地球科学十一五发展战略

1地球科学“十一五”发展战略（征求意见稿，2005年10月8日）1.前言探索地球形成与演化规律，利用地球资源，减轻自然灾害，优化环境品质，促进人与自然的和谐发展是当代地球科学的重要任务。地球是一个复杂的巨系统，对其产生、形成和演化规律的探索存在一定的规律性和不确定性。一方面，重大科学发现往往缘于一些不可预料的偶然因素和机遇，很难通过规划和预测产生；另一方面，事物是辩证的，地球科学的发展有其内在规律，只要我们能够营造良好的科研环境，建立有效的管理机制，对一些可望取得突破的研究方向和研究领域，还是可以进行预测，并通过有计划、有目的地开展多学科联合研究，鼓励有创新思维的科学家通过脚踏实的工作和不懈努力，最终取得突破。例如，突破性的进展很可能更多地出现在多学科交叉领域或在一些综合性的重大疑难科学问题上。此外，战略规划依赖于大量自由探索的工作底蕴和雄厚的科学积累。自由探索成果的积累，既是凝炼重大科学问题的基础，也是规划地球科学发展的关键。依据上述认识和发达国家的经验，地球科学基础研究的发展战略分两个方面：1）由于地球科学基础研究的探索性、难预测性和其不可规划性，拟将主要经费（约占总经费65%）按学科分类，通过量大、面广的自由申请项目给予稳定支持，推动各学科领域的创新性研究、学科的纵深发展和新兴学科的发展。2）对于那些已经有了基本认识，能够根据科学规律和经验做出规划，并预示着有重要科学价值和将有重要突破的科学问题，进行前瞻性部署，设立优先资助领域，通过指南宏观指导下的自由申请给予支持(约占总经费的20%)，来推动和加快相关领域的发展，逐渐形成若干在世界上具有重要影响的主流方向和科学学派，带动地球科学的整体发展，推动人类社会经济的进步与发展。1.1地球科学的内涵地球科学是人类认识地球的一门基础科学。它以地球系统及其组成部分为研究对象，探究发生在其中的各种现象、过程及过程之间相互作用机理、变化及其因果关系等，以提高对地球的认识水平，并利用获取的知识为解决人类生存与可持续发展中的资源供给、环境保护、减轻灾害等重大问题提供科学依据与技术支撑。人类对地球奥秘的探索精神，社会经济发展对资源利用、以及生活质量的提高对环境保护和自然灾害防治的日益增长的巨大需求，是地球科学发展的驱动力。1.2指导思想与基本思路制定地球科学“十一五”发展战略的指导思想与基本思路是:根据科学基金的职责和定位(科学基金在国家创新体系中的战略定位是：支持基础研究，坚持自由探索，发挥导向作用。新2时期的工作方针是：尊重科学，发扬民主，提倡竞争，促进合作，激励创新，引领未来。),尊重科学发展规律，重视科学的长远价值，把握好点和面的辩证关系，提高整体水平的同时，力争在若干领域与发达国家并驾齐驱；以国家中长期科学和技术发展纲要为指导，坚持稳定支持和超前部署相结合，坚持科学推动和需求牵引相结合，以科学问题为导向，鼓励学科交叉；在研究地球科学发展的趋势和特点、我国地球科学研究的现状，分析发展机遇的基础上，明确地球科学学科发展战略，优先研究领域和重要研究方向。2．地球科学的发展态势与特点2.1地球科学的发展态势与机遇回顾地球科学的发展历程，不难发现，地球科学经历了两个重要的发展阶段。20世纪初地球科学是一门定性描述地球现象的科学。第一个发展阶段，大约从20世纪30年代开始，由于数、理、化等基础科学的发展以及声、光、电探测技术在地球科学中的应用，使得长期注重定性的、宏观整体的地球科学走向更加关注定量的分支学科的发展，并诞生了一批冠以数学、物理、化学名称的分支学科，如地球物理、地质力学、地球化学、大气物理学、数值天气预报、大气化学、物理海洋学、海洋化学等，做出了一批具有里程碑意义的工作，如：1915年提出大陆漂移假说，1920年创立米兰柯维奇冰期间冰期旋回理论，1948年开始进行数值天气预报，1957年国际地球物理年和空间时代的开始，1960年首次获得地球的卫星影象图，板块构造理论得到公认，1971年确认地、月系统年龄为45亿年，1977年在海洋扩张中心发现厌养生物，70年代发现“臭氧洞”，并确认催化循环可导致平流层臭氧破坏等等。