2021-2030地球科学发展战略(宜居地球的过去现在与未来)

一、总述 人类在获得生存基本保障后，出于探索未知的目的，开启了对宇宙以及诞生人类生命的地球的窥测。日出月落的星球运动，探险旅行的大地奇观，开启了人类对地球和宇宙的研究历程。然而，决定科学发展进程的是人类为生存从事的生产活动及其带来的技术进步。从18世纪的工业革命到今日的数字时代，地球科学走过了从认识基本物理规律、化学变化和演化过程的学院式研究，到获取地球资源和防灾减灾技术创新所推动的能源、地质、地球物理、地球化学、大气海洋以及比较行星学等多学科研究。上世纪60年代，地球科学家以全球视野研究大陆漂移、火山活动、海底扩张以及地幔柱，建立了新地球观——板块构造理论。同样是上世纪60年代，人类成功脱离地球引力，踏上月球。与此同时，科学界提出“地球系统科学”的概念，其含义是指地表系统与人类动力过程的互馈及全球变化，其目的是将地球表层及近地空间看作统一的整体，力图探索人与自然和谐发展的途径。21世纪，科学家又将地球内部与表层过程及近地空间相结合，从宇宙大爆发追踪到人类智能的产生，由此诞生了“地球的系统科学”。 时至今日，经历计算机及信息技术革命的地球科学研究，已立足于全新的感知技术和数字处理能力，空前强大的对陆、对空、对海的观测网络，正在从越来越多的原始观测信息中获得对整个地球乃至宇宙系统方方面面的新认识。与此同时，人类活动的空前频繁也导致人对地球的作用和依赖关系以几何级数的变率发展。在这一进程中，人类是走向资源枯竭、生存环境恶化的自我毁灭，还是掌握地球作用人类的发展规律，指导人类的生存活动，进而实现可持续发展？后者是地球科学研究未来面临的重要科学命题。 本书以“地球宜居性”为主题，突出地球深地、深海和深空以及和人类生活环境密切相关的表层系统及日地空间。立足于*新研究进展，集诸前沿领域中国地球科学家思考之大成，在拓展科学视野的基础上，兼顾“地球宜居性”所必需的科学攻关、科技支撑以及实现途径形成一些前瞻思考，提出一些新的研究建议。 （一）地球宜居性的深部控制过程 地球自形成，历经数十亿年的演化，逐渐从相对均一、炽热的行星演变成具有良好层圈结构、生机勃勃的宜居星球。然而，地球的宜居性并非与生俱来。地球早期的大碰撞使得岩浆洋覆盖全球，还原环境使得当时的大气圈以二氧化碳、甲烷、氢、氨和水汽为主。地球是如何演变到宜居环境并促进生命的出现？如何“修炼”并拥有强大的自我调节/修复功能，并维持宜居环境的相对稳定？如何形成人类赖以生存的资源和能源？这些问题涉及多个圈层间的相互作用及资源环境效应，是“地球的系统科学”研究实现突破所需要回答的关键问题。研究地球宜居性的发展历程、关键控制因素和调控机制是预测地球未来的重要依据，也是寻找更多资源能源以及维系人类生存和社会可持续发展的重要基础。 对于地球宜居性，尤其是对宜居地球发展演化的深部控制机制，有太多的未知等待人类去探索。宜居地球的演化可分为“准稳态模式”和“突变模式”；后者即是人们熟知的重大地质事件，如大氧化事件、雪球地球、海洋缺氧事件、生物大灭绝，这些事件在地球的宜居性形成过程中具有重要作用。特别值得注意的是，雪球地球与生命大爆发、海洋缺氧/地球深部氧爆发与大气升氧事件、超大陆聚合裂解与地球宜居性等事件之间都存在显著的相关性。这些重大事件之间相关性的本质是什么？是什么造成了周期性的生物大灭绝和新生命形式的出现？又是什么触发了灾害性的环境气候改变？大氧化事件氧气的来源究竟是什么？是什么造成了深部地幔的广泛熔融和大火成岩省的溢流玄武岩？是什么扰动了常态的地幔对流并触发了超大陆的汇聚和裂解？为什么地球内部存在地磁极性频繁倒转和超静磁带两种动力过程？这些看似孤立的，发生在不同圈层的重大事件之间的内在联系是理解整个地球系统运行机制的关键。前人对上述问题的解答多针对各个独立的事件展开研究，尽管取得一些研究进展，但大多数假说往往将事件归因于外部因素，例如生物大灭绝事件就被归因于小行星撞击和海平面升降等原因，对地球内部动力过程的影响考虑较少，这就造成一些假说与理论经常是自相矛盾的。