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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點(diǎn),為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康,率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地,率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù),率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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朱日祥:我國(guó)地球與行星系統(tǒng)科學(xué)研究正處于“突破的前夜”

2025-05-30 中國(guó)科學(xué)報(bào) 胡珉琦
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語(yǔ)音播報(bào)

自然災(zāi)害頻發(fā)、極端天氣接連出現(xiàn)、全球氣候變暖……即便是普通人也會(huì)關(guān)注未來地球究竟會(huì)如何演化,我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)地球系統(tǒng)的變化。而對(duì)科學(xué)家來說,想要回答這些問題,需要“探索宇宙,理解地球,用好地球”。

地球科學(xué)是一門既研究過去、闡述地球演化歷史,又面向未來,為人類可持續(xù)發(fā)展提供解決方案的基礎(chǔ)性、綜合性、系統(tǒng)性科學(xué)。最近10年,尤其是近5年來,地球科學(xué)研究正快速轉(zhuǎn)型。那么,地球科學(xué)前沿問題究竟是什么?科學(xué)家要如何從交叉與融合中獲得科學(xué)原創(chuàng)?

當(dāng)前,正是中國(guó)地球科學(xué)整體走向國(guó)際引領(lǐng)地位的關(guān)鍵時(shí)期,也是在全球性資源能源研究、環(huán)境治理與災(zāi)害防治等重大課題方面,為全人類貢獻(xiàn)更多原創(chuàng)性成果的難得機(jī)遇。為此,我國(guó)地球科學(xué)的學(xué)科發(fā)展又該如何布局,優(yōu)先發(fā)展哪些方向?

發(fā)揮學(xué)術(shù)引領(lǐng)作用、組織開展學(xué)科戰(zhàn)略研究、促進(jìn)地球科學(xué)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展一直是中國(guó)科學(xué)院地學(xué)部(以下簡(jiǎn)稱地學(xué)部)院士們的重要職責(zé)。圍繞這些問題,《中國(guó)科學(xué)報(bào)》專訪了地學(xué)部常委會(huì)主任朱日祥。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》過去5到10年間,地球科學(xué)領(lǐng)域最大的突破和轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在哪些方面?目前,中國(guó)在這些方面的研究處于怎樣的水平?

朱日祥:過去10年間,地球科學(xué)最大的突破是逐步從傳統(tǒng)地球科學(xué)向地球與行星系統(tǒng)科學(xué)的轉(zhuǎn)變,近5年尤為突出。

地球系統(tǒng)科學(xué)概念雖于20世紀(jì)80年代中期提出,但實(shí)際上可以把20世紀(jì)60年代板塊構(gòu)造研究看作“固體地球系統(tǒng)科學(xué)”的開端,而20世紀(jì)80年代開始的全球變化研究則是典型的“表層地球系統(tǒng)科學(xué)”研究。此前兩類研究缺乏交叉協(xié)同,致使學(xué)科發(fā)展及解決社會(huì)需求遇到瓶頸,因?yàn)榄h(huán)境、資源和災(zāi)害問題均為固體與表層地球系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。這使科學(xué)界深刻意識(shí)到,必須把地球固體和流體圈層看作一個(gè)整體來研究,才能解決人類和國(guó)家面臨的重大需求。此理念轉(zhuǎn)變助力近10年地球科學(xué)在資源、環(huán)境和災(zāi)害問題上發(fā)揮巨大作用,極大提高了人類社會(huì)發(fā)展的可持續(xù)性。

當(dāng)然,今天我們離真正打通深時(shí)隧道、跨越地球與行星多圈層科學(xué)研究還有一定距離,但相關(guān)研究已成為國(guó)際地球科學(xué)領(lǐng)域爭(zhēng)相搶奪的學(xué)術(shù)制高點(diǎn)。

改革開放40多年間,我國(guó)地球科學(xué)發(fā)展迅猛,已整體進(jìn)入國(guó)際第一方陣。近10年來,我國(guó)的許多研究,如克拉通破壞與資源能源效應(yīng)、陸地生命演化、季風(fēng)-干旱系統(tǒng)演變、青藏高原、邊緣海形成與演化等,可以說達(dá)到了國(guó)際引領(lǐng)水平。近5年來,我國(guó)在打通時(shí)間尺度、跨越地球固體-流體圈層的地球系統(tǒng)科學(xué)研究方面絲毫不遜色于國(guó)際學(xué)術(shù)界,取得了一批非常重要的成果,在不少方面引領(lǐng)了國(guó)際同類研究的發(fā)展趨勢(shì)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》大數(shù)據(jù)、人工智能(AI)如何與傳統(tǒng)地球科學(xué)研究方法深度融合,從而推動(dòng)學(xué)科發(fā)展?

