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1、地球系统科学 Earth System Science 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院 刘本培教授 2008. 4,1.课程介绍 2.从传统地球科学到 地球系统科学 3.可持续发展与环境、资 源瓶颈,1.课程介绍,课程特色 21世纪的建设者和领导者为了实现可持续发展的科学发展观，需要以地球系统科学的新地球观从整体上来认识地球并关注当前资源、环境热点问题。 掌握地球系统科学的基本概念、主要内容和研究方法，了解当前进展和热点问题，侧重于多学科之间的交叉渗透和思路启迪,为学生今后从事相关领域的科学研究、教学工作、生产实践或领导岗位奠定基础。 本课程面向我校各个专业的研究生，希望通过课堂多媒体
2、讲课、课堂讨论和课下书刊阅读、网络资源相结合，探索出一条师生良性互动的启发式教学道路。,地球系统科学与可持续发展：课程介绍、地球系统与地球系统科学、地球系统科学发展史、可持续发展与资源环境瓶颈、,2007.4,上海,教学参考书,2. 从传统地球科学到 地球系统科学,2002年10月15日，新中国地质工作50年 暨 地质学会80年纪念大会,地质工作要适应新形势的要求，实现新的战略性转变，建立与社会主义市场经济体系相适应的地质工作体制。 要实现传统地质工作向以“地球系统科学”为核心内容的现代地质工作转变，使地质工作更加紧密地与经济建设和社会发展相结合，更好地为经济社会发展服务。,地球系统,地球科学
3、以整体的地球作为研究对象, 包括自地心至地球外层空间十分广阔的范围,是由固体地球（核幔岩石圈）、流体地球（大气圈、水圈、土壤圈和生物圈）、社会地球（人类作用）和行星地球（太阳系银河系）组成的一个开放的复杂巨系统， 称为地球系统(Earths System)。 地球系统内部存在不同圈层（子系统）之间的相互作用。,地球系统科学,地球系统科学以“地球系统”为研究对象。 地球系统是由一系列相互作用过程，包括地球系统各圈层之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球环境的相互作用联系起来的复杂的非线性多重耦合系统。 这种地球系统的整体观、对三大基本过程相互作用的研究，以及对人类活动
4、影响地球环境的特别关注，使得全球系统科学作为一门全新的集成科学出现在当代国际科学的前沿。,地球系统科学研究史,1983年，钱学森提出建立地球表层学的思想，指出地球表层是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互交叉渗透部位，本身构成一个开放的复杂巨系统。 同年，美国NASA顾问理事会任命一个地球系统科学委员会（Earth System Sciences Committee)的文件中，提到地球系统和地球系统科学两词，提出要把地球的各组成部分与相互作用作为一个系统来研究。 该委员会主席F.P.Bretherton博士组织了一大批国际知名科,学家，详细评述了地学、生物学的现状及存在问题，并于1987年出版Ea
5、rth System Science报告，标志着地球系统科学作为一门独立科学的诞生。报告中提出的一些独特见解得到了国际上有关科学界的赞同。该报告经陈泮勤翻译，于1992年由地震出版社出版。 这样一种眼界和观念的转变，标志着从传统地球科学观念向地球系统科学观念的转变。迄今只有二十年历史。,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年),国务院2006年2月9日发布：根据对基础科学发展具有带动作用，具有良好基础，能充分体现我国优势与特色、有利于大幅度提升我国基础科学的国际地位等原则，我国遴选出8个科学前沿问题。 生命过程的定量研究和系统整合 主要研究基因语言及调控，模式生物学极端环境中的
