2．21世纪地球科学展望

    （1）地球科学正处在一个重大的转折时期

    全球性资源、环境、灾害问题的解决将更加依赖有关地球的知识；空间技术及其研究手段的发展，实现了人类对地球的整体观察和对一系列过程的长期观测，尤其是电子计算机的迅速发展，使得大量计算和地球系统异常复杂现象的模拟研究成为可能；科学认识的突破以及大量信息的收集和管理技术的革新，正在加速拓宽地球科学各学科的前沿；诸多学科自身的成熟和解决难题的需求，促进了学科间的相互依赖和交叉、渗透。在这样的背景下，当代地球科学发展正处于一个重大的转折时期。在这个重大的转折时期，地球科学研究表现出当代科技发展的一系列时代特征。当今地球科学的前沿源于经济、社会发展所面临的复杂难题，这些难题的解决并非单一学科甚至传统地球科学的观念及手段所能完成，从而促使学科间交叉、渗透，在许多重要的交叉点上蕴含着较多的突破机会和新兴分支学科的生长点。

    地球科学发展的总体趋势是：以解决整体性科学问题为导向构筑科研项目和研究计划，在那些重要的交叉领域，组织多学科综合研究；研究的时间尺度双向延伸，既重视对现状的客观分析，又要了解和把握历史的演化规律，还强调对未来变化趋势的预测；研究问题所涉及的空间尺度是多层次的，包括全球性、全国性、区域性和试验示范研究；研究工作分别向微观与宏观两个方向深入，同时微观和宏观研究又紧密结合，以解决重大的困难问题；囿于对各种观测、探测、测试实验资料的依赖，地球科学信息及其快速交换和共享已成为研究工作的必要支撑；许多全球性问题的解决，需要开展广泛的国际合作，乃至于一致性行动等。

    （2）当代地球科学的前沿

    地球科学前沿领域，是指国际科学界对那些经济建设和社会发展所面临的复杂难题，进行地球科学的理论、方法和技术的探索；或以建立新的地球科学知识体系为目标的开拓性研究，这些研究的突破将有助于难题的解决，不仅促进经济、社会的可持续发展，而且推动地球科学的整体进步。所以说，地球科学的发展来自于经济建设、社会发展的需求和根本性的创新。人类社会的进步和科学发展的自身规律，导致了地球科学家对日地空间、地球深部、海洋和极区的探索，正在形成庞大的、较为完整的“上天、入地、下海、登极”的地球科学前沿研究体系。在世纪之交地球科学发展的重大转折时期中，地球科学将朝着建立行星地球统一理论的地球系统科学目标发展，加深对气圈、水圈、岩石圈和生物圈各自演化规律及其相互作用过程的认识，把地球看作一个完整的动力学系统，而不是各部分彼此孤立的一种集合体。概括地说，当代地球科学的前沿研究将围绕整体地球系统行为及其各圈层的相互作用、大陆动力学、气候系统动力学、海洋动力学、自然过程与社会发展互动等重大科学问题而展开。

    固体地球科学的研究，尤其是近30年来，地质、地球物理、地球化学方面分别获得大量信息并取得一系列科学认识的突破，提高了人们对地球起源、内部作用和表生过程等一系列不同时空尺度的地球过程和生命演化的认识。特别是板块构造理论的提出和建立超越板块理论的探讨，给地球科学提供了整体地球的研究框架。随着全球规模和区域范围的资源、环境、灾害问题日趋突出，对其社会功能的要求也不断增强，即要为维持矿产资源和能源资源的供给，保护和改善人类生存环境，减轻自然灾害所造成的损失，合理利用水资源和土地资源以及对重大的工程建设做出明智的决策。这一系列问题研究所涉及的空间，已经从地球表层向深部延拓到地壳深层乃至地幔和地核；其时间不仅在于对现状和历史的深入了解，还注意对未来的预测。围绕这些重大问题的解决，“国际岩石圈计划”（ILP）、“大洋钻探计划”（ODP），以及“国际地圈-生物圈计划”（1GBP）先后兴起，十分活跃。从总体看，当代固体地球科学研究是在深化地质、地球物理、地球化学研究的基础上，强调相关学科的综合，其前沿研究的重点放在大陆岩石圈及其边缘、矿集区与超大型矿床、重大工程建设与环境相互作用、地质环境及其历史的记录与全球变化、地球深部的结构、组成与动力学等领域上。

    大气科学研究是现代地球系统科学体系中极为重要的一环，大气科学为天气、气候、环境的监测、预报和人工影响提供了理论和方法。在过去的20年中，大气观测和计算机模型的改善赋予了全球大气运动的模拟和预报以新的能力，气象卫星对有关云、风和温度的分布、辐射收支、大气臭氧总量等全球资料的提供，高速计算机的应用，都使天气预报得到明显的改进。大气、海洋和陆地生态等系统的结合，已使短期气候预测成为可能。从我国科学家所积极参与的大型国际研究计划，如“世界气候研究计划”（WCRP）、“国际地圈-生物圈计划”（IGBP）、“全球环境变化的人类因素计划”（IHDP）的发展趋势可以看出，大气科学正走向多学科交叉，在坚实的数学、物理学以及全球与区域探测的基础上，建立大气-冰雪-陆地-海洋-生物耦合系统的完整动力学模式，注重系统中各组成成分（或谓大气与周边环境）相互作用的研究，尤其强调其中的物理、化学和生物过程的相互作用，以及太阳天体变化和人类活动的影响。气候系统动力学与气候预测以及灾害天气预报的进一步提高将特别受到重视。

