3．4地球系统的自然驱动力

    从17世纪牛顿提出力学三定律，建立了包括地球转动和日月潮在内的行星动力学起，郝屯（18世纪时建立了地质时间，推断了地球内部热机的存在），莱伊尔（于19世纪建立了一个动力学研究方法，并据此提出了著名的均变论），达尔文（将莱伊尔的研究方法与生物变化的原始观测相结合，建立了生物进化论）相继成为推动地球科学发展的领军人物，但其相关研究无不侧重于某个相对独立的方面。只是到20世纪80年代以来，人们才开始日益深切地意识到地球是一个有层次结构，各部分相互联系、相互制约的整体，存在着全球尺度的、错综复杂的相互作用和相互影响过程。这一认识的产生和相应研究的兴起，最终促成了地球系统和全球变化概念的形成（见绪论第1节）。

    从地球系统科学的概念出发，一个基本的观点就是：地球系统的自然驱动力是内、外两部发动机联合作用的结果。其中，外部发动机指太阳能，内部发动机则是指地球内部的各种能量。此外，可以将地球系统的演化过程或全球变化过程划分为长期（数十亿年至数百万年）过程和短期（数十年至数百年）过程。如绪论图0-1和图3-12所示。

    图3-12a展示了在地球的长期变化过程相互联系的组成部分及它们之间的相互作用流程。太阳驱动过程、地幔和地核过程分别从内、外两方面同时推动板块构造运动。后者因此在以百万年为特征时间尺度的长期演化中，完成造山、大陆增生、海底扩张、陆洋转换等一系列全球空间尺度的地质和全球变化事件。这些事件的结果又反馈、影响到地球内部和外部两个发动机的运转状态和演化规律。如在古- 中生代时期，主要由地幔热驱动形成了联合古陆（Pangea），后者又反过来促进了当时的古地磁场异常、地核偏移和地幔热结构的长期变化，导致了全球气候异常，同时还诱发了一系列突发性事件（详见第11章3．3节），就是这种相互作用的一个重要实例。

    短期全球变化指时间尺度为数十年到数百年的变化，由四个相互作用、相互依存的子系统相互关联形成（图3-12b）。除时间尺度的差异外，短期变化和长期变化事件的区别还在于，在短期变化过程中的各个子系统之间，所有作用都是相互即双向进行的。每一个环节既是作用者，又是被推动者，这成为短期全球变化过程中最重要的基本特征。它们之间的具体作用方式和结果，在后面各有关章节中将作详细介绍。

    从图3-12中还可以看到，短期变化与长期变化之间有一个重要的联系桥梁，那就是古气候过程。尤其是在一些重大的地质历史转折期，长期过程和短期过程的影响更是紧紧地交织在一起，难以把它们截然分开。不仅如此，考虑到生命系统自出现以后，在相当程度上，已逐步成为一个独立的，可以和其他系统分庭抗礼的子系统。因此在整体地球系统中，还可能存在着另外一些不同时空尺度的耦合过程。图3-13给出了一个综合了长期和短期作用的耦合流程，并强调生命系统相对独立的概念模型。如图所示，将生命系统作为一个独立的子系统单独表示出来后，可以立即看到，在不同的子系统之间还会存在着次一级的耦合、反馈等不同的相互作用（如图中曲线箭头所示），许多重要的地质和全球变化事件，其实应该是它们共同控制和影响的结果。比如，没有生命系统的造氧作用，就不会有大气圈的最终形成；反过来生命系统的进化，又得益于大气圈的推动。而在此过程中，太阳发动机提供了必须的能量，才能推动和维持这一全球变化。其他各循环回路的变化，也莫不与此类似。从这一角度讲，研究图3-13所示的这类作用的机制和特征，无疑也是十分重要的。