6、生命特征，生命起源和演化，系统发育与进化生物学等。 凝聚态物质与新效应 主要研究强关联体系、软凝聚态物质，新量子特性凝聚态物质与新效应，超流超导机制，电子结构和多种原激发过程等。 物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律 主要研究粒子物理学前沿基本问题，暗物质和暗能量的本质，宇宙的起源和演化，黑洞及各种天体和结构的形成及演化，太阳活动对地球环境和灾害的影响及其预报等。,核心数学及其在交叉领域的应用 主要研究数学与其他学科相互交叉及在科学研究和实际应用中产生的新的数学问题等。 地球系统过程与资源、环境和灾害效应 主要研究地球系统各圈层的相互作用，地球深部钻探，地球系统中的物理、化学、生物过程及其资源
7、、环境与灾害效应等。 脑科学与认知科学 主要研究脑功能的细胞和分子机理，脑重大疾病的发生发展机理，学习记忆和思维等脑高级认知功能的过程及其神经基础，人脑与计算机对话等。 新物质创造与转化的化学过程。 科学实验与观测方法、技术和设备的创新。,地学范围扩展图,天文学,其他社会科学,与传统地球科学的对比,七大变化 1、思维方式的变化 2、研究目标的变化 3、研究内容的变化 4、研究方式的变化 5、组织形式的变化 6、信息交流的变化 7、方法手段的变化 三个突出 1、突出地球系统的整体性 2、突出信息科学 3、突出地球系统管理科学,1、思维方式的变化,1在以传统学科分化研究为主的基础上，地球系统科学更
8、强调 “系统论”的整体性研究思维，即把地球作为太阳系的一个行星来认识，研究地球各圈层相互作用的结构、演化过程和动力学。,2、研究目标的变化,在时间上，将地球上各个时段发生的各种自然现象进行串联研究，形成一条“了解整个地球系统的过去、现在和预测未来行为”的完整链条。 在空间方面，转向对该现象区域性、全球性的表现、影响、过程与动力学机制的模拟研究（展望全球）。,3、研究内容的变化,过去在以学科为导向研究的同时，出现了以问题为导向的跨学科研究。 研究重点、学科结构也发生了变化，如地质学研究已从“找矿型”向“社会型”转变。,4、研究方式的变化,地球系统科学中以问题为导向的研究，更体现了多学科的交叉渗透
9、。比如气候变化不仅仅是由大气层的内部热力、动力过程所引起，还包括大气圈、水圈、岩石圈、宇宙圈和生物圈（含人类活动）之间相互作用的结果。 多学科综合研究是地球系统科学的一大特征。,5、组织形式的变化,由于地球系统科学的大尺度、综合性的特点，一些重大的地球科学研究的突破，已不是个别的科学团体、个别的国家可以实现的，必须要联合多个分支科学、多个科学团体，甚至多个国家共同攻关。 因此出现了地球科学新的组织形式，即建立国际性合作的研究计划。,国际性研究计划,国际岩石圈计划（ILP)、国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、热带海洋和全球大气(TOGA)、海岸带陆洋相互作用计划(LO
10、ICZ)、全球环境变化国际人文因素计划（IHDP）、国际减灾十年计划（IONDP） 类似研究方向的持续立项： 国际地圈生物圈计划（IGBP，1987；IGBP I ，19901999； IGBP II，20042013） 深海钻探计划（DSDP，19651985)；大洋钻探计划(ODP，19852003；整合大洋钻探计划（IODP，2003 ）,6、信息交流的变化,信息交流已与物质迁移和能量交换一道成为地学现象过程研究的主要问题之一。“人流、物流、信息流”。 地球信息科学这一新概念的出现，标志着在地学范围内形成了由测绘、摄影测量与遥感、地图学、地理信息系统、计算机图象学、卫星定位技术、专家系统
