21世纪十大问题
萌到你眼炸
721次浏览
2021年02月01日 05:56
最佳经验
本文由作者推荐
菜园小记-在校大学生
21
世纪地球科学研究的十大科学问题
2008
年< br>3
月，美国国家研究理事会发布了研究报告《地球的起源和演化：变化行星的
研究问题》
。
该报告确定了地质学和行星科学
（也称为
“固体地球科学”
）的十大研究问题，
这些问题反映了地球科学在
21
世纪面临的重要科学挑战。
应美国能源部（
DOE
）、国家科学基金会（
NSF）、美国地质调查局（
USGS
）和美国宇
航局（
NASA
）等 的共同要求，美国国家科学院成立了固体地球科学重大研究问题委员会
（
Committee on Grand Research Questions in the Solid-Earth Sci ences
）。该委员会
主要成员来自美国加州大学、犹他大学、哥伦比亚大学、哈佛大学、芝 加哥大学、麻省理工
学院、
马里兰大学、
密歇根大学、乔治梅森大学等。委员会以超脱 各相关机构的任务与使命
的授权，
独立地提出和探讨当今需要研究的地球科学重大问题。
该委员会确定了构成
“重大”
问题的标准，
重大问题需要至少符合以下
3< br>条准则中的
2
条：
①跨越地质学和行星科学各自
学科领域的界限；②涉 及永恒性的问题（如地球和生命起源）
；③与对人类福祉具有重要影
响的现象存在联系。
委员会挑选了涵盖各种空间和时间尺度的问题，
对相关问题进行了遴选，
并在地质学界广泛征 求意见，最后确定了固体地球科学的
10
个重大研究问题。
现 代科学根源于一些与地球和生命起源有关的基本问题。在古希腊学者的一些著作中
对这些重大问题早就有 记录，
对地球科学的产生奠定了基础，
并且许多地学术语都来源于这
些著作。
解答这些问题的分析方法可以追溯到
16
世纪的行星科学和
18
世纪的地质科 学。
也
许近代地质学重大研究问题中的第一个也是最具争议性的一个问题，
来自于人们 对沉积岩石
的观测。
James Hutton
根据沉积岩层的厚度、变化特征、结构 以及岩层内的化石推断，地
球应该非常古老（
Hutton
，
1788
）。地球的年龄成为当时最重大的问题。但是直到约
200
年以后，
人类认识到物质 是由包含原子核的原子构成的，
以及部分原子核不稳定而会发生衰
变，这才使得地质年代表的建 立成为可能。对地球年龄（
45.5
亿年）的首次准确测量是在
20
世纪50
年代中期（
Patterson
，
1956
），这是建立地 球、生命和宇宙的年代表的重要一
步。
直到
20
世纪
60
年代，地质科学几乎完全建立在对大陆上岩石和地形的研究上，对海
底几乎没有了 解。
这种以大陆为中心的观点，
以及主要研究集中在矿产与水资源和古生物发
现方面， 对
20
世纪早期的重大研究问题产生深远的影响。当时的重大研究问题是：火山、
山脉 和沉积盆地是如何形成的？矿床和油藏为何形成于其所在的特定地点以及是何时形成
的？山脉的隆起和侵 蚀的速率有多快？为什么
5
亿年前化石首次变得丰富？以及是什么引
发冰期和地震？另 一个迫切需要回答的问题是：
为什么南美洲和非洲的大西洋海岸线看起来
非常相似，它们可能是 曾经连接在一起的两部分。
这些在
20
世纪中叶存在的表面上 看起来毫无联系的重大问题，
随着板块构造理论的出
现被很好地组织和联系在一起。
在
1963~1968
年仅仅
5
年时间里，
在对海底地磁和海底深度< br>的首次观测结果的巨大刺激下，
一幅行星地球的动力学行为的图像被绘就。
由此推测，< br>地球
表面是由十多个非规则的刚性板块构成的，
这些板块每年移动几个厘米，
地 震、
火山和山脉
位于板块的边界。板块运动与地球深部全球尺度的固态对流联系在一起，这种观 点是
10
年
前大多数地质学家不敢想像的。
板块构造 模型，包括与其相应的地幔对流、海底扩张以及大陆漂移，不仅可以解释地
震、
火山和山脉的格 局，
而且最终可以提供关于大陆和海洋的产生、
地球气候在地质历史上
的演化、
影响地质演化的过程等的可能机理。
到
20
世纪
60
年代这一分界 性时代结束，
美国
宇航员首次登上月球，
他们带回了与地球有很大不同的其他行星的岩 石样品，
这提供了认识
其他星体的机会。
这种新的视角将地球科学研究引入当代时期，
科学家们将地球作为一个行
星来认识，并将其结构、历史和特征与其他行星进行比较。
在
1980
年，另外一个突破来自
6500
万年以前地 球被一个大的陨星撞击的证据，这次
撞击可能导致当时地球上恐龙和其他生物的灭绝（
Alva rez et al
，
1980
）。在随后的几年
时间中，就在地球上发现了 一些来自火星的陨石（
Bogard
and
Johnson
，
1 983
）。开始于研
究地球和月球上的撞击坑的这两个方面的发展，
强调了这样一个观 点，
即科学家必须将地球
放在其天文学范畴来进行认识，
例如，
生命演化可能 会被不速的地外物体或来自太阳系其他
行星的物体输入而中断。
在过去
20
多年，地球科学发生持续变化。技术方面的重大进步使得科学家可以在大和
小两个 尺度上更好地对地球进行观测，
同时对行星的持续探测和先进计算方面也有贡献。
现
在 我们可以看到矿物里面并区分出单个的原子、测量极端温压条件下地球内部岩石的性质、
实时观测大陆漂 移和山脉隆升、
理解有机体如何进化以及有机体如何基于它们的
DNA
与地球
相互作用。
也能从陨石获取新的信息，
其可以告诉行星是如何形成的，
甚至星体内部是 如何
运动变化的。
在新工具的武装下，
地球科学已转向更深度的基本问题——地球起源 ；
生命起
源；行星的结构与动力学；生命、气候与地球内部的联系；以及未来地球将如何承载人 类。
以下是固体地球科学的
10
大研究问题，
这些研 究问题可以归为
4
大类主题：
①
“起源”
——地球与太阳系其他行星 的起源，地球的早期历史，生命起源；②“运行”——地球内部
的运行与地表的现状，
包括地球 的物质特性及其对地球过程的基础作用；
③地表环境的
“可
居住性”
——气候 与气候变化，
地球－生命相互作用；
④
“地质灾害与地球资源”
——地震、< br>火山，以及与地球内、地球上的水和其他流体相关的现代环境问题。
一、地球和其他行星是如何形成的？
太阳系具有奇特的几何形态和拥有 各种各样的行星和卫星。随着人类利用太空船获得
新的观测资料和对陨星更精确的测量，
太阳系 呈现出一些更为细致和迷人问题。
尽管科学家
普遍认为，
太阳和行星都来自于同一片星 云，
但对地球如何获得其独特的化学组成却知之甚