中国科学院院士汪品先: 走出地球系统科学误区 拓宽空间时间视野

  全球变化作为科学问题,是在20世纪80年代追踪人类排放二氧化碳的去处时提出的,经过多年的发展,已经远远超出当年的范围,变为探索地球表层系统运作模式的“地球系统科学”,也带来了我国地球科学从“原料输出型”向“深加工型”转变,从追随、“跻身”到独立思考、追求创新的转型。

  “国内对地球系统科学的认识存在一些误解。”中国科学院院士汪品先认为,应走出地球系统科学误区,拓宽空间时间视野。

  汪品先认为,“各门地球科学加起来,就成为地球系统科学”是最常见的一种误解。在多年来通行的教科书中,很多将“地球系统科学”认为是地球科学各个分支的浓缩。把各个学科放在一起,无疑是件大好事,但这并不是现在所说的地球系统科学。地球系统科学不能光靠加法。

  另外一种误解是把遥感科学或者数值模拟当作“地球系统科学”。遥测遥感是地球系统科学产生的前提,有了遥感技术才有全球的视野。汪品先告诉记者,一位德国科学家把遥感技术的发明比作“第二次哥白尼革命”:第一次依靠望远镜从地球向外看,建立了“日心说”;第二次依靠遥感技术从空间向内看,其结果就是“地球系统科学”。从日本横滨的超级计算机“地球模拟器”,到我国北京在建的“地球系统模拟器”,都是研究地球系统科学的重大设施。不过科学研究手段不等于科学本身,地球系统科学是建立在遥感技术、计算技术和许许多多观测试验基础上的新学科,代表了地球科学集成研究的新方法。

  “这两种误解,都是在原有学科上贴标签,实际上妨碍了地球系统科学的发展。”在他看来,“现在应该是地球科学发展的新阶段。地球系统科学不应当被理解为各门地球科学的叠加,而是探索其圈层相互作用,整合各种学科,将地球作为一个完整系统来研究的学问。地球系统科学先从当代的全球气候变化开始,然后向早期地质年代推进。当前面临的更加艰巨的新任务是将地球表层与地球内部过程连接起来研究。”

  地球各圈层之间存在紧密的联系,地球系统科学是地球科学发展到现在的一种转型,是地球科学发展的大转折。

  地球科学在创立之初是从各个学科分头发展的,而且强调分得越细越好。汪品先认为,“这体现了学科的专业性,在当时没有问题”。随着科学的发展,将地球作为整体、从圈层相互作用着眼的“地球系统科学”发展起来。上世纪80年代,为应对“臭氧洞”“温室效应”的威胁,大气科学界首先发起在全球范围内对碳循环等进行跨越圈层的追踪。

  在时间尺度上,地球系统科学不但横跨圈层,而且穿越时间尺度,将“全球变化”的概念应用于地质演变,在探索圈层相互作用的同时,研究时间和空间不同尺度的变化过程,揭示不同尺度过程的驱动机制和相互关系。“地球系统概念进入地质科学,不仅是全球变化研究圈层相互作用在时间上的延伸,更标志着地质科学进入集成研究的新时期。”汪品先说。

  近年来,科学家发现,全球变化所研究的碳循环和水循环,不仅仅停留在地球表层,地幔里有着大量的水和碳,都在和地球表面的圈层发生相互作用。从地面俯冲下去的板块会改变地幔的成分,从地幔逸出表面的地幔物质也在改变着地球的表圈。这项研究已经成为国际前沿的研究,美国斯隆基金会设立的“深部碳计划”就是一例。

  当然,地球系统过于复杂,科学家把其作为整体进行研究要讲求方法和思路上的创新。比如,大气科学界有人建议,用能量平衡和“最大熵”的方法来整体研究地球这个复杂系统,十分值得注意。汪品先建议:“地球系统的研究,固然依靠观测与模拟的技术进展,但同时也必须要有理论、思路上的创新。三百年前现代科学的产生,关键在于解剖分析;而当代系统科学的发展,又反过来要求整合集成。”

  当前,我们在推动多学科交叉研究中,存在着基础和客观条件双重不足的问题。

  首先,1952年我国的高等教育进行院系调整,各个学校都变成专科学校,学科划分十分严格,学生进入大学学习一个学科以后不可以随便跳到另外一个学科,这与现代地球科学的发展趋势背道而驰。其次,我国的很多科学刊物和学会也比较专业化,缺少跨学科的刊物、学会和书籍等。“要跨越重重阻碍,推动多学科交叉研究,要在正确理解地球系统科学的基础上,推出跨学科书籍,促进学术交流讨论等。”汪品先认为。

  他认为,视野大小决定认知宽度,大的科学要有大的视野和大的实验。在做地球科学研究时也是如此,看问题的视野要大,空间视野、时间视野都要大。大处着眼,小处着手,这才是治学之道。

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