其中，板块构造理论被认为是20世纪最伟大的科学成就之一，其意义可以与量子力学相提并论。第二个发展阶段，大约从20世纪80年代开始，由于全球性环境问题的挑战，人类对地观测能力（全球立体观测网络的建立）、地球深部探测能力和海洋观测能力的提高，计算机技术的发展及其对全球海量信息的处理和传递能力的提高，以及系统科学、非线性科学、复杂性科学创建和发展，导致了一门以全球环境变化、特别是以人类诱发的全球变化为研究对象，描述和理解地球系统整体行为、相互作用的物理、化学和生物过程的集成研究方法—-地球系统科学。催生了一批引领地球科学向着更高层次、定量的整体地球科学（即现代地球科学）方向发展的重大国际科学计划，如IGBP、WCRP、IHDP、DIVERSITAS、IODP等等。地球作为“整体”、“系统”的概念得到极大的增强，现代地球科学的各分支学科以前所未有的速度向前推进，各分支学科的交叉与融合已成为必然。在过去的10年，对地球系统的研究取得了重大的突破。其中最为重要的成果之一，就是我们认识到地球系统已经超越了至少过去50万年的自然变率范围。目前，全球环境系统正在同时发生的这些变化的本质、变化的幅度和速率，在我们人类的历史上，甚至可能对整个地球的历史来说，都是前所未有的。目前正在发生的这些变化，实际上是人与自然之间关系的变化。它们虽然发生的时间不长，但是其影响却很深远。而且，有很多变化正在加速进行中。这些变3化对全球环境产生级联效应，它们还难以被认识，并且通常无法预测，而且很多时候会突然发生。如果这种状况持续下去，我们的地球最终将会变为一个不适合人类和其他生命生存的星球。近年来，地球科学研究揭示了一个甚至在20年前几乎没有预测出的、影响深远的一系列发现：地球内部缓慢的作用与海洋和大气系统的较快运动之间，存在着令人惊奇的耦合关系。例如，大洋盆地外形的微细变化深深地影响着大洋的环流；构造作用的波动会影响二氧化碳循环发生混乱；火山爆发的频度和地震机制与地幔流体的动力学相关联；海洋和地幔间的流体循环肯定影响着火山活动的特性，甚至可能是板块构造活动的媒体。因此，搞不清这些复杂的相互作用，对全球性的各种现象就不可能实现准确的预测。近年来，由于人们已揭示和掌握了厄尔尼诺与异常气候之间关系等各种现象之间的部分相互作用，使人们对厄尔尼诺现象的预测获得了成功。鉴于这种情况，美国国家研究理事会（NationalResearchCouncil，1998）在总结20世纪后30年地球科学进展时，强调“我们对地球单一层圈的了解比较深入，但对不同层圈的相互作用了解较少，特别是将地球作为一个系统的整体行为知之甚少”。“地球系统的过程”(Earthsystemprocess)，“地球系统的联系”(Earthsystemlinkage)、“地球系统的演化”(EarthsystemEvolution)，成为21世纪初地球科学重要的发展前沿。对于过程研究主要放在两个时间尺度上：一个是10－100年的时间尺度，另一个是几千年到几万年的时间尺度。前一个时间尺度，主要研究人们赖以生存的地球系统中快速变化系统的变化规律及人类活动对地球环境的影响，提高人们对未来几十年到百年尺度地球环境变化的预报预测能力，为社会和环境协调发展提供科学依据。后一个时间尺度以研究地球系统的形成、演化为主攻目标。地球系统之间的相互作用，实际上是地球各系统之间的界面相互作用。因此，近年来，地球系统内部的各种界面过程日益成为地球科学研究的焦点或核心领域之一。由此可见，地球科学将从人-地关系的角度研究环境的变化及其对资源的效应，为人类社会与自然协调发展提出科学原理和方法。其中地球各层圈结构、组成和相互作用，以及人类作为地球营力的作用研究，保护生态与环境将成为地球科学各学科共同的前沿。地球系统整体研究成为地球科学解决全球环境和资源问题的科学基础，地球科学研究将进入一个进行科学预测和调控人类生存环境变化的时代。