地球系统科学简史：理解地球复杂性的多学科探索历程

导语

我们的地球是一个有生命的有机体，不仅有大气、陆地、海洋之间的物理化学过程，生物也会对环境产生重大影响，与环境组成一个相互作用的整体。进入人类世以来，人类更是成为驱动地球系统演变的主导力量，排放温室气体、开采资源，破坏地球系统的稳定性，而这反过来对人类自身的可持续发展构成挑战。地球系统与人类的福祉息息相关，理解其中复杂的物理、化学、生物和人类过程对我们具有重要意义。2020年1月发表于 nature reviews earth & environment 的文章“The emergence and evolution of Earth System Science”，回顾了地球系统科学发展的历程，强调了将孤立研究地球系统各个组分的传统学科连接起来，建立一个真正统一的地球系统科学的愿景。集智俱乐部组织翻译了全文，以飨读者。

同时集智俱乐部将组织地球系统科学读书会，自2021年12月14日开始，每周二晚上19:00-21:00，持续时间预计 7-8 周，重点探讨近年来系统科学、人工智能等学科为地球系统科学提供的创新研究方法，尤其是统计物理与深度学习在地球系统科学中的应用，共读前沿文献，激发科研灵感。欢迎从事相关研究、对相关领域有浓厚兴趣的探索者报名参与交流。详情见文末。

研究领域：地球系统科学，气候变暖，临界点，人类世，人类动力学

Will Steffen, Katherine Richardson等人 | 作者

晏丽 | 译者

张澳 | 审校

邓一雪 | 编辑

论文题目：

The emergence and evolution of Earth System Science

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43017-019-0005-6#change-history

目录

摘要

内容要点

一、地球系统科学的兴起

1. 地球系统科学的萌芽
2. 地球系统科学的建立
3. 地球系统科学的发展
4. 地球系统科学的现状

二、地球系统科学的工具和方法

1. 观察与实验
2. 模拟地球系统
3. 评估与综合

三、地球系统科学产生的新概念

1. 人类世
2. 临界因素
3. 地球行星边界

四、地球系统科学的未来发展方向

参考文献

摘要

地球系统科学（Earth System Science，ESS）是多门学科的融合结果，旨在了解地球作为一个复杂适应系统的结构和功能。本综述讨论了地球系统科学的兴起和发展，并概述了这些发展在促进我们对全球变化的理解方面的重要性。受生物圈-地圈相互作用（biosphere-geosphere interactions）早期工作和盖亚假说（Gaia hypothesis）等新观点的启发，地球系统科学在20世纪80年代随着人们对“地球科学”这一新学科的需求而出现。不久，国际地圈-生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）也随之实施，地球系统科学的国际投入及跨学科融合程度达到了前所未有的水平。地球系统科学提出了新概念和框架，包括人类世（Anthropocene）、临界因素（tipping elements）和地球行星边界（planetary boundaries），这些新概念和框架处于全球变化的讨论核心。地球系统科学面临的重大挑战是实现生物物理过程和人类动力学的深度融合，以建立对地球系统的统一理解。

内容要点

几万年来，世界各地的本土文化都已经认识到，人类是环境系统循环中不可分割的一部分。然而，直到20世纪初，当代系统思维才被应用于地球，从而催生出地球系统科学。在冷战背景下，环境科学和复杂系统科学兴起时，人们逐渐认识到生命对地球的物理化学环境影响巨大，地球系统科学应运而生[1-3]。

从那时起，地球系统科学框架已经成为理解地球作为独立的复杂适应系统运行的强大工具。地球系统是由能量、物质和生命之间多样的相互作用驱动的。地球系统科学将孤立研究地球系统某个组分的那些传统学科连接了起来，以此建立对地球的统一理解。人类活动在过去两个世纪中不断破坏系统的稳定性，如今必须以系统的观点研究全球变化及其在行星尺度的影响和风险（包括气候变化、生物多样性损失和营养负荷等）。事实上，地球系统科学最紧迫的挑战之一，是确定近现代发生的全球变暖是否是人类造成的结果，如果确实是，如何能够最有效地避免全球变暖。

该综述中，我们探讨了地球系统科学的萌芽和发展，概述了它的历史、工具和方法、新概念和未来方向。我们主要关注地球地表系统，即大气、冰冻圈、陆地、海洋和地圈之间相互作用的物理、化学和生物过程。地球系统科学的其它定义包括了地球内部[4-5]，虽然随着时间尺度的增加，考虑这一因素变得越来越重要[6]，但当前我们关注的仍是地球系统内大多数物质循环所处的地球表面。

