進入21世紀，地球科學發展到「地球系統」的新階段，強調地球巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈之間的相互作用，進而從整體地球系統的視野，對地球各圈層的相互作用過程和機理進行研究。當前更多的對地觀測體系(衛星、地表臺站等)，更細的時空解析度以及更強的數據處理(超級計算機)，正逐漸促進人類對地球的科學認知，增強人類適應全球環境變化的能力，並服務於可持續發展！
地球的地質作用過程
地球是一個物質與能量不斷相互作用下的一個非常複雜的非線性系統，它可以被劃分為幾個基本的圈層，各圈層之間彼此交錯相互影響，圈層之間及內部隨時間的相互作用構成了地球的演化。
地球隨時間的演化
1，地球系統的構成
地球系統指由大氣圈、水圈（含冰凍圈）、地圈（含地殼、地幔和地核）、土壤圈和生物圈（包括人類）組成的有機整體。地球系統科學主要研究各圈層的物質組成、結構分布、各圈層內部及之間一系列相互作用過程和形成演變規律，以及與人類活動相關的全球變化，為人類認知地球和綠色可持續發展提供科學支撐，以應對全球環境變化所帶來的挑戰。
地球圈層構成
2，地球系統的能量來源
地球系統的演化主要受內動力地質作用和外動力地質作用的共同驅動，其主要有兩個能量輸入體系。一個是太陽在核聚變過程中向太陽系釋放的太陽輻射能量，直接影響著地球氣候變化、生物光合作用和巖石風化剝蝕等地球表層系統過程，是外動力地質作用最主要的能量供給；另外一個是地球內部放射性物質衰變、物質向地球深部遷移釋放的重力勢能和礦物結晶等釋放的熱量，對大陸漂移、海底擴張、板塊運動、巖漿活動、地震作用、變質作用和構造運動等過程產生影響，是內動力地質作用最主要的能量供給。
地球的能量供給和圈層相互作用
3，地球系統的時空特徵
地球作為一個由多時、空尺度過程構成的複雜巨系統，在空間上表現為多圈層體系。地球各圈層（巖石圈—土壤圈—大氣圈—水圈—生物圈）、各過程（生物過程、物理過程、化學過程）、各要素（如：山水林田湖草海）之間相互作用、相互聯繫、連鎖響應。地球系統科學將大氣圈、生物圈、土壤圈、巖石圈、地幔/地核作為一個系統，通過大跨度的學科交叉，構建地球的演變框架，理解當前正在發生的過程和機制，預測未來幾百年的變化。地球系統科學的研究對象，在空間尺度上可以從分子結構到全球尺度，在時間尺度上可以從數億年的演化過程到瞬間的破裂變形。
地球圈層構成及相互作用
地球演化的不同階段，地質作用特徵也不相同。在地球形成之初，由於小星體加積，星體之間的引力勢能及其動能由於碰撞轉化為熱能，再加上放射性物質含量高，衰變速率快，產生了大量的熱能。內動力地質作用十分發育，表層地球被巖漿海所覆蓋，逐漸分異出地殼，地幔和地核。相比較而言太陽的較為昏暗，外動力地質作用較弱。現今地球在板塊構造體制下，內動力地質作用依然很活躍，同時太陽光度增強，外動力地質作用也非常活躍。
地球形成初期的地質作用
不同時期具有不同的地質過程
同時地球系統的物理、化學及生物過程在空間上又可以分為許多子過程，各個過程彼此交錯，相互影響。
Köppen的氣候區分類
生物圈、生物地球化學的創始人，前蘇聯著名地球化學家維爾納茨基(1863-1945)，指出生物是地質營力的一部分，地圈與生物圈協同演化。他寫到：「生命並非地表上偶然發生的外部演化。相反，它與地殼構造有著密切的關聯，沒有生命，地球的臉面就會失去表情，變得像月球般木然。」
維爾納茨基及其著作
二十世紀七十年代，英國氣象學家洛夫洛克認為生物與地球組成了一個類似生物的有機體，其擁有一個全球規模的自我調節系統，是一個「超級有機體」，強調生物圈對全球環境的調節作用，認為地球表面的氣候和化學成分，由生物圈維持在一個最適宜生物圈的動態平衡中，並用希臘神話中大地女神「Gaia蓋婭」命名這個控制系統。
洛夫洛克及地球演化簡史
1，Keeling 曲線