11、技术及现代通讯技术等有机结合的又一跨学科优先研究领域。,7、方法手段的变化,高新技术，特别是空间技术的应用，已能从三维空间动态地探测地球的结构和运动，使地球科学的理论研究以丰富的实测资料为基础。 如现代海洋研究手段、“3S”和超深钻等探测技术、模拟与实验、计算机技术和测试分析等方面方法手段的变化，不仅使地学研究取得第一性资料的质量、效率大大提高，而且会促进新思想和新理论的诞生。,突出地球系统的整体性,地球系统巨系统是由各个子系统所组成。因此，整体与部分是地球系统科学的一对重要范畴，而地球系统科学的着眼点在于考察地球系统的整体性（wholeness)。 地球系统科学的目标：了解整个地球系统的过去
12、、现在及未来的行为。 从自然科学理科研究角度，地球系统科学侧重于研究地球各圈层之间的相互作 用和演化过程的动力学关系探讨。以建立“行星地球统一理论”作为长远的追求目标。,突出信息科学,信息交流（信息科学）已与物质迁移和能量交换（自然科学）一道成为地学现象过程研究的主要问题之一。 运用各种现代方法获取、存贮、处理、显示、传播和应用与地理空间分布有关的海量地学数据。在4个研究步骤中都离不开信息系统。 关注数字地球、“3S”(RS-遥感、GIS -地理信息系统和GPS -全球定位系统)一体化和地球科学定量化的发展。,突出地球系统管理科学,地球系统科学的研究直接为人类可持续发展服务，必然关注减灾、环境
13、保护与治理、资源合理开发利用以及碳循环、水资源、食物链、能源战略、人类前途等问题。 也必然涉及人与人之间的社会地位和法律关系。环保政策的制订、法律程序的执行、不同利益集团之间的关系协调以及开拓海外市场和处理国际关系等方面。 因此，地球系统科学必然要跨越自然科学和社会科学传统鸿沟。,2007.4,上海,张国伟院士，教育部高等学校地球科学教学指导委员会主任。 20世纪60-70年代全球板块构造兴起阶段,中国学者限于历史条件未能作出应有的贡献。当代地球系统科学正处于蓬勃发展期，中国学者应重视。,地球系统科学伙伴计划（ESSP):经典学科的优点嵌入到复杂系统中去，更加重视同其他子系统的相互作用。学科交
14、叉付诸行动不易，培养综合交叉文化。 发展地球系统科学教育（ESS21）：NASA目的，扩大教员、学者群体。,院士报告,地球系统科学伙伴计划,（ESSP） 2001年把四个计划联合形成地球系统科学伙伴计划（ESSP）,进行地球系统的集成研究:系统的结构与功能,系统的变化,以及对全球可持续发展的意义。,国际地圈生物圈计划(IGBP, 1987) 全球环境变化国际人文因素计划(IHDP,1996) 世界气候研究计划(WCRP,1980) 国际生物多样性科学计划(DIVERSITAS,1991),国际地圈生物圈计划(IGBP，1987； IGBP-I，1990-1999; IGBP-II，2004-2
15、013） 核心项目: 地球系统的分析.集成与模拟(AIMES) 全球大洋生态系统动力学(GLOBEC) 全球土地项目(GLP) 国际全球大气化学(IGAC) 综合土地生态系统-大气过程研究(iLEAPS) 综合海洋生物地球化学和生态系统研究(IMBER) 海岸带的陆海相互作用(LOICZ) 古全球变化(PAGES) 海洋表层低层大气研究（SOLAS）,全球变化 研究成果,该书揭示了地球系统的复杂性和相互作用的本质,以及人类活动影响该系统的方式。 全球变化已经超越地球系统过去50万年的自然变率范围;目前正在发生的变化的本质,变化的幅度和速率都是前所未有的。,2001年IGBP科学丛书之四，总结了