一、地球系统科学的发展历史

我们从地球系统科学的简史开始，概述了重要的历史阶段，包括：

• 地球系统科学的萌芽（1970年代的开端）；

• 地球系统科学的建立（20世纪80年代一门新科学的创立）；

• 地球系统科学的发展（1990年代的全球扩张）；

• 地球系统科学的现状（2015年至今的发展）；

描述地球系统科学发展的关键事件、论文、人物和组织的时间表如下图所示。

图1. 20世纪中期以来地球系统科学发展的时间轴（其中绿色表示关键组织、黄色表示关键论文及人物、粉红色表示关键事件）

发展历史1：地球系统科学的萌芽

过去对地球的概念化是现代地球系统科学理解的重要基础，例如1788年 J. Hutton 的《地球理论》、19世纪的洪堡科学（Humboldtian science，指19世纪德国科学家 Alexander von Humboldt 发起的一场科学运动）以及1926年 V. Vernadsky 的《生物圈》[7]。然而，地球系统科学的萌芽始于20世纪后半叶的冷战背景，当时地球科学和环境科学发生了重大变化[8]。由于军事发展的需要，地球物理学获得了前所未有的发展机遇[9]。此外，调查和监控全球环境已然成为一项战略必要，用于日后为现代地球系统科学提供信息[10-11]。

20世纪中叶，以国际地球物理年1957-58为代表的国际科学开始发展[12]。这一史无前例的研究运动凝聚了67个国家的努力，获得了对地球圈，特别是冰川学、海洋学和气象学更为全面的了解。国际地球物理年的一个关键影响是：人们对地球运作方式的认识发生了持久性的转变。过去地理学家们推崇的基于实地观测研究地质和气候的经典方法，被实地测量、多变量连续定量监测和数值模型所取代[13]。这种转变催生了构成现代地球科学的两种范式：现代气候学（modern climatology）和板块构造学（plate tectonics）[14-15]。

生态学和环境科学的发展也十分迅速[16]。生态系统生态学（Ecosystem ecology）诞生于 E. Hutchinson 及 H. Odum 和 G.E. Odum 两兄弟的研究成果，并得到了环境问题科学委员会（Scientific Committee on Problems of the Environment，SCOPE）的支持。国际生物计划（International Biological Programme，IBP）[17]等大型项目是全球生态研究的重要基石，这些成果为理解生物圈在整个地球系统运作中的作用提供了坚实基础[18-22]。

至上世纪60到70年代，科学界和公众对环境问题的意识在不断增强。R. Carson《寂静的春天》的出版[23]、1972年联合国人类环境会议上“只有一个地球”的演讲[24]、关于臭氧消耗和气候变化的首次警报[25-26]以及罗马俱乐部出版的《增长的极限》，无不在持续推动人们对环境的认识[27]。《增长的极限》一书警告，资源枯竭和环境污染将限制经济增长[28]。而随后1972年12月7日阿波罗17号航天器上的宇航员拍摄的“蓝色弹珠（The Blue Marble）”图片，向公众突出了地球的整体性，更展现了地球的脆弱性[29-31]。

图2. “蓝色弹珠” | 来源：NASA

在地球系统科学萌芽过程中，J. Lovelock 于1972年引入了盖亚假说，把地球比作一个能够自我调节的、有生命的有机体，即生物和与其相互作用的环境组成了一个整体，并且生物通过内稳态反馈来调节全球环境[32]。尽管这一假说引起了科学辩论和批判[33-34]，但它也产生了一种思考地球的新方式，强调了生物群对全球环境的重大影响、连接地球系统主要组分之间的相互联系以及反馈的重要性[35-37]。

图3. James Lovelock 于2006年出版的《盖亚的复仇: 地球气候危机与人类命运》。更多有关盖亚假说的介绍可参考往期文章：《盖亚假说：地球是一个生命体吗？》

至1980年，在环境保护意识萌芽及几次大规模实地调查的推动下，Vernadsky 进行了开创性的研究，Lovelock 则提出了盖亚假说，这一系列科学发展让人们形成了对地球的新认识，并挑战了我们过去对地球仅有的地球物理认识，改变了我们对环境和自然的看法[16,38]。一门新的科学，一门更正式、更有组织的地球系统科学已准备就绪。

发展历史2：地球系统科学的建立

随着人们对气候变化认识的加深，上世纪80年代的许多研讨会和会议报告都呼吁建立一种新的学科——“地球科学”[39-40]。而这一呼吁的共识则是，若要建立一门新的科学，其必须建立在将地球视为一个整体，即地球系统的基础上。

NASA 将这项新的学科命名为“地球系统科学”。NASA地球系统科学委员会成立于1983年[41]，旨在支持地球观测系统卫星和相关研究，通过相关观测、建模和过程研究，推动地球系统科学定义的不断发展。NASA领导的研究计划还开发了地球系统的视觉表征，其中最著名的是 NASA 的 Bretherton 图（NASA Bretherton Committee diagram，见图4）。Bretherton 图是地球系统的首个系统动力学表征，它通过一系列复杂的作用力和反馈，将物理气候系统和生物地球化学循环耦合。人类通过三种作用力（二氧化碳、污染物排放和土地利用变化）及其相应的影响[42]，构成了一个与地球系统其它部分相连的新的整体（如图4所示，右边粉红色方框表示的人类活动与整个地球系统联系在了一起）。通过将连接地球系统各组分的相互作用的物理、化学和生物过程可视化，并将人类活动理解为地球系统变化的重要驱动力，Bretherton 图涵盖了地球系统科学框架下那些正在迅速发展的领域。

