第十二章--地球系统科学

第十二章新地球观—地球系统科学教学重点：整体性、不可逆性。教学难点：地球系统科学的内涵。第一节地球是一个系统•一、产生背景：1.传统学科的成熟：气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等，形成了各自的研究方法、手段和目的。有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地认识地球。2.人类对地球的认识尺度扩大了—空间的、全方位的观测，特别是对地观测技术和计算机技术的发展。3.全球环境问题的挑战。•20世纪80年代国际科学界为迎接全球环境挑战而提出了地球系统科学这一新的地球观、研究地球的新方法、新的战略学术思想——地球系统科学（ESS，Earthsystemscience）。•以美国地球系统科学委员会在1988年出版的《地球系统科学》一书为标志：“地球系统科学”思想和概念被明确提出。地球系统指由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核和生物圈（包括人类）组成的有机整体。地球系统科学就是研究组成地球系统的这些子系统之间相互联系、相互作用中运转的机制，地球系统变化的规律和控制这些变化的机理，从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学知识可以解决人类社会发展的许多现实问题。如人口、环境、资源、灾害等重大问题。•二、从整体论角度研究强调地球系统，把地球的各组成部分作为相互作用的一个系统加以评述。将岩石圈、地幔、地核、大气圈、水圈、生物圈（包括人类自身）等视为一个整体，探讨由一系列相互作用过程联系起来的复杂的、非线性多重耦合系统—地球系统的运行机制，以及地球系统的变化对地球上的生命产生什么因果关系；强调在该系统中的主导全球变化的、相互作用的物理、化学和生物过程，特别是人类活动诱发的全球变化；强调地球系统是作为相互作用着的那些过程的集合，而不是单个组成部分的堆积。从宇宙体系角度来全面认识行星地球：将地球作为一个行星来研究。•三、地球系统科学的任务1.通过对地球系统的各组成部分及相互作用的演化，运作机制以及它们在所有时间尺度上将怎样继续演化的描述获得全球范围内整个地球系统的科学认识。2.发展预测未来10~100年可能出现的自然和人类活动诱发的全球变化的能力。3.在地球系统动力框架下，描述和认识：相互作用的物理、化学和生物学过程；生命支持系统—无生命的地球环境；全球变化下的人类活动的影响方式。•英国自然环境研究委员会于2002年12月提出了一项地球系统科学研究计划——量化并理解地球系统计划，并于2004年7月发布了该计划的科学计划和实施计划。该计划主要集中于三个研究主题：现今的碳循环及其与气候和大气化学之间的相互作用；大气成分在冰期－间冰期和更长时间尺度上的自然变化；全球环境变化对资源可持续利用的影响后果。•德国联邦政府教育与研究部和德国科学基金会共同策划制定了超大型研究计划—地球工程学。•地球工程学是把地球的整体作为研究对象，该计划将有助于从地史时期的发展过程研究中探索地球的未来状况。•该计划中进一步明确了地球科学的任务，即与其他科学进行学科间合作，在工业方面为解决紧迫的、与社会发展关系重大的问题和生态问题做出贡献。•该计划的研究目标是认识这些过程及其相互变化关系，以及评估人类对于自然平衡和自然循环的影响。气象学家叶笃正等以地球系统科学为指南，从整体的角度出发，从1987年开始开展了中国的全球变化预研究。2001年1月，路甬祥把对“地球系统整体行为的集成研究”列为21世纪科学家要面对的第九大挑战。2002年10月，温家宝在中国地质学会80周年纪念大会上讲话时也强调，必须实现传统地质工作向以“地球系统科学”为核心内容的现代地质工作的转变。