时域地球——地球科学未来十年愿景（2020-2030）

近日，美国国家研究理事会（NRC）发布了地球科学十年战略规划，即《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景（2020-2030）》（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time）。这是继2001年发布《地球科学基础研究的机遇》报告和2012年发布《地球科学新的研究机遇》报告（《地质调查动态》2012年第11期）之后的第三版地球科学十年战略规划。

该报告提出了美国国家科学基金委员会（NSF）地球科学未来十年的12个优先科学问题，并提出了配套的研究基础设施和设备、信息化建设和人力资源基础架构等方面的建议，并提议不断扩大合作伙伴关系以促进对前沿地球科学领域的研究。我们对该报告进行了扼要介绍，以期对我国地球科学的学科建设、发展规划和工作部署提供参考。

报告以“Earth in Time”作为标题，一方面强调了地球变化过程及其如何影响人类可居住性，并提出了这方面对地球科学的迫切需求，另一方面突出了理解地球如何随时间而演化的重要性。我们翻译为“时域地球”，以凸显地球科学领域的侧重点由物质和结构方面的研究向以时间为自变量的不同尺度变化过程研究的转变。

NSF通过广泛的调研，确定了12个引人瞩目的优先科学问题，反映了地质时期、地球表面和内部的联系、地质和生命的共同演化、人类活动影响的重要性。这些问题按照从地核到大气圈的空间顺序如下所列：

1.地球的内部磁场是如何产生的？

理解是什么在时间尺度之上驱动着地磁场变化，又是什么控制了地磁场的变化速度，这两者对于理解从地球内部到大气层的相互作用，以及受地磁场影响的人类活动至关重要。

2.板块构造是在什么时候、因为什么、如何开始的？

板块构造运动产生并改变了大陆、海洋和大气层，但对于板块构造何时在地球上产生、为什么在地球上而不是在其他行星体上出现、板块构造是如何随着时间的推移而发展，仍然缺乏基本的认识。

3.关键元素在地球上是如何分布和循环的？

地质过程中必不可少的关键元素（Critical Elements）循环为生命创造了适宜的条件，并提供了现代文明所需的物质，但关于这些元素如何在地球内部跨越一系列空间和时间尺度进行迁移的基本问题仍然需要研究。

4.什么是地震？

地震破裂是复杂的，地球的变形发生的速度和方式各不相同，使得地球科学家们需要重新思考地震的本质和驱动地震的动力。

5.是什么引起了火山活动？

火山爆发对人类、大气、水圈和地球本身都有重大影响，因此迫切地需要对火山活动的起因进行基础研究，了解岩浆是如何在世界各地的不同环境中形成、上升和喷发的，以及这些系统在整个地质时期中是如何运作的。

6.地形变化的前因后果是什么？

跨越了地质时间尺度和人类时间尺度的地形测量新技术，使解决地球深部和表层与重大社会挑战关联的科学问题成为可能。这些社会挑战包括了地质灾害、自然资源、气候变化。

7.地球关键带如何影响气候？

陆地的活性表层影响着水分、地下水、能量、陆地与大气间的气体交换，因此它对气候的影响是理解地球系统，以及地球系统在全球变化下已经发生和将要发生反应的关键因素。

8.对于气候系统的动力学，地球的过去揭示了什么？

地球历史上长期和快速的环境变化证据提供了与现代变化进行比较的关键基线，有助于阐明地球系统的动力学，提供气候变化的幅度和速率，并在预测未来地球圈层变化方面发挥着关键作用。

9.地球的水循环是如何变化的？

了解当前和未来的水循环变化，需要掌握水-陆系统的基本知识，以及水循环如何与其他物理、生物和化学过程相互作用。

10.生物地球化学循环是如何演化的？

要在时间尺度上量化生物在岩矿的形成和风化、碳循环、空气成分中的影响，就需要对生物地球化学循环有更深入的了解。

11.地质过程如何影响生物多样性？

地球上生物的多样性是这个星球的主要特征，但我们还不完全知道生物的多样性是如何形成的。我们需要了解这种多样性如何以及为何会随着时间、环境和地理而变化，包括像物种灭绝这样的重大事件。