图4. NASA的 Bretherton 地球系统图，是对地球系统及其组分相互作用的经典、简化描述。该图聚焦于地圈和生物圈的相互作用，人类作用则被视为影响地圈-生物圈系统的外力。

基于地球系统科学的目标，各类报告、研讨会和会议都一致认为，地球系统科学应该是跨学科的（因为相互作用并不分学科）和全球性的（因为研究的是全球现象）。虽然地球系统科学已经研究了地球各个组分之间的相互作用，但其重点应是理解物理、化学和生物过程之间的多组分相互作用。对于将地球作为一个整体来研究的地球系统科学来说，多学科融合是个不小的挑战。

1986年，国际科学理事会（International Council for Science，ICSU）成立了国际地圈-生物圈计划 [5,43-45]，并加入了世界气候研究计划（World Climate Research Proramme，WCRP），解决了国际投入和跨学科融合的挑战[46]。国际地圈-生物圈计划最初是为地球系统中生物地球化学方面的一些核心主题构建的：海洋碳循环、陆地生态系统、大气化学、水文循环等。国际地圈-生物圈计划中 PAGES（过往全球变化）和 GAIM（全球分析、综合和建模）两个项目，由于学科融合程度强而备受重视。此外，国际地圈-生物圈计划还专门开展了一个数据和信息系统，尤其针对遥感数据的项目，以支持这项研究。

从以前孤立的过程研究，到研究过程之间的相互作用，以及日益增长的全球尺度的观察、分析和建模[47]，地球系统科学在学科融合下加速发展，促进了从“多学科研究”（interdisciplinary research，指多学科合作解决共同问题）到”学科融合研究“（transdisciplinary research，指随着研究人员合作解决共同问题，学科边界逐渐消失）的转变。地球系统科学具有不同的认识论框架，通过融合不同学科的基本思想和方法来解决高难度的复杂问题。

地球系统科学在20世纪80年代的繁荣也与对全球变化采取行动的政治举措有关。在《布伦特兰报告》（Brundtland Report (1987)）、《我们共同的未来》[48]（ Our Common Future）以及对可持续发展兴趣的推动下，许多人认为国际地圈-生物圈计划要提供与政策更相关的科学知识。对于国际地圈-生物圈计划研究的政策相关性，人们产生了一些分歧[49]。然而，政策上的国际研究工作直到地球系统科学发展的下一个阶段（1990s）才开展。

到20世纪80年代末，跨学科研究方法快速发展，人们对全球变化的认识日益加深，地球系统科学成为一门强有力的学科。

发展历史3：地球系统科学的发展

1990年，国际地圈-生物圈计划正式启动，Bretherton图也被广泛使用，为地球系统科学的持续发展提供了动力。然而，尽管当前人类对资源的消耗极速增长，气候变化带来的影响逐渐显现，但地球系统科学却并不关注这背后的人为因素。一系列研究指出，生态研究对气候变化、生物多样性和更广泛的可持续性十分重要[50-51]。受此影响，国际生物多样性研究计划（DIVERSITAS）于1991年成立，致力于研究全球生物多样性的损失及变化[52]，补充了国际地圈-生物圈计划在陆地和海洋生态系统功能方面研究的缺失。人类的影响导致地球气候改变、氮的固定、生物多样性损失、渔业崩溃，对这些影响的量化使得人们认识到地球被人类所主宰的事实 [53]。

于1996年成立的国际全球环境变化人文因素计划（International Human Dimensions Proramme on Global Environmental change，IHDP），为社会科学研究提供了一个全球平台，探讨了导致地球系统变化的人类影响因素，以及地球系统的变化对人类和社会福祉的影响[54]。包括 WCRP、IGBP、DIVERSITAS 和 IHDP 在内的全球国际研究计划体系给不同学科的国际科学家提供了“工作空间”，让他们能聚集在一起，这对地球系统科学的发展至关重要。在21世纪初，这一整套更完整的全球变化规划与“可持续性”概念的出现[55]，催生出可持续性科学（sustainability science）[56]。

20世纪90年代末，H. J. Schellnhuber 引入并发展了两个对地球系统科学至关重要的概念[57-58]：

1. 自然界和人类文明在行星尺度上的动态协同演化关系；

2. 地球系统共同演化空间中突变域的可能性；

其中，第一个概念将人类动力学完全融合到地球系统的概念框架中（见图5）。第二个概念引入了一种风险，即在人类施加的压力下，被触发的地球系统全球性变化可能是非线性的，是对人类来说如同灭顶之灾般的不可逆突变。事实上，平流层臭氧层空洞的发现就表明，人类已经凭借运气而不是能力，侥幸逃过一劫[59]。

图5.更新后的地球系统概念图，灵感来自原来的 Bretherton 图。该图中，人类（人类圈）被视为一个完全整合的、相互作用的圈层。人类圈的内部动力学被描述为生产/消费核心，受能源系统驱动，受人类社会调控，同时受人类文化、价值观、制度和知识的影响。人类世与地球系统其余组分之间的相互作用是双向的，人类温室气体排放、资源开采和污染物对地圈-生物圈系统产生了深远影响。地球系统其余组分对人类圈的反馈也很重要，包括气候变化和生物圈退化的直接影响，及人类圈内部与地球系统其余组分的心理社会反馈。

