时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景(2020-2030）

目目录

中文版序前言

概要1

优先科学问题1

基础设施与设备3

合作伙伴关系8

地球科学十年愿景9

第1章导言11

1.1美国国家科学基金会地球科学部和地球科学处13

1.2研究缘由16

1.3委员会的程序17

1.4以往的十年调查18

参考文献20

第2章优先科学问题21

2.1选择问题的方法21

2.2优先科学问题23

2.3研究的推广58

2.4科学问题和基础设施的联系58

参考文献59

第3章基础设施与设备76

3.1基础设施的类型77

3.2现有的基础设施78

3.3当前基础设施和优先科学问题之间的联系90

3.4评价、评估并确定优先级92

3.5未来基础设施需求93

3.6对可能新举措的建议102

3.7关于信息基础设施和人力资源的结论与建议112

参考文献117

第4章合作伙伴关系122

4.1NSF内部的合作关系123

4.2与其他联邦机构的合作关系129

4.3结论性意见136

参考文献136

第5章地球科学十年愿景138

英文缩写140

译者后记147

概要

 从地球初始到现今，从地核到大气，从微生物与岩石的相互作用到造山运动的热对流及板块构造，地球系统各组成部分以人类意想不到的方式相互联系与作用。虽然探索这些联系的过程本身很有趣，也具有很高的学术价值，但研究的紧迫性在于我们亟需理解怎样才能保持人类文明和生物多样性的可持续发展。过去十年，地球科学家把地球视为一个整体，在理论、技术、计算和观测方面取得了进展。展望未来，人类探索地球的步伐将不断加快。

 美国国家科学基金会（ NSF）地球科学处（ EAR）是美国资助地球科学研究的主要联邦机构，致力于推动美国基础科学的进步，让公众更好地理解地球科学对社会的价值。EAR资助的研究项目类型多样，包括基于个体研究者的研究项目、多位研究者的合作项目、设施的投资，以及 NSF下属的地球科学部（GEO）［包括 EAR、海洋科学处（ OCE）、大气与地球空间科学处（ AGS），以及极地项目办公室（OPP）］各部门提议的项目等。在跨领域方面，EAR还与 NSF其他部门、其他联邦机构或国际机构开展合作，为地球科学家提供必要的研究支持和基础设施建设。

 2018年，EAR邀请美国国家科学院、工程院和医学院（ NASEM）下属的地球科学与资源委员会共同开展了一项“十年调查”，旨在为未来地球科学研究的优先事项、基础设施建设和合作关系等给予指导（完整的任务说明见专栏 1-1）。本报告是这些任务成果的展示，阐述了令人信服和充满活力的地球科学研究愿景。

 优先科学问题

 委员会的*要任务是明确优先科学问题，从而指导 EAR未来的工作。一个重要的考虑是：所确定的科学问题要能代表地球科学界广泛多样的研究兴趣。委员会通过网络问卷调查、内部研讨、同行访谈、学术咨询，以及对业内报告和科学论文进行全面的文献综述等多种渠道，了解到社会各界人士对地球科学的研究方向、基础设施、合作关系和培训等方面的意见建议，从而确保未来地球科学研究具有活力并能可持续发展。基于上述工作，委员会确定了 12个能够展现地质年代的重要性、地球表层与深部之间的联系、地球与生物的协同演化、人类活动的影响，以及其他具有现实意义的优先科学问题。按照从地核到大气的空间顺序，这些问题如下所示：

 1. 地球内部磁场是如何产生的？

 了解地磁发电机随时间变化的能量来源和控制其变化速率的因素，对于认识从地球内部到大气层的相互作用，以及地磁场对人类活动的影响至关重要。

 2. 板块构造运动何时、为何及如何启动？

 板块构造产生并改变着大陆、海洋和大气。但对于板块构造何时在地球上出现，为什么发生在地球而不是其他行星上，以及板块构造随时间会如何发展变化，目前人们仍然缺乏基本的认识。

 3. 关键元素在地球上如何分布与循环？

 关键元素的循环对地质过程至关重要。它为生命创造了适宜条件，并为人类现代文明提供了必要的物质基础。然而，地球内部这些元素如何在不同的时空尺度上进行运移，仍是需要研究的基本问题。

 4. 什么是地震？

 地震破裂是一个复杂的过程。地球以各种方式和不同的速率发生变形，促使地球科学家重新思考地震的本质及其驱动力。

 5. 火山活动的驱动力是什么？

 火山喷发对人类、大气圈、水圈和地球系统都有着重大影响，因此，迫切需要对岩浆在全球不同环境下的形成、上涌和喷发机理，以及火山系统在整个地质历史时期的运行方式等基础问题开展研究。