12.如何通过地球科学研究来降低地质灾害的风险和损失？

对地质灾害的预测和定量认识对于减少风险和影响、拯救生命和基础设施至关重要。

附：《地球科学基础研究的机遇》（2001）报告和《地球科学新的研究机遇》（2012）报告的相关战略成果概览。

《地球科学基础研究的机遇》（2001年）的10项发现和建议：

• 保持对自由探索研究的支持

• 支持地球生物学以及地球和行星物质的研究

• 继续制定水文科学计划

• 加强对地球关键带的多学科研究

• 大力支持地球探测计划

• 建立地球科学自然实验室计划

• 加强微生物与地表环境之间相互作用的研究

• 增加地球与行星科学界之间的互动

• 增加新仪器、多用户设施和现有设备的支持

• 增加培训补助、奖学金机会，重视跨学科研究博士后，完善休假计划，支持学生开展野外工作

《地球科学新的研究机遇》（2012）的11项发现和建议：

• 长期以来由研究者驱动的科学的重要性

• 研究早期地球的物理和化学过程

• 鼓励开展热化学内动力学和挥发物分布的相关工作

• 对断裂和变形过程进行量化

• 鼓励开展气候、地表过程、大地构造和深部地球过程之间相互作用的工作

• 围绕生命、环境和气候的协同演化，制定科学研究计划

• 加强水文地貌—生态系统对自然和人为变化的耦合响应的研究

• 支持陆内环境中生物地球化学和水循环及其对全球变化影响的研究

• 探索地球年代实验室的新运作机制

• 改善机构间的伙伴和协作关系

• 增加培训机会，建立更多元化的研究团队

1.科研基础设施设备

未来对地球及其组成物质的观测将比以往任何时候都更加依赖于新兴技术、数据分析和科研基础设施。本报告分析了美国国家科学基金会地球科学处（EAR）科研基础研究设施的现状和与12个优先科学主题之间的关系（表1），并按照未来需求，建议EAR定期使用规定的标准进行设备评估，适应不断变化的优先科学问题，调整未来科研基础设施方面投入的优先次序。

表1 科学优先事项与现有科研基础设施之间的关系

备注：表中彩色方框表示需要解决的重点科学问题所需的具有基本科研功能的设施和实验室，彩色圆圈表示与重点科研问题相关的设施和实验室。

各科研基础设施全称如下：

针对未来可能的新举措，提出如下建议：

• 建议1：EAR应该资助一个国家地质年代学联盟。

• 建议2：EAR应该资助一个大型的多砧冲压机设备。

• 建议3：EAR应该资助一个近地表地球物理研究中心。建议4：EAR应该支持“板块俯冲造成的潜在威胁研究计划”（SZ4D）中的长期研究项目，其中包括响应火山爆发的社区协同网络（CONVERSE）。

• 建议5：EAR应该鼓励研究机构进一步探索大陆关键带方面的研究计划。

• 建议6：EAR应该鼓励研究群体进一步探索大陆科学钻探计划。

• 建议7：EAR应该协调组建一个研究工作组，以建立相应的机制，对现有和未来的实物样本进行存档和管理，并为相关工作岗位提供资金支持。

针对信息化基础架构，提出如下建议：

• 建议1：EAR应发起一个以研究群体为基础的常设科学委员会，就网络基础设施的需求和实际进展，随时向EAR提供建议。

• 建议2：EAR应制定并实施一项战略规划，为保证科研数据工作中的FAIR（可查找、可访问、可交互、可重复利用）实践提供支持。

针对人才架构，提出如下建议：

• 建议1：EAR应该继续加强现有的努力，提供领导力，加大投入和集中指导，以改善地球科学界的多样性、公平性和包容性。

• 建议2：EAR应长期资助开发和维护设备相关的技术人员，帮助提高他们的工作能力、就业稳定性和社会竞争力。

2.合作伙伴关系

为了满足持续增长的跨学科工作需求，EAR正积极参与NSF正在进行的新的跨部门和跨理事会的活动。

建议：EAR应与NSF地球科学理事会（GEO）下其他处以及其他研究机构开展合作，资助跨界地球科学研究，例如在海岸带、高纬度地区和大气陆地交界面。

建议：EAR应积极与NSF的其他处以及联邦机构合作，推进新型社会科学相关研究。

EAR的使命比以往任何时候都更加重要和紧迫，它提供了重要而影响深远的机会，并可能带来广泛的社会影响。

今天的地球科学境遇与十年前大不相同。在科学认知方面的持续进步将使社会能更好地准备迎接地球变化带来的挑战，尤其当科学进步能够有效地传播给公众时。

在这个携手共进的时刻，需要一个职员多元化和科学多样化的地球科学团队，通过个人工作和团队协作网络，在一个相互成就的开放环境中，创建和部署尖端的分析、计算和基于实地的研究方法。

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