大气圈、生物圈、水圈和岩石圈仅占地球的一小部分，而地球的绝大部分处于未知的深部。例如，碳、氢、氧、硫等生命元素的地表含量占整个地球不到1%，其中大部分碳在深部（Plank and Manning， 2019）。只有了解深部碳循环才能深刻理解以地表和大气碳循环为核心的碳排放国际争议，这也是认识地球气候系统演化的核心科学问题。由此可见，研究地球深部动力过程对揭示地球运行规律和宜居性是至关重要的。要从宇宙视野入手，寻找地球运行机制，地球过去、现在与未来的答案，因为我们的地球在宇宙“不特殊”。 （二）从海洋探测认识维持地球宜居的要素 海洋是地球生命的摇篮，是调控地球宜居性的重要纽带。深海大洋不仅是地球气候系统的重要调节器，而且对地球系统的碳、氢、氧、硫等多种物质循环都有调控作用，深入认识海洋及相关的海底动力过程及能量物质循环过程是理解地球宜居性和应对未来碳排放与发展权益的关键。海洋也孕育了地球上**的生态系统，具有巨大的服务功能和价值，认识蓝色生命系统的过程与规律、合理开发和保护蓝色生物资源是支撑人类社会可持续发展的重大战略需求。海洋作为地球系统的“血液”，是联系地球系统各圈层的重要纽带；但迄今人类对广袤深邃海洋的探测区域还不到5%，中国更是海洋科学的后发者，未来需要围绕“深海进入，深海探测，深海开发”启动透明海洋、深海基站、大洋钻探等重大科学工程，带动我国在海洋及极地研究领域尽快成为引领者与新理论的创立者。 近50年来，深海研究*重要的科学成就之一是认识到生命不一定需要光合作用，海底是无光的世界，但也是充满生机的世界。生活在海底的生命不需要光合作用，这或许为我们认识生命起源打开了一扇窗户。海底热液，特别是低温碱性热液甲烷、冷泉以及深海暗生命系统等一系列重大发现，已经为生命从无机物到有机提供了线索。地球科学家、化学家、生物学家等通力合作，深入研究海底火山喷发过程中甲烷和各种蛋白质物质的成因，有助于我们破解地球生命起源与适宜性之谜。 随着人口持续增长，人类对能源、矿产资源、水资源乃至空间资源等提出了更加迫切的需求。与此同时，随着人类活动空间与强度的加剧，与人类生存需求和舒适度密切相关的海洋生态环境和地球气候系统演化面临新的不确定因素。认识这些重大科学问题的关键是研究流固相互作用对地球系统的影响。海水通过海底蚀变、沉积过程、热液活动等影响着大洋板块的物理性质和化学成分；而板块俯冲则将地表流体带到地球深部，影响着岩浆活动、板块运动乃至整个地球演化；进入地球内部的水诱发部分熔融，很可能助力软流圈和下地幔过氧层的形成。这些研究成为认识板块运动驱动力和地球大氧化事件成因的有效途径。因此，深部熔流体的活动机制，如俯冲板块驱动的水循环、碳循环等是理解地球宜居性的核心。开展以海洋为核心的多圈层耦合研究，认识海洋、经略海洋，关系到人类社会的发展。 （三）从深空视野看宜居地球内外动力互馈 地球是目前发现**确定拥有生命的星球。地球宜居性不仅涉及地球系统本身，而且与太阳、太阳系乃至遥远的天体活动密切相关。天文学家根据行星与太阳的距离定义太阳系宜居带，类地行星金星、地球和火星位于其中。类地行星均形成于46亿年前，在早期演化中发育相似的圈层构造。然而，大约在40亿~35亿年前，金星、地球和火星的演化开始分道扬镳。现今的金星有相当于地球92倍的大气压（96.5%为二氧化碳气体），表面温度高达460℃，是失控的温室效应的典型；而火星大气密度不到地球大气的1%，且95%为二氧化碳，表面温度低至–63℃，代表了失控的冰室效应；只有地球演化成了宜居星球。这表明，行星宜居环境的形成除与恒星的距离这一必要条件有关外，还取决于行星内在的其他因素。研究表明，行星内部动力学过程是主控因素。火星约在37亿年前失去全球磁场，目前仅残留区域性的剩余磁场，推测由于全球性磁场保护消失，火星后来失去了原有的大气和液态水。