圖（圖2）的啟發，但是將人類（人類圈）當作一個充分整合、相互作用的領域，人類圈成為地球系統整合和相互作用的一個組成部分。
未來技術對ESS也非常重要，高速計算、數位化、大數據、人工智慧和機器學習可以實時感知、處理和解釋大量數據。這種新能力為不斷理解地球系統重要過程、其相互作用和非線性行為，尤其是人類圈對整個系統的影響，奠定了基礎。
然而，要了解人類驅動作用，需要的不僅僅是技術。本世紀20年代的ESS可以將迅速發展的創新研究和政策思路結合，提升對人類圈的理解。例如，在政策領域，早期的聯合國《千年發展目標》以人類中心為導向，現已轉變為以可持續發展為導向。
為應對這些挑戰，ESS必須更深入地整合大量研究工具、方法和理念，全球化的ESS研究成為一個基本的且不可避免的事實。
人類現在是推動地球系統發展的主要力量：我們已不再是「大行星上的小世界」，而是「小行星上的大世界」。
本文節選改編自中國地質調查局發展研究中心《地質調查動態》2020年第10期，歡迎轉載，請註明出處！
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編輯：冉 皞 孫 月
審核：楊宗喜