自然科学基金委地学部也于2002年3月提出了21世纪初的地球科学战略重点，拟定了“以地球系统各圈层的相互作用为主线，从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标”的优先资助领域战略。•四、地球系统科学具有的特点1.把地球看成一个复杂的有机整体，由地圈、大气圈、水圈和生物圈组成。地球上所发生的任何一种局部的过程或现象都不是孤立的，都是地球系统变化的反映。2.研究的问题在广度和深度上都是巨大的。3.地球系统科学寻求大跨度的学科交叉，构建地球的演变框架，并以传统学科为手段来理解演变过程中发生的复杂的相互作用及原因。•五、地球系统科学的研究方法步骤1.观测数据的采集；2.观测数据的分析和解释；3.概念和数值模式的建立（和实验）；4.模式的验证，并用它作未来变化趋势的统计预报。第二节地球动力系统•地球是一个动力系统，地球上所有物质都在不断地运动，而且都具有一定的速度、一定的演化过程并有一定的动力学机制。地球的公转与自转；空气的流动；大气的温度、湿度与成分的变化；水体的流动、化学成分的变化；生物的繁衍、死亡、进化与变异；岩石圈的变形与变位，物质的转化；地幔物质的分异、混杂与热对流；地核的转动和物质成分的变化。•地球上不同物质的运动都有其独特的动力学机制。地球内部和外部因素：—地球内部：重力场、自转、温度、压力、物质成分的不均一等；—地球外部：月球、行星、太阳系、银河系等的引力和辐射。第三节开放的地球系统•地球诞生以来，整个系统与周围环境之间一直发生着质量、能量、动量的交换。—接受外界的：原始地球的形成；陨石撞击地球；接受太阳能的辐射；接受宇宙射线的辐射。—地球自身耗散：火山爆发；喷泉；地球自转消耗转动惯性能，自转速度逐渐减慢。•要把地球当作宇宙系统中的一份子，当作开放系统来看。自转速度的变化，地极移动，地球绕太阳公转轨道半径或偏心率的变化，日月或大行星对地球引力的变化，太阳辐射能（如黑子）的变化，陨石撞击太阳系在银河系内公转一周等宇宙因素都可以对地球各圈层的运动变化发生作用。第四节圈层间的强相互作用地球系统的复杂性：组成地球系统的大量不同的单元（子系统）间的强相互作用（非线性的作用），使地球系统自发地涌现出总体性状、结构与动力学行为。耦合作用：两个系统通过相互作用，彼此影响以致紧密联合起来的现象。解耦作用：通过相互作用之后，两体系解除耦合关系，仍分别各具特色、自成体系的现象。•地球各圈层的强相互作用表现为：1.相邻两圈层之间强相互作用：水圈—大气圈—生物圈—岩石圈；壳—幔、核—幔。2.不相邻圈层之间相互作用：重力场—地球深部物质；地表磁场—内外核；岩石圈内的地温场—深部地幔传导热、对流热和壳内放射性元素蜕变热；地内热—地震；厄尔尼诺、拉尼娜—地幔放气、排热。第五节不可逆的进化•地球演化随时间演化的不对称性和单向性。生物界：由低级到高级、简单到复杂演变。无机界：经过多年的陨石研究、高温高压实验以及宇宙化学、天体物理学、天文学、地质学和生物学的研究，发现宇宙中地球的各圈层—地核、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物圈，都是在相互作用下，不断地由简单到复杂、由低级到高级的演化发展，并按照各自的规律(自组织性)、不可逆地、前进式的演化。•137亿年前的宇宙大爆炸形成众多的星系和恒星；通过恒星内的热核反应和超新星的爆炸形成轻重不同的元素（以H、He为主）。•45.5亿年前的一次罕见的超新星爆炸的冲击波使由星际间冷的固体尘埃和气体组成的原始太阳星云运动加速、密度增大，发生凝聚，形成太阳以及围绕它旋转的星云物质。•太阳周围的固体、气体物质，经过冷凝，以固体颗粒为中心，通过反复随即碰撞吸积、逐渐增大质量，形成八大行星（先形成类木行星，后形成类地行星）。•原始地球处于高温熔融状态，形成圈层化的重力分异作用。