金星质量与地球相似，火山活动频发，表明其深部构造运动主要为垂向运动，缺少地球所特有的板块运动。相比较而言，地球内部动力充沛，有板块构造，内部垂向运动和水平运动共存，具有偶极子全球性磁场。究竟是哪些关键因素控制火星、金星和地球的演化路径出现巨大差异？通过比较行星学研究，分析类地行星的内外圈层时空演化、水和挥发分的作用、板块构造运动、磁场的保护等科学问题，才能深刻理解地球宜居性的过去、现在和未来。当前，人类已经把目光瞄准到火星、冰卫星乃至系外行星，探索地外生命，尝试回答人类是否孤独的哲学问题，并不断地拓展人类未来的生存空间。 当以深空视野探讨地球宜居性时，需要从日地全景、行星族谱、系外行星、地球防御以及时空基准五个维度进行阐述。“日地全景”聚焦太阳活动对地球空间环境宜居性的影响，“行星族谱”通过太阳系天体的比较行星学研究来审视地球宜居性的形成和演化。“系外行星”通过对太阳系外行星的探测和研究，理解地球的过去、现在和未来。“地球防御”针对人类社会面临的小天体撞击、宇宙极端天体活动等潜在威胁，探索防灾、减灾的方法与对策。“时空基准”构建深空活动所涉及的导航、定位、定时（Positioning， Navigation and Timing， PNT）理论、技术和体系。通过以地球为核心，对宜居地球所要求的地球空间环境宜居性，太阳系行星及其卫星的起源与演化，系外行星的宜居性等重大科学前沿问题开展研究，从本质上探索地球宜居性发生和发展，拓展人类生存发展的空间，深化人类对太阳系和宇宙的认识，为人类向更深远的宇宙进发、寻找新的家园奠定重要的科学基础。 （四）地球系统科学与地球宜居性 地球系统中人类活动与自然过程相互交织耦合，导致自然系统功能失调、诱发水资源短缺、土地品质下降、生物多样性减少、大气和海洋环境污染等一系列降低地球生命舒适度的问题。与地球系统科学密切相关的全球变化提出了人类生存环境的问题，而问题的解答却要求超越人类本身的时空尺度。以碳为例，人类排放的碳主要被大气、海洋和土壤植被分担，但是进入土壤的碳可以停留上百年，进入海洋的可以超过十万年，都比大气里长得多。需要跨越地球圈层、横穿时空尺度，并将社会系统有机融入自然过程中。实际上，缺乏对地球内部作用以及各圈层相互作用过程的详细了解，既无法推断过去也无法预测未来的地表环境，更难以评估它们对人类活动的影响。比如气候系统各圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈）变化尺度差异巨大；年际和年代际时间尺度上的自然变化，主要取决于海洋、陆地表层和大气之间的相互作用以及太阳辐射的变化；人类活动主要是化石燃料的使用和土地利用的影响；更长时间尺度的地球气候系统变化则必须考虑地球的内部动力过程。 环境变迁与生物演化、文明演化构成地球生物圈运行的两条脉络，各有内在规律，互相作用与协同发展，构成完整的地球生物演化史、环境变化史以及人类文明史。一方面，生命演化受到地球系统动力过程的影响与控制；另一方面，生命演化对塑造地球宜居性起到了重要作用。这就是二者协同演化的重要含义，也是未来从地球系统科学研究地球宜居性的重要内容。 自然/人为灾害和环境污染是制约宜居地球可持续发展的关键。自然灾害形成演化时空跨度大，是典型的非线性复杂巨系统，可造成整个或区域性地球系统的突变。人为灾害的时空范围可预测度要高一些，危害**的是环境污染问题。近年来流行病学调查结果显示，环境因素已超过遗传因素，成为影响人类健康*危险的因素。新冠病毒的光顾，使我们进一步认识到Geo-Health（地球与生命健康）对地球科学家提出更高的要求，同时也意识到现有的知识体系还不足以保证人类与宜居地球的和谐发展。 （五）提升科研共同体视野的政策性探讨 立足国家重大需求，面向国际科学前沿，地球科学研究亟待在国家需求引导下聚焦地球科学重大基础科学问题，以及变革性技术的基础理论问题；强化对前瞻性科学问题的把握，以摆脱跟跑国际前沿的研究现状为目标，更有效的