在1999-2003年的关键五年中，国际地圈-生物圈计划加快了从单个项目的集合到更为综合的地球系统科学计划的过渡，而1999年的国际地圈-生物圈计划大会则是实现融合的关键。刚刚当选 GAIM 工作组主席的 Schellnhuber 向大会提出建议，希望将人类活动深入融合到地球系统科学中，并强调了地球系统的非线性动力学。大会接受了这一倡议，并于2001年发起了国际地圈-生物圈计划综合项目和一次重大国际会议。这一综合项目随后出版了《全球变化与地球系统》一书[60]，融合了项目内部与外部大量全球变化的研究，为《阿姆斯特丹宣言》（Box 1）提供了科学依据，并有力的支持了人类世这一新概念的研究（Box 2）。

于2001年举办的“地球变化的挑战”国际会议吸引了来自105个国家（其中62个是发展中国家）的1400名与会者。会议由四个国际全球变化计划（IGBP、WCRP、IHDP、DIVERSITAS）共同主办，介绍了国际地圈-生物圈计划综合项目中诞生的《阿姆斯特丹宣言》，并促成了地球系统科学联盟（Earth System Science Partnership，ESSP）的成立，将基础的地球系统科学与对人类福祉息息相关的问题——食物、水、健康和碳/能源——联系起来[61]。2002年成为国际科学理事会（ICSU）主席的 J. Lubchenco 对可持续发展科学的强调促进了地球系统科学和全球可持续发展社区的融合。

这一融合使得国际地圈-生物圈计划将“地球系统”定义为一套相互关联的物理、化学、生物和人类过程，这些过程在系统内以复杂的动态方式循环（传递和转化）物质和能量[60]。这一定义强调了两点：

1. 系统内部的驱动、反馈及生物过程对系统的作用和外部驱动同样重要；

2. 人类活动是系统功能不可或缺的一部分[62]；

1990-2015年这段时间对地球系统科学来说至关重要，因为它从原来的一个具有挑战性的愿景转变为了一门新科学，通过有效融合多学科来帮助我们理解地球的复杂性。

Box 1 《阿姆斯特丹宣言》由 IGBP（Berrien Moore III）、IHDP（Arild Underdal）、WCRP（Peter Lemke）和DIVERSITAS（Michel Loreau）的四位主席2001年在“地球变化的挑战”会议上签署的《阿姆斯特丹宣言》（The Amsterdam declaration），展现了地球系统科学在10年里的关键成果。该宣言的重点是认识到地球是一个系统，在行星尺度上有自己的内在动力学和特性，并且会受到人类活动的影响。该宣言称：

• 地球系统是一个由物理、化学、生物和人类组成的独立的、可自我调节的系统，其各组分之间存在复杂的相互作用和反馈。
• 全球变化是真实的，而且正在发生。人类对地球表面、海洋、海岸和大气以及生物多样性产生的影响，不亚于某些大自然的强大力量。
• 不能用简单的因果关系来理解全球变化。人类活动产生的影响会引起多重复杂的影响，这些影响会使整个地球系统突变。
• 地球系统动力学的特点是存在临界阈值和突变现象。人类活动可能会在无意中引发这种变化，并可能使地球系统转向其他运行模式。这种转变很可能是不可逆的，将危害人类及其它形式的生命。
• 目前地球系统中正发生着巨大的变化，变化的性质、幅度及速度都是前所未有的。地球系统目前处于不可模拟的状态。

基于这些认识，该宣言呼吁建立一个新的全球科学系统。这一宣言巩固了上述四个计划在过去十年中所发展的跨学科方法，而且还超越了环境与发展之间的鸿沟。这份宣言最后呼吁地球系统的学术界与“……所有社会其它部门、民族和文化的人一起，迎接地球变化的挑战。”

发展历史4：地球系统科学的现状

到2015年，地球系统科学已经建成，目前正是处在基于更高学科融合水平，进行组分重组的时候。事实上，IGBP、IHDP 和 DIVERSITAS 在2015年已经被合并到了新的项目“未来地球”（Future Earth）中，而 WCRP 继续与一些国际地圈-生物圈计划核心项目合作，如国际全球大气化学计划（International Global Atmospheric Chemistry）、过往全球变化（PAGES）和地球系统科学联盟全球碳计划（ESSP Global Carbon Project，GCP）。“未来地球”旨在通过研究和创新，促进全球可持续发展。它以早期全球变化计划的研究为基础，从一开始就与政府和私营部门密切合作，共同设计和共同生产新知识，以实现可持续的未来。

现在，大量研究中心将其工作导向地球系统科学和全球可持续性研究，例如：

• 波茨坦气候影响研究所（Potsdam Institute for Climate Impact Research，PIK）
• 美国国家大气研究中心（the US National Center for Atmospheric Research，NCARNCAR）
• 斯德哥尔摩应变中心（Stockholm Resilience Centre，SRC）