 6. 地形变化的原因和后果是什么？

 新的测量技术可以揭示从地质时间尺度到人类时间尺度的地形变化，并有助于探究地球深部与地表之间的内在联系，应对地质灾害、资源和气候变化等紧迫的社会挑战。

 7. 关键带如何影响气候？

 地球的活性皮肤（ reactive skin）——关键带影响着陆地与大气之间的水汽、地下水、能量和气体的交换。它对气候的响应与反馈是理解地球系统以及应对全球变化的重要组成部分。

 8. 地球的过去对气候系统动力学有什么启示？

 地球历史上长期和快速的环境变化留下了证据，提供了与现代气候变化进行比较的关键基准，有助于阐明地球系统动力学，了解气候变化的幅度和速率，并在预测未来气候变化方面发挥关键作用。

 9. 地球的水循环是如何变化的？

 要理解水循环当前和未来的变化，需要从根本上理解陆地水循环系统，以及水循环与其他物理、生物和化学过程相互作用的方式。

 10.生物地球化学循环是如何进行的？

 生物的长期作用影响着岩石矿物的形成与风化、碳循环以及我们所呼吸的空气成分。为了量化生物的这些作用，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？

 生物多样性是地球的一个重要特征，但人类尚未完全了解它的形成过程。我们需要研究生物多样性随时间、环境、地理位置的变化而发生变化的方式及原因，特别是像生物大灭绝这样的重大地质事件。

 12.地球科学研究如何降低地质灾害的风险与损失？

 地质灾害的量化和预测分析对于降低灾害风险和不利影响、保护人民生命和财产安全，以及保护基础设施至关重要。

 这 12个问题凸显了地球过程相互关联的本质。可将这些*立的研究问题概括为以下几点：*先，地球是一个活跃、动态、开放的系统，所有组成部分彼此相互作用并共同塑造着地球的形态；其次，复杂的地质、地球化学、地球物理和生物演化进程，在广阔的时空尺度上调控着地球系统的相互作用；昀后，将地球视为一个整体系统（包括人类作为新的地质营力），认识它现今以及过去的演化过程，对于预测自然与人为的变化将如何影响人类社会至关重要。为应对这些优先科学问题，EAR需要在核心学科项目持续投入，并在个体研究和大型项目之间保持一种平衡。

 基础设施与设备

 未来对地球及其组成物质的观测，要比以往任何时候都更加依赖于对新兴技术、数据分析及科研基础设施的整合。支持 EAR研究所需要的基础设施主要包括：观测和测量仪器，收集、分析和归档信息的软件，模拟地球系统过程的信息基础设施，以及开发、维护和操作仪器及软件所需的专业技能。本报告介绍了 EAR目前资助的研究人员所使用的基础设施，以及未来为解决上述优先科学问题所需要的基础设施。

 EAR已资助了 30套多用户设备，为地球科学界提供了基础设施和专业技术。对于大型设施，除了提供仪器设备、信息基础设施，还要结合培训工作，为研究人员提供帮助；对于大多数小型设施，强调的是基于仪器或基于信息的基础设施。委员会发现， EAR现在提供的基础设施设备与未来要解决的优先科学问题所需的基础设施之间存在密切联系（见表 S-1）。此外，EAR研究人员使用的一系列设备也得到了 GEO各部门、 NSF其他部门和其他联邦政府机构的支持。

 未来十年，需要一系列仪器、设施和专业技能来充分地研究这些优先科学问题。不断改进的基础设施，如地震和大地测量装置、可快速响应和部署的仪器、适用于不同环境条件的实验室设备，以及可获得地球历史上火成岩/变质岩/构造过程高质量记录的高端实验分析仪器（如高精度的地质年代学仪器）等，可以在更高的时空分辨率上观测与监测当前的地质过程，对地核与地磁、板块构造、关键元素、地震、火山等研究有极大的帮助。

 对于地形、关键带、气候、水循环和地质灾害等问题，需要的数据和技术手段包括：能够监测变化的高分辨率数据和长期测量数据；对物质性质进行地下表征；用于研究过程的长期观测站与实验流域；降水和径流监测站；用于记录水、固体通量及其驱动因素，以及水汽、气体和溶质含量的野外仪器；基于卫星的观测数据；对地质年代和地质过程速率的量化；古环境代用指标的测量分析。

 对于生物多样性和生物地球化学循环相关的问题，其研究进展取决于时空约束条件下的古生物学、地球化学、基因组学、地层学和沉积学记录，精确的地质年代学，以及对环境代用指标过程的理解。