强烈的热活动便于物质分异与迁移，形成地核、地幔。•在火山作用、陨石撞击的作用下，在40亿年前逐渐形成原始大陆，晶体结构较松散的铝硅酸盐在地表聚集形成陆壳。•同时，岩浆活动排气形成初步的大气圈；气体冷凝下来逐渐形成水圈。•这种大气与水侵蚀地表、分解硅酸盐，使Ca2+、Mg2+、K+、Na+溶于水，并形成白云岩、灰岩（固炭）、海水也变咸。•陆核的主要增生时期为距今30~18亿年。起初由于235U诱发裂变能和3+Al辐射能的作用猛烈，地球内部热活动一直比较强烈，物质在垂直方向上的分异、对流、迁移等作用都相当剧烈。18亿年以后，235U诱发裂变能已释放完毕，热能的释放主要靠较弱的、长寿命放射性元素238U、Th和K等，能量显著降低，使地球内部变冷，岩石可塑性变小，导致上地幔的顶部层位和地壳合成一个统一的岩石圈。第六节均变与灾变•均变论：18世纪末叶到19世纪初叶，地质学的奠基人，郝顿(Hutton)和莱伊尔(Lyell,C)认为：许多大变化是由一系列微小的变动逐渐积累而形成的。这是“均变论”的主要观点。•灾变论：以居维叶(Cuvier,G)为代表的“灾变论”认为：生物演化过程中，“没有一种缓慢进行的原因能产生突然的效果”，“所以地球上的生命进程曾多次被可怕事件所打断”，“地球表面曾经历过相继的革命及各种灾变”。•稳定期（均变）：是一种非平衡的相对静态，演化呈现为相对有序的特征。大气圈的年平均温度基本稳定；气候带的划分基本固定；海平面变化幅度较小；生物稳定地繁衍、复苏或发育；地磁极变化幅度较小。•稳定期的地质表现：地层内表现为连续沉积、地层间呈现为整合接触关系、地热能稳定积累，热活动微弱；岩浆活动稀少和微弱；以埋藏变质为主；构造应力逐渐积累与调整，主应力方向不明显，差应力值小；板块稳定升降，水平位移量较小；岩石变形微弱；陨击作用微弱，各天体处于相对稳定。•活跃期（灾变）：突变期或灾变期，呈现为极不平衡的无序状态。常表现为发生异常气象，大气温度剧变，气候带迁移；海平面大幅度升降；生物种群灭绝；地磁极翻转。•活跃期的地质表现：地层中出现沉积间断，地层间呈现出角度不整合接触关系；地球内部热能大量释放，岩浆活动与各种变质作用剧烈；岩石圈内构造应力猛烈释放，岩石发生强烈变形，构造应力的定向性明显，差应力值较大，板块升降幅度与水平位移量都较大；常发生大规模的陨击事件，各天体对地球的引力作用常出现某种的异常变化。•灾变事件的滞后现象首先，以一次巨大的陨击作用作为诱发因素，引起全球电磁场剧变和地磁极的翻转，陨石撞击岩石圈表层引起大爆炸，粉尘升到大气圈上部，遮蔽了太阳幅射能，造成全球气温骤降；或可引起海平面的剧烈变化，发生海啸；陨击作用后几年到数万年的时间内，大气与海洋环境的巨大变化，使不能适应环境的生物大量灭绝。如果陨击在海洋岩石圈上(其厚度仅数十千米)，在重力均衡作用下，将诱发深部地幔物质上涌，促使海洋板块扩张，进而推动大陆板块运移。在大陆板块边缘，从受到影响并进而引发构造变形和岩浆活动，将产生较长期的、不相等的滞后现象，一般几万年延续到上千万年。•地球各圈层所发生的一系列演化说明：地球是一个均变与灾变相继、有序与无序相间、平衡与不平衡相替的复杂系统。不是用一般的简单线性方程就能描述的，而完全是一种非线性的复杂过程。第七节各种时间尺度的周期性变化由于地球演化呈现为均变与灾变相间的特征，因而这种演化过程就会常常表现出一定的周期性。•地球各圈层的运动变化的时间尺度与天文周期：—2.65亿年，3300万年（在地质历史中影响最大）；—9.5万年，4.1万年，2.17万年；—1000-1400年，140-180年，—60年，29.8年，11年，1年；—13.1-14.76天，1天，等等。问题与思考•1.如何从整体论的角度去认识地球？•2.为什么必须把地球当做一个开放的、具有整体性的动力系统来认识？•3.地球系统科学具备哪些特点？