16、IGBP及其它有关项目划过去十年来的工作。,全球环境变化国际人文因素计划(IHDP,1996) 核心项目:全球环境变化与人类安全(GECHS) 全球环境变化的制度因素(IDGEC) 工业转型(IT) 土地利用与土地覆盖变化 (LUCC) 海岸带陆海相互作用(LOICZ) 城市化与全球环境变化(UGEC) 全球土地项目,世界气候研究计划 (WCRP,1980,2005-2015),例如GEWEX的观测战略,包括洲际和流域尺度试验以及全球卫星观测。,国际生物多样性科学计划(DIVERSITAS,1991) 第三阶段制订了生物多样性科学的国际框架,2003年命名了三个核心项目: bioDISCOVE
17、RY-发现生物多样性和预测其变化 ecoSERVICES-评估生物多样性变化对生态系统功能和服务的影响 bioSUSTANABILITY-发展生物多样性的保护和可持续利用科学,地球系统概念与 地学各学科的互动,地球系统科学不是地学各分支学科的简单加积,也不会取代各学科的独立发展。 但随着地球系统科学概念的发展,以各子系统为研究对象的各分支学科,更加重视同其它子系统的相互作用-圈层相互作用,尽管这种概念过去就有,有的追溯颇远,但毕竟现在更加强化了。 把经典分析科学的优点嵌入到复杂系统分析中去。,国内高校的响应,中国地质大学（北京）:2005起开设研究生选修课 地球系统科学，本学年起改为春季上课。
18、 中国地质大学（北京）：博士生课程中专门设立:地球系统科学中的岩浆岩岩石学（讲座）。 中国地质大学（武汉）：在原地史古生物教研室基础上成立地球生物学系。在今后5年内，将用地球系统科学和地球生物学的思想，改革现有教材体系。,3. 可持续发展与 环境、资源瓶颈,中国GDP世界排名,2004中国超过1.9万亿美元,位居第六; 2005达到2.2万亿美元,位居第四。 美国高盛公司分析预估：2016年与2035年中国将分别超过日本和美国。,11.7343,4.6712,2.7547,2.1330,2.0463,1.9317,6.4000,单位：万亿美元,2005,高速发展经济的背后,19792003年中
19、国进出口贸易世界排名变化: 出口由第33 4，进口由第24 3(据联合国贸发会议秘书长Rubens Ricupero,04.9.10)。 2003年全球26(36)的钢材、55(50)的水泥、30的煤炭都被中国消耗，而创造的GDP只有世界的4。 中国的需求占世界各类增产部分的比例：粗钢60%、铝50%、石油20%、煤炭30%强、大豆和橡胶50%。（据日本经济学人周刊,04.4.13）。 发电装机容量已据世界第二，但05年23个城市拉闸限电。 高速发展也反映出具有“高耗能、低效应、高污染”和“拼资源、拼环境”的粗放性质！,“十一五”增产节能目标,2005.9.5, 国际咨询工程师联合会(FIDI
20、C), 国家发改委主任马凯提出:把发展循环经济、建设节约型社会、促进可持续发展作为编制“十一五”规划的重要指导原则。 2006.1.2,周大地（国家发改委能源研究所原所长）文章披露: 2010年：人均GDP翻一番（比2000年），单位GDP能耗降低20% （比2005年）。 要求平均每年单位GDP能耗降低4.4% ,国际平均每年下降1.1-1.3%。 需要全社会竖立节能意识，关键在于产业结构调整。转变“重化拉动工业”的传统认识。,中国进入环境高风险阶段,2007 年5月 29日 无锡爆 发太湖 蓝藻 事件,“十一五”开局形势,广东2006上半年GDP增长14.4%. SiO2是大气污染的罪魁，