 所有这些问题都要求在高性能计算、改进建模能力、加强数据管理和标准化，以及用于整合不同类型记录的信息基础设施等方面取得进展。

 为了对 EAR支持下的基础设施进行更透明的评估，委员会鼓励 EAR建立一套指标体系，能够用来评估从单个设备到整个 EAR基础设施组合的效益和影响。

 建议：按照制定的标准对 EAR支持的设备和基础设施组合开展定期评估，以便确定未来基础设施的资助优先次序，根据需要停用一些设施，从而适应不断变化的优先科学问题。

 表 S-1 优先科学问题与现有基础设施与设备之间的关系

 **列缩写： SAGE：促进地球科学发展的地震设施； GAGE：促进地球科学发展的大地测量设施；IRM：岩石磁学研究所；ISC：国际地震研究中心；CMT：全球矩心矩张量计划；GSECARS：地球-土壤-环境先进辐射源中心；COMPRES：地球科学物质性质研究联盟； PRIME：普渡大学稀有同位素实验室；Wisc SIMS：威斯康星大学二次离子质谱实验室；UCLA SIMS：加州大学洛杉矶分校二次离子质谱实验室； ASU SIMS：亚利桑那州立大学二次离子质谱实验室； NENIMF：东北国立大学离子微探针设备； ALC：亚利桑那州激光测年中心；CSDCO：大陆科学钻探协调办公室；LacCore：国家湖泊岩心设施； ICDP：国际大陆科学钻探计划；NCALM：国家航空激光测绘中心；CTEMPS：环境变化监测项目中心； UTCT：得克萨斯大学高分辨率计算机 X射线断层成像设备；NanoEarth：弗吉尼亚理工大学国家地球与环境纳米技术基础设施中心；IEDA：跨学科地球数据联盟；CSDMS：地表动力学建模系统；CUAHSI：水文科学发展大学联盟； CIG：地球动力学计算基础设施；OpenTopo：开放地形高分辨率数据及工具设施；MagIC：磁学信息联盟；Neotoma：纽托马古生态学数据库； Open Core Data：开放岩心数据库； Alpha- MELTS：一个硅酸岩系统热力学软件；GMT：通用制图工具。

 注：报告中优先科学问题列在表的上方，现有的基础设施与设备列在表的左侧。彩色方块表示能支持解决优先科学问题的设施，彩色圆圈表示与优先科学问题相关的设施。该表的依据来自于设施提供的相关描述、NSF的资助摘要，以及学界意见调查表。

 举措建议

 委员会就 EAR和地球科学界可能会考虑的新举措提出了一些建议。之所以选择这些举措，是因为它们为优先科学问题研究带来了变革的潜力，同时解决了现有基础设施与所需基础设施之间的差距。所有这些举措都来自 EAR研究人员的研讨、同行意见、学界白皮书或报告，以及公开会议上的演讲。

 在多年来学界的参与和支持下（通过编写白皮书、对之前的业内报告的认可和向 NSF提出建议等方式），下列举措得以顺利推进，如创建国家地质年代学联盟、建立近地表地球物理中心、为美国的超大型多面顶压机（ multi-anvil press）用户设施提供资金支持等。此外，俯冲带四维研究（ SZ4D）计划近年来也得到了学术界的大力支持，包括一个受 NSF资助的大型研讨会和三个研究协调网络（ RCNs）。对于下文讨论的其他计划，如大陆科学钻探、建立地球档案和大陆关键带研究，学界都不同程度地参与了方案的制定。为进一步推动这些工作，地球科学界需要通过研讨会、白皮书和协调机制（例如 RCNs）等开展更广泛的交流。

 委员会认为，无论如何都不能以牺牲 EAR核心学科为代价来实现这些计划。自 2010年以来， EAR的年度预算基本保持不变，但受通货膨胀等因素的影响，其实际价值有所下降。如果 EAR的预算继续下降，那么要实现本报告所强调的计划将极具挑战性。

 建议：EAR应该资助国家地质年代学联盟。对地质过程的年龄和速率进行更准确的测定，对于当前和未来的地球科学研究至关重要。地质年代学联盟将更好地支持 EAR研究人员，同时通过开发变革性的新仪器、新技术和新方法来促进科学发现。

 建议：EAR应该资助超大型多面顶压机用户设施。定量研究岩石、矿物和熔体的物理和力学性质是 EAR研究的基石。然而，美国目前仍然缺乏合**样品以及开展关键物理特性和变形实验所需的一些技术。适当的资助将促