美國斯克裡普斯海洋研究所的Charles David Keeling於1958年，在夏威夷Mauna Loa火山頂部持續採樣，檢測大氣CO2濃度，發現CO2濃度已經由1958年的318ppm上升到目前的411ppm，是近80萬年以來CO2濃度最高值，在冰期時CO2濃度最低只有185ppm，因此這條著名的大氣CO2濃度變化曲線又名「Keeling 曲線」。CO2作為最主要的溫室氣體，是導致全球變暖的主要原因。
David Keeling及Keeling 曲線
Keeling 曲線簡介
2，南極臭氧層空洞
1985年，英國科學家Farman等人總結他們在南極哈雷灣觀測站自1975年來的觀測結果，發現從1975年以來，南極每年早春（南極10月份）總臭氧濃度的減少超過30%，在科學界引起震驚，從而使得南極臭氧層空洞問題廣受關注。1987年世界多個國家籤署《蒙特婁議定書》，1989年1月1日正式生效，1996年，氯氟烴被正式禁止生產，截至目前臭氧層已經穩定下來並逐步開始恢復。
1979-2017年南極臭氧層衛星圖
南極臭氧層恢復圖及未來趨勢預測
3，「地球系統科學」名詞的首次提出
將地球作為整體、從圈層相互作用著眼的「地球系統科學」，源自「全球變化」的研究。20世紀８０年代為應對「臭氧層空洞」、「溫室效應」的威脅，首先由大氣科學界發起，在全球範圍內對碳循環等進行跨越圈層的追蹤。1983年，美國國家航空航天局(NASA)建立了「地球系統科學委員會」；1986年NASA首次將地球系統科學(Earth system science)作為一個名詞提出；1988年NASA出版了「Earth System Science: A Closer View"，提出著名的「Bretherton圖」，展示了大氣、海洋、生物圈之間，在物理過程和生物地球化學循環的相互作用，標誌著「地球系統科學」的起步。
「地球系統科學」名詞的首次出現
1，國際全球變化研究計劃
自二十世紀八十年代開始，國際科學界先後發起並組織實施了以全球變化與地球系統為研究對象，由四大研究計劃組成的全球變化研究計劃，即：世界氣候研究計劃(WCRP，World Climate Research Programme)、國際地圈生物圈計劃(IGBP，International Geosphere-Biosphere Programme)、全球環境變化人文因素計劃(IHDP，International Human Dimension of Global Environmental Change Programme)、生物多樣性計劃(DIVERSITAS)。進入新世紀，四大全球環境變化計劃又聯手建立了「地球系統科學聯盟(ESSP)。
國際全球變化研究計劃歷史圖解
2，未來地球計劃(Future Earth)
2014年，為應對全球環境變化給各區域、國家和社會帶來的挑戰，加強自然科學與社會科學的溝通與合作，為全球可持續發展提供必要的理論知識、研究手段和方法，由國際科學理事會(ICSU)和國際社會科學理事會(ISSC)發起、聯合國教科文組織(UNESCO)、聯合國環境署(UNEP)、聯合國大學(UNU)、Belmont Forum和國際全球變化研究資助機構(IGFA)等組織共同牽頭，組建了為期十年的大型科學計劃「未來地球計劃(Future Earth)」。
未來地球計劃(Future Earth)不但明確了重整國際全球變化研究組織的時間表和新的組織機構，更是為現有的國際全球變化四大計劃和ESSP確定了消亡路線圖和時間表。該計劃旨在為全球可持續發展提供必要的關鍵知識，打破目前的學科壁壘，重組現有的國際科研項目與資助體制，填補全球變化研究和實踐的鴻溝，使自然科學與社會科學研究成果更積極地服務於可持續發展，以應對全球環境變化所帶來的挑戰。
未來地球計劃(Future Earth)——全球可持續發展