• 国际应用系统分析研究所（International Institute for Applied System Analysis，IIASA）

虽然大学保持了传统的按学科划分的院系，但随着对跨学科研究和全球尺度研究的重视，跨学科的地球系统科学也在世界各地的许多大学出现。数字通信革命将这些研究机构和许多其他研究机构联系在一起，形成了一个不断扩大的全球地球系统科学。

二、地球系统科学的工具和方法

支持地球系统科学进化发展、推动科学向前发展的三个相互关联的焦点是：

• 观察与实验：对地球系统变化的观测；
• 模拟地球系统：对地球系统动力学未来的计算机模拟；

• 评价与综合：促进新概念发展的高水平评价和综合；

1、观察与实验

了解地球系统的跨学科研究需要从空间（例如：自上而下和自下而上）和时间（例如：回顾和前瞻）的尺度考虑系统过去和当前的变化。最具代表性的“自上而下”观测是1958年由 C.D. Keeling 于夏威夷莫纳罗亚天文台（Mauna Loa Observatory, Hawaii）启动的大气二氧化碳浓度观测[63]。众所周知的基林曲线（Keeling Curve）展示了二氧化碳浓度的持续增加，这是我们理解人类如何影响气候的基础[64]。

自上而下（Top-down）

太空观测的时空分辨率达到了前所未有的程度，颠覆了我们观测地球的能力，使得我们能够以近乎实时的方式反复、持续观测地球系统。遥感系统能够监测各种各样的过程和指标，包括气候变量、土地覆盖变化、大气成分、地表海洋和城市发展[65-67]，并且快速处理、分析和可视化大量数据，构建引人注目的全球图像，展示了地球系统在行星尺度上结构和功能的变化速度和幅度[30]。

自下而上（Bottom-up）

对地球系统过程“自下而上”的观测能够提供重要见解，但需要先解决地球异质性的挑战。“自下而上”观测中具有代表性的例子是全球海洋观测系统（Global Ocean Observations System，GOOS），该系统围绕许多自动平台（如Argo浮标）建立，不断收集和传输海洋数据。在陆地上，全球长期观测网络（如FLUXNET）测量能量通量和地表与大气之间的气体，以及主要生态系统的土壤生根深度[68]。这些过程级研究补足了遥感探测的不足，提供生成地球系统模式的动力学背后的重要见解。

大规模的观测活动可以将跨学科的研究团队聚集在一起，使得局部观测和实验与行星尺度的观测之间形成一个关键的尺度联系。例如，NASA 的 AGAGE 实验和 NOAA ESRL 的全球监测部门，通过分析二氧化碳等温室气体的增加以及某些破坏臭氧层的气体的稳定性[69]，来追踪40多年来人类活动改变大气成分的过程。对印度次大陆上空进行的亚洲棕色云的研究，测量了大气气溶胶粒子的浓度、季节变化、大气寿命及其在大气环流中传输的情况，可用于评估南亚季风受当地和区域污染物影响的风险[70]。亚马逊大范围生物圈大气研究（LBA）使用了地基探测和遥感探测的方法来研究亚马逊雨林大气-生物圈-水圈的动力学[71]，从而深入了解森林转变为稀树草原的临界点。在海洋方面，地球观测系统计划（GEOSEC programme，1972-1978年）研究了人造地球化学示踪剂（来自核武器的大气试验）在世界海洋中的分布情况，从而推算出了全球海洋中碳循环的时间和模式[72]。

AGAGE：美国宇航局的全球大气实验计划（Advanced Global Atmospheric Gases Experiment）

NOAA  ESRL：美国国家海洋和大气局地球系统研究实验室（NOAA Earth System Research Laboratories）

回顾式（Looking back）

回顾过去的地球系统对于理解现在的地球动力学是很重要的。Vostok 冰芯数据（The Vostok ice core data）[73]显示了第四纪晚期的温度-二氧化碳关系的规律性和同步性，标志着一项重大科学进展。例如，过去间冰期[74]和气候系统的长期动力学研究[75]提供了丰富的背景，无论现代地球系统变化的幅度和速率如何，都可根据这些背景分析地球系统当代的变化。近期的古研究（几十年、几百年和几千年）尤其有助于发现未来的风险。随着人类的作用力不断驱动地球系统发生深刻变化，需要将更早期的时间段纳入模拟，例如，大约5600万年前发生的古新世-始新世极热事件（Palaeocene-Eocene Thermal Maximum，PETM），当时温室气体的快速释放就导致全球气温上升了5-6°C[76]。

前瞻式（Looking ahead）

展望未来，大规模的实验可以探索地球系统组分应对未来人类作用力影响或干预的方式。例如，许多研究测试了铁施肥（iron fertilization）促进海洋从大气中吸收二氧化碳的效果，以将其作为缓解气候变化的策略[77]。在陆地上，自由空气二氧化碳浓缩实验（Free-Air Carbon dioxide Enrichment experiment，FACE）探索了常年在高浓度二氧化碳下的生态系统对未来大气条件的响应[78]，生态系统变暖实验则探索了该生态系统对未来气候的响应[79]。这类研究补充了建模方法和古研究，帮助我们理解地球系统在几十年和几世纪后的演变以及系统变化可能给人类带来的风险。

