21世纪十大问题

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1、21世纪地球科学研究的十大科学问题 2008年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（CommitteeonGrandResearchQuestionsintheSolid-EarthSciences

2、）。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

3、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。JamesHutton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20

4、0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

5、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，地球表面是由十多个非规则的刚性板块构成

6、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

7、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（Alvarezetal，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（BogardandJohnson，1983）。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。 

8、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