    占地球表面积71％的海洋，赋存着丰富的资源，对人类的生存与发展具有战略意义。它与大气圈、岩石圈和生物圈的相互依存和相互作用是控制地球表层环境的一个基本环节，海洋中的各种自然过程既相互制约，又通过各种物质、能量循环结合起来，构成全球规模的、多层次的海洋系统。15年来随着现代科学技术的发展和人类面临的一系列困境，以及海洋在全球环境变化中的重要作用为人们所认识，促使一批国际研究计划的兴起，如“热带海洋和全球大气”（TOGA）、“世界大洋环流实验”（WOCE）、“全球海洋通量联合研究”（JGOFS）、“海岸带陆-洋相互作用计划”（LOICZ）。人们的注意力在于了解海洋中的物理、化学、生物和地质过程及其相互作用以及对人类生存环境的影响，发展海洋技术去获得开发海洋的优势。不言而喻，在21世纪建立国际海洋新秩序过程中，无论是从海洋权益还是从可持续发展长远利益出发，我国海洋科技应以近海海域为重点，围绕与全球变化和经济、社会可持续发展、海洋权益及有关海洋资源及其可持续利用、海洋高技术、海洋动力学与海洋环境等开展研究。

     地球表层 是各种物质体系及其运动交汇的界面，是人类活动的主要场所，各种自然要素和社会-经济要素相互影响，构成一个错综复杂的巨系统。随着人口剧增和经济的快速发展，人口、资源、环境与经济、社会发展之间的矛盾日益突出，人类对自然的干扰更加复杂化。这一方面促进与地球科学有着渊源关系的环境科学、生态科学、经济科学和系统工程科学更加重视地域空间关系，构建了综合的环境科学体系；另一方面又促使近代地理科学中相对独立的自然地理学与人文地理学走向统一，导致地理科学结构和内涵的革命。人类生活的地球表层由不同类型的许多生态系统所构成，是一个多尺度、多层次、多介质的动态体系。由于认识的局限性或不合理的利用和改造自然，使人类社会与自然界的关系失衡，发展与环境的矛盾日趋尖锐。通过对人与自然关系及其相互作用过程的研究，寻求可持续发展的途径，是现代地理科学、环境科学的研究核心。从发展的总体趋势来看，地理科学将围绕自然资源及其可持续利用、国土整治与开发利用、生态系统建设与农业的可持续发展、区域与城市四大主题开展综合性研究。而环境科学的研究更注重对环境（全球环境）的连续、立体、同步的监测，强调生物地球化学循环的研究，重视污染物质迁移转化规律及其生态效应和调控途径，推行清洁生产，发展环保技术，实现“三废”的安全处理与再资源化，扭转环境污染的局面。

    应用现代技术发展地球科学的观测、探测和测试实验技术，是地球科学发展的重要依托，它的发展与广泛应用将促进地球科学的研究实现定量化和精确化。从某种意义来说，地球科学又是观测的科学，用现代技术装备起来的观测、探测、测试实验和模拟，已经成为地球科学发展的必然趋势。其中，航天航空探测技术、海洋探测技术、固体地球深部探测技术（如深部钻探、深反射地震技术、数字地震台网与层析技术等）、巨型计算机与数字模拟、现代测试分析与实验技术等前沿技术，为地球科学的发展提供了有力的保证。特别引人注目的是，20世纪后期空间技术、信息技术和计算机技术的发展，推动了遥感技术的进步及其在地球科学各个领域的应用。其今后发展趋势又表现为：从资源与环境监测的需求出发，由大型极轨组合平台与小卫星系列、多高度、多种轨道卫星组合的综合对地观测系统的建立；遥感-全球定位系统-地理信息系统的一体化；高速大容量遥感数据处理系统的建设；地理信息系统技术，随着面向目标设计思想、计算机并行处理技术以及新的数据结构的产生而发展；更有效地综合利用多媒体信息。数字地球将是未来管理地球的重要工具，这是“一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的多维地球表示”，以遥感技术、地理信息系统、计算机技术、网络技术、多维虚拟现实技术等高新科技为支撑，与可持续发展决策、资源管理、环境管理、灾害管理、可持续农业、全球变化、教育、军事等方面的社会重大需求联系在一起。此外，空间环境探测将从宏观上、整体上探测日地系统的三维结构，并对重要空间区域的精细结构和高层大气进行探测。

    综上所述，在这地球科学发展的重大转折时期，其前沿研究将围绕地球系统整体行为及其各圈层的相互作用、大陆动力学、气候系统动力学、海洋动力学、自然过程与社会发展互馈以及地球深部和日地空间环境等重大科学问题而展开。同时，注重现代技术的应用与发展，尤其遥感应用与地理信息系统、地球深部探测技术、海洋高技术、现代测试与实验技术以及其他观测技术与信息处理技术。