2、模拟地球系统

数学模型是地球系统科学研究的关键，通常从概念模型或玩具模型入手来阐明地球系统的关键过程、特征或反馈，常需要采用复杂性科学的原理[80-82]。例如，在20世纪60年代，经典的能量平衡模型描述了雪冰反馈（ice-albedo feedback）如何将地球推入另一种“雪球”稳定状态[83-84]。而20世纪80年代的 Daisyworld 模型进一步表明，生命与其环境之间的反馈过程可以影响全球尺度的温度变化[85]。

大气环流模型

更复杂的地球系统模型——大气环流模型（General Circulation Models，GCMs）也随之发展。大气环流模型基于气候系统的物理和化学，包括地球表面（陆地、海洋、冰，以及越来越多的生物圈）与大气之间的能量和物质的交换[86-87]。大气环流受人类温室气体和气溶胶排放影响，通过政府间气候变化专门委员会（ Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的评估，能够预测未来气候可能的发展趋势和影响，为政策和治理提供信息。然而，由于参数化以及忽略或没有充分考虑对反馈过程和地圈与生物圈之间相互作用[88-89]的约束，大气环流模型的长期预测存在相当大的不确定性。此外，大气环流模型并没有将人类影响作为模型中不可分割的、相互作用的一部分，而是将人类的影响视为干扰生物地球物理地球系统的一种外力。

综合评估模型

人类动力学作为综合评估模型（Integrated Assessment Models，IAMs）的领域，通常将复杂程度不同的经济模型与复杂程度经过简化的气候模型耦合在一起[90-93]。综合评估模型有许多用途，例如：模拟特定气候下稳定政策的成本、根据一系列潜在政策探索气候风险和不确定性、确定特定气候目标下的最优政策，并对耦合系统内的反馈提供更全面的见解[94]。此外，综合评估模型还提供了未来温室气体和气溶胶排放情况的关键信息，这些信息可用于大气环流模拟。然而，综合评估模型的经济组分却很少与大气环流模型耦合，未能构建一个完全融合的地球系统模型。早期的一个例子是麻省理工学院综合全球系统模型（MIT Integrated Global System Model），它将一般均衡经济学的可计算模型（computable general equilibrium，CGE）与复杂的大气环流模型耦合[95-96]。

地球系统的中间复杂性模型

探索地球系统的复杂动力学，特别是在长时间尺度上，最强大的工具则是地球系统的中间复杂性模型（Earth system Models of Intermediate Complexity，EMICs）[97]。地球系统的中间复杂性模型包含与大气环流模型相同的主要过程，但它的空间分辨率较低，参数化过程较多，并支持更长的时间尺度模拟。该模型的模拟包含非线性作用力和地球系统各组分之间的反馈。例如，它可以在数十万年的时间尺度上进行模拟，根据古观测的结果进行检验，并探索遥远未来可能的气候[98-99]。总之，大气环流模型、综合评估模型和地球系统的中间复杂性模型为探索不同时空尺度上的地球系统动力学提供了强有效的方法。

地球系统科学中可用的建模工具十分多样，在研究工作中发挥着重要的作用。虽然这些模型以模拟地球系统未来趋势的能力而闻名，但它们也可能是最有价值的知识集成工具：

• 这些模型将我们对单个过程的理解纳入内部一致的框架中；
• 这些模型可以帮助人们产生新的想法和假设；

• 最重要的是，模型-观测的界面是对我们理解地球系统如何工作的最终检验；

3、评估与综合

除了观察和建模外，评估和综合本身也已成为地球系统科学研究的基本工具。综合在基础层面上建立新的知识，产生对科学过程至关重要的新洞见、概念和理解。相比之下，全球评估架构在科学团体和政策部门之间扮演着中间人的角色，根据政策部门的反馈，助推新的研究方向。其中评估最著名的例子是政府间气候变化专门委员会（IPCC），科学明显影响了其政策制定，但政策部门也助推了新的研究方法。例如，IPCC 关于 1.5°C 目标的特别报告中，评估了 1.5°C 和 2°C 目标之间的显著风险和影响差异[100]。该项目是巴黎气候协议的一部分，由政策部门强制执行。IPCC 首次针对性地评估了气候变化对海洋和冰冻圈[101]产生的影响，并首次对基于海洋的缓解备选方案进行了量化[102]。

2001-2005年千禧年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment）是一个记录生物圈状态的综合项目，主要关注人类活动导致的生态系统压力和生物圈未来的可能情况[103]。这种开拓性的跨学科综合直接导致了政府间生物多样性和生态系统服务科学政策[104]平台的构建。该平台在环境、保护和可持续性方面提供了广泛的科学政策接口，并在千禧年生态系统评估后发表了一项重要的评估[104]。

综合也是国际地圈-生物圈计划和其他全球变化研究工作的重要组分[60,105-113]。例如，全球碳项目（Global Carbon Project）提供了年度碳预算，融合了我们在碳循环及其如何受人类活动影响这方面不断增长的知识基础[64]。