21、排放量增加意味着空气质量恶化。 COD（化学需氧量）是水污染的祸首，可使江水发黑发臭。,广东先行,2003年广东省与环保总局联合制定国内第一个通过立法实施的“珠江三角洲环境保护规划”, 明确提出“环境优先”。 当时珠三角的环境容量（环境自净能力的指标）已经到了极限，也具备了经济实力。,如何评估？,任重道远,中国标准100微克,广州率先预报灰霾天气,能源消费水平比较,中国能源结构,GDP100万$耗油量指数,经合组织国平均,日本自20世纪70年代起开始 经济转型,发展低能耗的高技术产业,80年代将高能耗企业转移他国,俄罗斯 4倍 中国 11倍,92.2,191.3,254.1,上海交通大学学报（
22、自然科学版），2008，42（3）,19802000，实现了用能源的一倍增长来确保经济总量的翻两番。 但2007至今，连续7年电力消费弹性系数大于1， 即电能消耗的增长幅度大于经济的增长幅度。 这不太正常，引起作者担忧。,中国可持续发展油气战略,200405年，中国石油进口依存度达到47.3%和44.5%。预计06年仍在44。高油价导致进口成本增加1.1万亿元GDP1.0%-1.7%的负面增长。 温家宝（2004.10.7,河内） 节约能源 加大自已油气勘探开发 建立稳定供应渠道 着手建立石油储备 寻找替代能源,中国化石能源潜力,总资源量三次评估: 787.5亿吨(1987) 940.0亿吨(
23、1994) 1041亿吨(2003),探明储量225.9亿吨，探明率为22% 总可采储量110-160亿吨,探明可采储量65亿吨，未来30年内探明储量可增加一倍。,2004,2005,南堡油田,为什麽能在最小的老油田获得新突破？ 过去采用二维地震，地震资料品质差，找不到主攻目标（中浅层）。外方意在深层，钻探虽遇到油，但并未认识到规律。 1995年底评价有效储量134万吨。,2002年收回探矿权后，走精细勘探之路，通过三维地震获得新的认识，查明冀东南堡油田存在4个含油构造，三级油气地质储量(当量)10.2亿吨,其中：探明储量4亿吨。开发时期将50年。 南堡油田储量规模相当于近几年全国年度新增探明
24、石油储量的1/2左右。,普光气田的启迪,川东（万县、达县）为上二叠统生物礁发育带，受“峨眉地裂运动”拉张形成的“台块一台槽”模式所支配，近年川东北宣汉地区发现了普光特大型碳酸盐岩整装气田(探明储量2500108m3)。 点上突破引发前瞻性战略思考，再次推动“大海相”中找油气热潮。有利的古地理、古气候条件是什麽？那里还有类似条件？,普光 气田,石油进口渠道多元化,目前世界第二石油消费国（全球6）,46.4来自中东。面临伊朗核危机和马六甲海峡瓶颈。,中东 中亚（中哈输油管道） 北亚（中俄输油管道支线） 非洲（苏丹） 拉美（委内瑞拉） 等,世界石油储备现状,美国有5个地下岩洞式战略储备基地(7.5亿
25、桶、158天）。日本相当160天。 欧盟国家平均建立了相当于90天进口量的石油储备，德国达到127天。 中国仅有石油系统内部调济原油21.6天。现正在建设大连、黄岛、镇海、舟山储备基地，国家2015年战略目标为90天。 石油储备投资巨大，如我国启动规模800万吨/需200亿元，日常管理费用也高。,海上大型储油库,香港南华早报05.9.9报道: 2005年第四季度将开始给长期储备计划中的第一个石油储备基地(宁波镇海)的油罐装满油。 据“卡特里娜”飓风对美国油气供应的影响，将不采用美国单一的原油战略储备，借鉴欧日的混合储备方式。,上：镇海基地通往舟山基地的海底管道 右：日本大型海上储油库,石油储存
26、“超级船”,浮动生产、储存和装卸船(FPSO)，遍布巴西、西非和东南亚近海。 已有113艘，2011年增加83艘。造船商大都是韩国和日本公司。,中国自行设计建造的浮式生产储油装置船海洋石油113号。 上海外高桥造船有限公司命名交付，现布置在渤海地区。,能源多元化,国际能源机构(IEA)预测油价将继续上涨。中国不可能大幅度提高油气消费比例。 为了保护环境和减少在能源上对外国的依赖，大力转向可再生能源(风能、太阳能、生物燃料-沼气等), 从目前1%增加到2020年的10%15%。 可再生能源法（2006）已建立，将在15年内投资1800亿美元。 水电能源涉及环境保护问题，国内外存在争论。,风电现状