3，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)
同時也為應對全球氣候變化及其對社會經濟的潛在影響和人類應對策略，1988年由聯合國環境規劃署(UNEP)和世界氣象組織(WMO)共同成立了政府間氣候變化專門委員會(IPCC)。IPCC負責評審和評估全世界產生的有關認知氣候變化方面的最新科學技術和社會經濟文獻，目前IPCC有三個工作組和一個專題組。第一工作組的主題是氣候變化的自然科學基礎，第二工作組 是氣候變化的影響、適應和脆弱性，第三工作組是減緩氣候變化。國家溫室氣體清單專題組的主要目標是制訂和細化國家溫室氣體排放和清除的計算和報告方法。
IPCC運作構架
4，人類世(Anthropocene)
工業革命以來，人類活動已經逐漸成為主要的地質營力。農業耕作、城鎮化以及道路交通等建設大大改變了原有的地表形態；化石燃料燃燒排放的溫室氣體，改變大氣圈的化學組成，對氣候系統造成了顯著影響。自1970年來，世界人口從37億人增長到76億人；全球CO2排放量從149億噸增長到368億噸；由大氣CO2升高導致的海洋酸化，導致了近海生態系統發生了退化，尤其是造礁珊瑚；全球地表溫度增加了約0.97度；海表面溫度增加了約0.6度；每十年，北極海冰消融約13.2%；全球海平面上升了14.4cm。我們比1970年，多生產了約15倍的塑料製品，海洋中共累積了約1.5億噸的塑料垃圾。地球已逐漸進入新的地質時代——「人類世」(Anthropocene)。2015年12月，全球197個國家在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協定》，決定共同減少全球碳排放，應對全球氣候變暖。此時地球系統科學已經牢牢地紮根在應對全球環境變化的社會需求和地球與生命科學相結合的基礎之上。
人類世(Anthropocene)簡介
5，橫跨時空的地球系統科學
2001年，英、美兩國的地質學會在愛丁堡聯合舉辦了「地球系統過程(Earth System Process)」國際大會，將「全球變化」的概念上推了幾十億年，從太古代光合作用的起源，一直到近代暖池演變的氣候效應。與「全球變化」不同，這裡說的「地球系統科學」不但穿越圈層，而且橫跨時空，將「全球變化」的概念應用於地質演變，在探索圈層相互作用的同時，研究時間和空間不同尺度的變化過程，揭示不同尺度過程的驅動機制和相互關係。地球系統概念進入地質科學，不但是全球變化研究圈層相互作用在時間上的延伸，更標誌著地質科學進入集成研究的新時期。
2001年地球系統過程(Earth System Process)國際大會
大氧化事件與條帶狀鐵建造的形成
大約在24億年前，大氣中的游離氧含量(以相當於現代大氣圈的分壓表示，PAL=Present Atmosphere Level)突然增加，由一個極低的水平急劇增至現在濃度的10%，隨後保持在一個穩定水平直至8.5億年前，被稱為「大氧化事件」(Great Oxygenation Event，GOE)，8.5億年前，氧氣含量再次增加，被稱為「新遠古代氧化事件」(Neoproterozoic Oxygenation Event，NOE)直至達到約當前的水平。目前傳統觀點認為，海洋中的藍細菌通過光合作用，使之前還原性的地表環境逐漸變為氧化環境。GOE是前寒武時期的一次重大地質事件，導致大量厭氧生物的滅絕，真核生物漸漸繁盛，多細胞生物逐漸出現並發展，改變了海洋化學環境，使得大量條帶狀鐵建造(Banded Iron Formations，BIFs)形成(BIFs是全世界儲量最大 、分布最廣的鐵礦類型)，是地球表層系統的一次全面變革。
大氧化事件
條帶狀鐵建造
1，海陸分布格局演化