三、地球系统科学产生的新概念

人类世

在各种工具和方法的推动下，地球系统科学引入了新的概念和理论，改变了我们对地球系统的理解，认识到人类作为主要因素所产生的影响[53,114-115]。这其中最有影响力的概念是P.  Crutzen 提出的人类世。人类世描述了一个新的地质时代，其中人类是生物圈和气候变化的决定性因素（Box2）。人类世已经成为一个成熟的统一概念，它将气候变化、生物多样性下降、污染和其他环境问题以及高消费、日益加剧的不平等和城市化等社会问题放在同一框架内[116-117]。重要的是，人类世正在为自然科学、社会科学和人文科学的深入融合奠定基础，通过研究其起源及未来可能的发展趋势，促进可持续发展科学的进步[118-119]。

更多人类世的知识请参考往期文章：《人类世：地球上的新主人》

Box 2 人类世

“人类世”一词最初是20世纪80年代初 E. Stoermer 在淡水湖沼研究（freshwater limnology research）的特定背景下提出的。2000年，当这个短语重新被 P.  Crutzen 独立地引入后[139,140]，它在自然科学、社会科学和人文科学领域迅速传播开来。2000年提出的人类世有两层含义。在地质学背景下，Crutzen 提出人类世是地质时间尺度[140]中继全新世之后的一个新时代。与持续11700年且相对稳定的全新世不同，人类世在地球系统的背景下快速发展[60]。这两个定义虽然不完全相同，但有很多共同点[141]。

人类世的主要证据是大加速图（"Great Acceleration" graphs），该图来自国际地圈-生物圈计划综合项目，突出了社会经济和地球系统的未来趋势[60,117,143]；还证明了地球系统从全新世的快速衰退与20世纪中期以来人类事业的爆炸性增长直接相关。尽管这对地球系统科学来说很新奇，但历史学家 J. McNeill 已经对大加速进行了深入的探索[144]。

为了响应 Crutzen（2002）的建议，人类世应正式被纳入地质时间尺度[140]，人类世工作组（Anthropocene Working Group，AWG）于2009年由第四纪地层学小组委员会（Subcommission on Quaternary Stratigraphy，SQS）成立。2019年，经过十年的研究、出版、讨论和激烈辩论，人类世工作组正式决议：将人类世视为由全球边界层型剖面和点（Global boundary Stratotype Section and Point，GSSP）定义的正式年代地层单位，人类世的基准起始日期应为20世纪中期的一个地层标志[145-147]。

在社会科学和人文学科中，人类世被视为一个全新的整体框架，描述了复杂的人类动力学及其与自然系统的相互作用[148]。人类世的概念还引发了不同国家和人民对人类世的不平等责任的重要性的大量讨论。人类世不仅凸显了人类对地质层面的影响[114,149]，还凸显了人类实现全球可持续性的挑战[150]。

图6.作为人类世的主要证据的大加速图，反映了社会经济（a）及地球系统（b）重要指标的演化趋势。| 来源：Steffen W, Broadgate W, Deutsch L, Gaffney O, Ludwig C. The trajectory of the Anthropocene: The Great Acceleration. The Anthropocene Review. 2015;2(1):81-98. doi:10.1177/2053019614564785

临界因素

临界因素是源于地球系统科学的概念。它描述了地球系统重要的非线性特征，有时甚至是不可逆的阈值突变行为[81,120-122]。临界因素包括重要的生物群系，如亚马逊雨林和北方森林，主要的环流系统，如大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation），以及大块冰雪，如格陵兰冰盖（Greenland Ice Sheet）[81]。最后一个例子中出现了一个不断增强的反馈：冰盖融化使得冰盖表面温度升高，从而加速了融化[81]，一旦超过自激的临界点，反馈将导致冰盖发生不可逆转的损失。最近的研究重点在于研究温度、降水模式、海洋和大气环流的变化，并探索这些临界因素间的因果耦合及其导致突变的可能性[122-124]。临界突变的动力学过程能够作为行星尺度的阈值，驱使地球系统从一种状态过渡到另一种状态[125]。对临界因素和突变的研究不仅强调了气候变化与生物圈退化的终极风险，也指出了地球系统作为一个整体表现出的不稳定性[126]。

地球行星边界

最后一个例子是地球行星边界框架，该框架将地球的生物物理学理解（状态、通量、非线性、临界因素[126]）与全球尺度的政策和治理联系起来[127]。地球行星边界框架以共同描述地球系统状态的9个过程（包括气候变化、生物多样性损失、海洋酸化和土地利用变化）为基础，展示了地球系统在保持稳定的、全新世般状态的前提下（即人类的“安全空间”，这种状态是我们所知道的唯一能够支持农业、住所和城市以及复杂人类社会的状态），可以承受的人类活动水平。