27、,新疆达坂城的大型风电站。 新疆帕米尔山区布伦口乡的小型风电和太阳能设施。 首个百万千瓦风电基地（张北单晶河200兆瓦）奠基开工。发电量4.4亿瓦时/年, 投资16亿元。节约标准煤16.6万吨/年。减排: SiO2 7454吨, NO2 2115吨, CO2 39.5万吨等。 CO 53.6吨。,比较与瓶颈,现状：2006年全球风电装机总量中国排名第6，占3.5%，落后于德、西班牙、美、印和丹麦。 潜力：我国陆上（50米高度）和海上可利用的风力资源都超过5亿千瓦, 远超过水能资源3.78亿千瓦。 规划：2020年风电规模达到3000万千瓦，占全国电能的20。 瓶颈：国外风电机组已达到1.53兆
28、瓦，国内生产仅1兆瓦，大约80设备需要进口。大型风力发电工程建设费用是同等发电量火电工程的一倍。,太阳能,瓶颈：目前太阳能发电成本大约是风能的610倍，是传统煤电的1118倍。 发电原理：光子撞击硅里的电子， 关键在于光伏电池的电转化率（97%需进口。2010后可望供需平衡 。,日本处于国际领先地位：2001发电容量45万千瓦，相当欧洲2倍、美国3倍。 2002太阳能电池产量25.5万千瓦,占全球48.9%,2004占43.6%。 2010计划达到482万千瓦，增长10倍。,万千瓦,2002电池产量,前景光明,太阳能理论能量:150万桶原油/km2/y。 德国学者提出：只要用一种“太阳能聚熱发
29、电”技术（巨型反射镜）覆盖全球0.5%沙漠,就可满足全世界用电需求。形成工业发电规模后，成本可下降到光伏电池的一半。加上综合运用淡化海水和空调作用等措施，成本低于天然气发电（未考虑温室气体）。,2006.1.10, 从事薄膜硅太阳能电池研究的施正荣博士，以无锡尚德光伏公司的19.9亿美元(161亿RMB)资产荣登中国首富。 随着技术进步，少则三年价格可降低一半，2014年将比普通电力更具竞争力。,核能,至2003年底，全世界共有核电反应堆440座，占世界发电总量的16。 法国的核电在全国发电总量中占77.7, 整个欧盟平均为33.3%, 台湾省为26%, 中国大陆只占2.2%。,我国前景,高利
30、润: 毛利润30%远高于电力行业平均盈利水平。 2005:核电站6个/7座压水堆核电机组（浙江秦山1、2、3期，广东大亚湾、岭澳,江苏田湾），装机容量870万千瓦，占全国发电总量2。 2020: 计划达4000万千瓦,占4%5% 。,趋势和瓶颈 刺激地方热情：全国至少16个省市自治区已经开始或计划大力发展。 高额投资: 每100万千瓦需100亿元(RMB)，总计需4000亿元。 昂贵人才培训费: 大亚湾培训1个技术员需10万元，保证了生产安全。 核废料处置: 国内仅有2处可存放轻度和中度放射性核废料最终存放地。现正在通过中德国际合作寻找高放射性核废料最终存放地。,阅读与思考,1, 什麽是地球系统和地球系统科学？ 2，为什么说地球系统科学代表当代地学发展的又一次革命？怎样理解它与传统地球科学之间的关系？ 3, 举亲身经历或分析典型事例，说明地球系统科学与可持续发展/科学发展观之间的密切关系。 4, 如果参加有关中国能源与环境问题的研讨会，你发表什麽意见？,小测验 1,1，请留下你的姓名、学号、专业、导师和现有地学知识基础。 2，对于本课程，我准备（ a,正式选课，参加全过程; b,要拿学分，部分不参加; c,随便选听，不常来）。 3，对本课程的日程内容和教学方式提出建议。,地球系统科学与可持续发展：课程介绍、地球系统与地球系统科学、地球系统科学发展史、可持续发展与资源环境瓶颈、,