地球氣候系統不僅受太陽輻射緯度分布等的外部影響，同時也受海陸分布及地形等下墊面因素的影響。1912年，德國天文學家阿爾弗雷德•魏格納於發表論文提出大陸漂移假說，之後隨著海底擴張和板塊構造理論的提出，人們發現地球的大陸和海洋面貌也可以發生翻天地覆的變化。大陸是地球在長期複雜地質作用過程中，由各種不同塊體與組分，歷經多次改造而成的複雜拼合體，在地質歷史時期，呈現出不同的海陸分布格局，如地球曾經可能存在過4次超大陸(地球上所有陸地幾乎拼合在一個塊體之上)，從老到新依次為基諾蘭(Kenorland，26-24億年)、哥倫比亞(Columbia，19-18.5億年)、羅迪尼亞(Rodinia，10億年)和聯合大陸(Pangaea，2.5億年)。
150Ma以來海陸分布演化
2，聯合大陸的超級季風
從二疊紀到早侏羅世(約2.5-1.8億年前)的聯合大陸(Pangaea)，由北半球的勞亞大陸和南半球的岡瓦納大陸在赤道附近連接而成，尤以三疊紀早期為最盛。模擬結果顯示出全球(全大陸)規模的「超級季風(Megamonsoon)」：冬、夏出現方向相反的季風，ITCZ在聯合大陸上作大幅度的遷移，雨量集中在特提斯洋附近，內陸降雨量幾乎為零，聯合大陸氣候的大陸性極強，內陸冬夏溫差可以高達50℃。
Pangaea聯合大陸
3，由青藏高原隆升引發的一系列氣候變化
大約5000萬年前，板塊運動使印度與亞洲大陸碰撞導致地球歷史上一次重要的造山事件，形成了全球規模最大的喜馬拉雅—青藏造山帶及世界的屋脊——青藏高原。
青藏高原隆升過程
青藏高原的隆升，改變並形成了我國西高東低的地形格局(我國大陸至少到白堊紀為止仍為東高西低的地勢)；引起了亞洲主要河流分布和走向的變化，改變了陸地向海洋的淡水和沉積物輸送狀況；使地球上大面積的熱帶、亞熱帶和溫帶陸地海拔抬升到4500m以上成為高寒區，形成冰雪、凍土集中分布的「世界第三極」；使西風環流發生分支，夏季的南支氣流和冬季的北支氣流對季風具有加強作用；隆升後的高原在夏季成為大氣的熱源、冬季構成冷源，使亞洲大範圍地區夏季盛行偏南風，從低緯海洋帶來大量水汽，使我國南方成為溼潤的魚米之鄉，而冬季盛行乾冷的偏北風，構成強大的亞洲季風；對來自海洋的水汽構成地形屏障，在亞洲形成世界上最大的內陸乾旱區；使得高原區物理和化學風化加強，吸收大氣CO2，導致全球逐漸變冷。
高原隆升引起的環境效應
高原隆升引起的的風化加劇和地殼均衡
環南極洋流與南極冰蓋形成
新生代以來，全球溫度呈現階段性下降趨勢，始新世／漸新世之交（~34 Ma），降溫極為劇烈，導致南極冰蓋形成。德雷克和塔斯馬尼亞海峽通道的開啟導致環南極洋流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）形成，從而阻礙了低緯向南半球高緯的熱量傳輸，進而導致南極冰蓋增長。當南極冰蓋繼續增長，擴大的冰蓋範圍足以封閉整個德雷克海峽時，這時環南極洋流受阻，環南極西風漂流帶會消失，增強赤道熱量向南極的輸送，使擴展冰蓋趨於消失，這是南極冰蓋不能擴展成南半球大冰川的一個重要原因。
環南極洋流
冰川消融引起的地殼均衡調整
冰川均衡調整(Glacial isostatic adjustment，GIA)巖石圈對冰期地表冰和海水負荷改變的響應。一方面末次冰消期以來，北美的勞侖泰冰蓋、科迪勒拉和伊努伊特冰蓋以及歐亞大陸的不列顛、斯堪地那維亞和巴倫支海-喀拉海等冰蓋大規模融化，大量的冰融水進入大洋，造成全球平均海平面上漲約120 m；另一方面，由於冰川的卸載和海洋盆地的加載引起的地球內部物質的重新分布，導致冰後的地殼運動、地球重力場和應力場的變化，在之前的冰蓋覆蓋區，可能造成海平面的下降。
冰川消融引起的地殼均衡調整
如位於加拿大努納武特行政區的巴瑟斯特因萊特，冰消期以來，因冰蓋消融而引起的巖石圈均衡作用，導致該地區海平面一直在下降，形成了眾多海岸線，現在這個地區的海平面仍在下降，如下圖所示。
冰消期以來加拿大努納武特行政區形成的海岸線