当前框架仍是静态的，仅孤立地考虑边界的影响。但下一步将考虑模拟各个边界之间的相互作用，将地球系统的动力学作为一个整体纳入地球行星边界框架。

四、地球系统科学未来的发展方向

地球系统科学起源于20世纪早中期，源于对地球系统性性质的强调，如 Vernadsky 观察到生命对地球的化学和物理性质有很大的影响，以及 Lovelock 和 Margulis 提出的盖亚假说假设地球是一个独立的有机体，可以自我调节并保持体内平衡的反馈。从20世纪80年代的“新地球科学”运动到国际地圈-生物圈计划等国际项目的全球研究工作，地球系统科学发展迅速。观测运动、地球系统模型和周期性综合为科学的发展提供了动力。在21世纪，起源于地球系统科学的“人类世”概念不仅在挑战科学界，也在挑战人类自身。地球系统科学现在面临两个关键的研究挑战：

1. 地球系统的稳定性和恢复力如何？临界突变会产生行星尺度的临界点吗？地球系统中是否存在可能威胁人类未来的状态？

2. 我们如何才能更好地理解人类社会的动力学？地球系统科学对理解或引导人类世的地圈-生物圈-人类圈的融合趋势有什么贡献？

目前，生物地球物理研究界正在努力解决第一个难题，它们研究的问题涉及地球系统的非线性[101,128]，临界点相互作用和突变[123,129]，以及可能的行星尺度阈值和状态转移[125]。然而，第二个挑战需要更大的努力，因为我们对地球系统的理解在很大程度上仍然局限于其生物地球物理成分。而最大的挑战是将社会科学和人文科学中体现的人类动力学与生物物理动力学充分结合起来，最终建立一个真正统一的地球系统科学。图5展示了这一挑战，该图将人类圈、地圈和生物圈作为地球系统中完全融合且相互作用的组分，其中各个领域间的作用和反馈包括涉及人类圈的心理-社会反馈（psycho-social feedbacks）[130]，展现了地球系统作为一个整体的功能。

因此，地球系统科学的人类维度必须远远超出经济模型（综合评估模型），需要融入更深层次的人类特征——即我们的核心价值观，以及我们看待人类与地球系统其他组分关系的方式。这些基本的人类特征是否包含在大规模的计算模型中是很难评估的，但是中等复杂程度的地球系统模型可能会提供第一个尝试这种计算“大融合”的框架。

其它方法也有助于探索地球系统的未来。“复杂适应系统”的概念[80]可以为生物圈的共同演化和人类文化作为社会-生态系统提供理解和模拟的工具[131]。这些方法还可以为制定“人类世”的政策和管理提供重要的指导[132]。尽管人类动力学长期以来被主导地球系统科学的物理观点所忽视，但它对引导系统未来趋势来说至关重要[123,133,134]。

技术在未来对地球系统科学也很重要。高速计算、数字化、大数据、人工智能和机器学习这些技术工具的出现[135]，使我们实时感知、处理和解释大量数据的能力发生了巨大变化。这种新的能力可以加深我们对地球系统关键过程及其相互作用和非线性行为的理解，特别是人类圈对整个地球系统影响的理解。随着这些工具的进一步发展，我们不仅能更多地了解地球，还能更多地了解我们自己、我们的社会和治理体系以及我们的核心价值观和愿望。

然而，要理解人类动力学，需要的不仅仅是技术。21世纪20年代的地球系统科学可以结合不断发展的创新研究和政策理念，提高我们对人类圈的理解。例如，从生物物理维度（例如气候）到社会科学和人文科学，都对地球系统发展趋势的预测提供了非常广泛的视角[90,116,136]。在政策领域，较早的以人为中心的千年发展目标现在已被可持续发展目标所取代。可持续发展目标保留了对发展、公平和其他人类问题的强烈关注，并将其纳入更广泛的地球系统背景之中。在所有新方法中，最具创新性的方法之一是“人类共同家园（Common Home of Humanity）”，它提出地球系统本身的稳定和适应性状态（即美国公共电视网定义的类似全新世的状态）应该在法律上被正式视为全人类的非物质自然遗产[137]。

为了迎接这些挑战，地球系统科学必须更深入地融合各种研究团体的大量研究工具、方法和见解。努力发展地球系统科学背后的根本且不可避免的事实是：人类现在是驱动地球系统演变的主导力量，我们不再是“大星球上的小世界”，而是“小星球上的大世界”[138]。

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地球系统科学读书会

从加拿大极端热浪，到德国的洪灾，从澳大利亚的森林大火，到中国河南的特大暴雨，极端天气已经成为新常态。气候变化正以我们所能感知的态势发生着。2021年诺贝尔物理学奖的一半被授予气象学家真锅淑郎和气象学家克劳斯·哈塞尔曼，“以表彰对地球气候的物理建模、量化变化和可靠地预测全球变暖”，表达了对人类命运的关切，也展现出从复杂系统视角研究地球气候环境的必要性。

集智俱乐部将组织地球系统科学读书会，自2021年12月14日开始，每周二晚上19:00-21:00，持续时间预计 7-8 周，重点探讨近年来系统科学、人工智能等学科为地球系统科学提供的创新研究方法，尤其是统计物理与深度学习在地球系统科学中的应用，共读前沿文献，激发科研灵感。欢迎从事相关研究、对相关领域有浓厚兴趣的探索者报名参与交流。

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