地球系统科学研究态势
永飞 郑, 正堂 郭, 念志 焦, 穆 穆, 世龙 朴, 绥燕 傅, 顶辉 杨, 茂炎 朱
Abstract
地球系统可以划分为固体地球系统、表层地球系统和日地空间系统三大组成部分，且三大部分之间存在相互作用和耦合关系。虽然对这三大系统内部学科领域的研究均取得了长足的进展，但是对它们的整体行为以及个体之间的相互作用仍然认识不足，因此面临不同类型和层次的挑战。固体地球系统由地壳、地幔和地核组成，其中地幔环境极端且复杂，导致直接观测和数据获取困难；现有的观测技术难以深入到地幔内部，同时地球内部的高温、高压和强磁场等极端环境也给观测设备和科学实验带来了巨大挑战。表层地球系统也是一个开放的复杂巨系统，其内部各子系统（包括大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈）之间存在复杂的相互作用和反馈机制，使得对表层地球系统的整体行为和长期演化的理解变得困难。生物活动对表层地球系统的影响日益显著，固体地球系统与表层系统之间的耦合更加复杂。如何区分和量化地球圈层相互作用和生物活动对表层地球系统的影响是一个重要挑战。日地空间系统涉及从微观到宏观的多个尺度，包括太阳活动、地球磁场、大气层、空间天气等多个物理过程。如何跨越不同尺度并建立多物理过程的耦合模型是日地空间系统研究的重要挑战。太阳活动对地球空间环境的影响显著，但现有的观察与重建方法和预测模型在精度和时效性方面仍存在不足。如何提高太阳活动的预测能力并减少空间天气灾害的影响是日地空间系统研究的重要课题。上述地球三大系统内部及其之间的各种过程和现象往往跨越多个时间和空间尺度，并且表现出强烈的非线性特征，使得对其行为和过程的理解变得复杂，这给理论建模和数值模拟带来了巨大挑战。地球系统科学以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度，不仅着眼于地球各圈层之间的相互作用，而且以此来研究地球整体及其圈层之间的性质、行为、过程和机制。因此，对地球三大系统的研究需要多学科之间的深入交叉和融合，以共同揭示地球系统的奥秘。