地球系統科學研究進入新的時期，人類上天、下海以及向地球深部進軍的能力逐漸增強，各類探測器漸漸遍布天空、海洋、地表及以下，建立了龐大的對地球系統狀態的觀測網絡，實時獲取地球系統各圈層要素的信息。地史學將地球系統科學的研究橫跨時空，古今過程的結合，幫助我們更好的認知地球的過去、現在和未來。同時超級計算機的出現，極快的運算速度和龐大的存儲容量，使得人們對於高度複雜的非線性地球系統的模擬有了可能，利用大數據、雲計算等現代信息技術處理分析數據，建立模型，推進著地球系統科學的發展。1,現代過程的觀測體系
利用空天地一體化的調查方法技術，通過各類觀測平臺，獲取地球系統各要素的數量、產狀、結構、分布等基礎要素信息。如在全球層面，已建立了全球環境監測系統（GEMS）、全球陸地觀測系統（GTOS）、全球海洋觀測系統(GOOS)、全球氣候觀測系統（GCOS）、國際長期生態研究網絡（ILTER）、通量觀測網絡（FLUXNET）和綜合全球觀測戰略（IGOS）等，通過天上衛星、陸表觀測臺站、海洋浮標、潛標和深潛器、地球深部探測等獲取第一手數據，目前已更深程度地開展，上天、入地和下海等的數據獲取，擴張人類認知地球的邊界。
中國風雲系列氣象衛星
美國對地觀測衛星系列
全球海洋觀測系統
中國蛟龍號載人潛水器
中國地球深部探測技術與實驗研究專項(SinoProbe)
美國地球透鏡計劃(EarthScope)
2,地史資料獲取
地球上形成的各類巖石和沉積物忠實地記錄了當時的地質過程及環境信息，是記錄地球歷史的「天然書籍」，我們可以利用這些材料去重建地史時期的地球系統演變過程。目前已經開展的大洋和大陸鑽探等，正幫助人們往更古老的地質歷史延伸，而高精度儀器分析技術的進步，使得人們可以獲取更高時空解析度的地質信息。
中國大陸科學鑽探(CCSD)之亞洲第一井(江蘇省東海縣)
亞洲國家實施的最深大陸科學鑽井之松科二井
國際大陸鑽探計劃(ICDP)之青海湖國際環境鑽探項目
大洋鑽探計劃(ODP)
格陵蘭冰芯鑽探歷史
第四紀氣候變化主要研究物質載體
在獲取第一手原始數據後，需要對所發生的各個時空尺度的地球系統過程進行模擬，以更好認知地球系統不同圈層、不同過程、不同時空尺度的運行與演變規律，並服務於可持續發展。近年來，原始數據的觀測力度在不斷增強，在模擬和預測方面剛剛起步，但發展勢頭迅猛。
氣候模式的演變
2002年3月，日本地球模擬器開始運作，致力於帶動日本海洋地球科學及相關領域的研發。
2015年3月，中科院大氣物理研究所聯合中科院計算所、中科院網絡中心、中科曙光等單位率先啟動「地球數值模擬裝置」原型系統建設項目，2017年「地球系統數值模擬裝置」國家重大科技基礎設施項目獲批建設。
2017年11月，青島海洋科學與技術國家實驗室聯合美國國家大氣研究中心、美國德州農工大學共同建設國際高解析度地球系統預測實驗室。
2018年4月，美國能源部（DOE）耗費四年時間構建了一個百億億次地球系統模型(E3SM)，該模型作為「第一個端到端的多尺度地球系統模型」，它能夠模擬地球的地殼、大氣、冰山及海洋運動，從而預測地殼、大氣及水循環系統相互作用的方式。
地球系統模式概念圖
神威太湖之光超級計算機
相信隨著觀測手段的多樣性發展和技術的長足進步，獲取地球系統各要素的數量、產狀、結構、分布等基礎要素信息的時空解析度越來越高；計算機運算速度和存儲容量的不斷發展，超級計算機的飛速進步；地球系統模式向各個圈層和時空深度不斷擴展，地球系統科學必迎來更大的發展和進步，從而促進人類對地球本身的科學認知，增強人類適應全球環境變化的能力，服務於可持續發展！
參考資料：
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IPCC第五次評估報告(AR5)
舒良樹.普通地質學[M].北京.地質出版社
朱誠，謝志仁等[D].全球變化科學導論[M]北京.科學出版社