有人预言，19世纪地球科学的突破在于进化论，20世纪地球科学的突破在于板块构造，那么21世纪地球科学的突破在于地球系统的理论。为适应地球科学的发展趋势，强调地球是一个复杂的系统，地球的演化与过程具有整体性，其所有的组成要素处在共同作用之中,需要采用高度交叉、整合的研究框架。在执行战略方面，要以高新技术为先导，促进多学科交叉与融合。近年来，美国实施地球探测计划(Earthscope)和地球实验室计划（EarthLab），均以现代地球物理、遥感和信息技术为先导，对岩石圈深部结构进行探测，进而建立区域地球动力学演化模型。此外，现代地球科学研究难度不断加大，需要加强多学科综合研究和技术集成，解决地球科学的关键问题。突出的实例有澳大利亚“玻璃地球计划”、加拿大“勘查与科学”计划。高新技术与地球科学前沿融为一体，相互影响、相互4促进，使当代许多高新技术在地球科学研究中具有更广阔的用武之地，引发更多的科学发现。在组织形式上，设立多学科参与的研究计划和研究中心，力图在更高层次上开展多学科交叉、整合研究。过去50年地球科学的发展史也表明，大型科学计划体现了不同时期地球科学发展的前沿和主流方向,引领着地球科学及相关科学的发展。如:由WCRP、IGBP、IHDP和DIVERSITAS四大计划组成的地球系统合作伙伴（ESSP）计划,国际岩石圈计划、美国的大陆动力学计划、欧洲探测计划、综合大洋钻探计划（IODP）、国际洋中脊计划（InterRidge）、国际大陆边缘计划（InterMargins）等。2.2地球科学的特点2.2.1当代地球科学研究具有明显的大科学特征。地球科学作为基础科学，其研究对象是极其复杂的行星地球。基于理解地球系统的过去、现今和未来及其可居住性的研究带来的挑战超出了单个和传统学科的能力范围。地球科学的发展需要数学、物理、化学、天文学、生物学和技术科学的理论、方法和现代技术的支持。而地球科学的诸多研究又带动着其他基础科学的发展，比如缘于大气科学的非线性研究、为了认识地球深部的高温高压模拟实验研究、以及始于矿物超导特性的研究，都逐渐发展成为当今科学的前沿领域。基于现代科学技术的迅猛发展趋势，使地球科学研究具有明显的大科学特征。具体表现为：第一，地球科学涉猎的是复杂的、多时空尺度的基本地球过程及其相互作用。其时间尺度从几秒钟的地震活动到几十亿年的地球演化；空间尺度从矿物微区研究到全球环境变化。第二，基本地球过程的研究依赖于海量科学数据，地球科学是数据密集型的科学，因而更加重视应用现代观测、探测、实验和信息技术对基本科学数据的系统采集、积累与分析。第三，地球科学前沿研究与高新技术发展融为一体，重大科学问题的解决需要跨学科的持续、有效的联合研究，使一系列针对地球科学难题的大型研究计划应运而生。2.2.2地球科学的研究前沿日益拓展，地球的整体观、系统观已成为共识。资源、生态与环境问题的综合性和复杂性，使地球科学研究必须立足于全球，从地球的整体观、系统观和多时空尺度的角度，认识发生在地球系统及各圈层中的物理、化学、生物过程及其相互作用。以全球环境变化为例，深入的研究使大家愈来愈认识到地球的大气圈、水圈（含冰雪圈）、生物圈、岩石圈、地幔和地核是一个密切联系而又相互作用的整体，不了解地球系统的整体行为，就难以深入理解局部环境变化，由此而提出了地球系统的概念。2.2.3学科交叉与综合集成和协同研究是地球科学取得突破的有效途径。实践证明，研究复杂的地球过程及其重大的资源、环境、灾害问题，并非单一学科和传统的概念与手段所能完成。在许多重要的交叉点上蕴含着更多的突破机会、新的生长点和解决途径，要求加强学科间的交叉、渗透和综合集成，同时，研究群体和基地的作用日益突出。近年来，国际科学界推出了科学计划间的“合作伙伴关系”（Partnership），“交叉项目”（Inter-Project）和“交叉计划”（Inter-Programme）等科学组织形式和活动，促进了地球科学的突破。地球科