朱日祥:打通深時(shí)隧道、跨越地球與行星多圈層研究面對(duì)的是巨復(fù)雜系統(tǒng),要求科學(xué)范式變革。從方法學(xué)層面講,大數(shù)據(jù)和AI的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)地球科學(xué)范式變革、促進(jìn)學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵之一。

目前,大數(shù)據(jù)和AI在地球科學(xué)的許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用,因?yàn)閭鹘y(tǒng)地球與行星科學(xué)依賴觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,但面臨數(shù)據(jù)異構(gòu)、計(jì)算成本高和復(fù)雜系統(tǒng)存在不確定性等挑戰(zhàn),而AI技術(shù)能夠高效處理多源數(shù)據(jù),挖掘隱藏規(guī)律,并優(yōu)化或替代部分物理模型。這方面已經(jīng)有很多例子,比如在資源能源勘探開發(fā)領(lǐng)域,深度學(xué)習(xí)可自動(dòng)識(shí)別衛(wèi)星影像中的礦化帶,提高填圖效率;在地震監(jiān)測(cè)中,AI技術(shù)能直接從波形數(shù)據(jù)檢測(cè)微震事件;在氣候預(yù)測(cè)方面,AI技術(shù)已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)高精度天氣預(yù)報(bào)。

隨著深地專項(xiàng)的實(shí)施,如何從海量大數(shù)據(jù)中創(chuàng)新地球科學(xué)理論是地球科學(xué)在AI新時(shí)代面臨的重大挑戰(zhàn)。利用AI創(chuàng)新解決學(xué)科發(fā)展與數(shù)據(jù)處理技術(shù)涉及的基礎(chǔ)理論問題,是避免我國(guó)地球科學(xué)陷入“原材料出口國(guó)”的有效途徑。

值得指出的是,AI技術(shù)不是萬(wàn)能的。在未來地球科學(xué)的發(fā)展中,海量數(shù)據(jù)的整合與管理、關(guān)鍵新數(shù)據(jù)的獲取、耦合固體-流體-人類圈層過程AI模型的發(fā)展必須齊頭并進(jìn),才能真正占領(lǐng)未來地球科學(xué)的方法學(xué)制高點(diǎn)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》在未來空間探索,應(yīng)對(duì)全球氣候變化、能源革命,以及防災(zāi)減災(zāi)等國(guó)家重大需求下,我國(guó)的地球科學(xué)如何優(yōu)化布局?哪些領(lǐng)域方向是未來10年的戰(zhàn)略重點(diǎn)?對(duì)中國(guó)而言存在哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)?

朱日祥:跨越不同時(shí)間尺度、整合地球固體-流體圈層的地球系統(tǒng)科學(xué)研究不僅是未來地學(xué)基礎(chǔ)理論的突破口,還對(duì)滿足深空探測(cè),應(yīng)對(duì)全球氣候變化、能源革命及防災(zāi)減災(zāi)等國(guó)家重大需求至關(guān)重要。比如,深空探測(cè)的重要目標(biāo)之一就是研究行星宜居性的演化及生命起源等問題,而對(duì)早期地球系統(tǒng)的研究是解決上述問題的關(guān)鍵。又比如,太陽(yáng)系的火星、金星和地球在形成初期非常相似,但后來卻“分道揚(yáng)鑣”,其原因還是科學(xué)的未解之謎。

就應(yīng)對(duì)氣候變化來講,目前在我們認(rèn)知框架的頂層邏輯起點(diǎn)上,有一些科學(xué)問題并未根本解決,需要從耦合行星-地球固體-流體圈層的系統(tǒng)過程開展研究。比如,我們僅研究地球表層和流體圈層碳元素的循環(huán)是不能從根本上解決大氣二氧化碳演化問題的,因?yàn)樾行桥c地球系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)互相牽制、聯(lián)動(dòng)。又比如,如果我們不能回答地球上為什么會(huì)有冰期,就不能說很好地了解了地球的氣候系統(tǒng),自然也不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來。從地球演化的角度講,人類排放的二氧化碳對(duì)地球氣候系統(tǒng)僅僅是短暫的擾動(dòng)。其實(shí)大氣和海洋的碳含量?jī)H占地球系統(tǒng)可循環(huán)碳的1%~5%,研究氣候系統(tǒng)不能忽略地球內(nèi)部95%~99%的碳。我們對(duì)地球碳循環(huán)過程、機(jī)制及其演化還缺乏精準(zhǔn)認(rèn)識(shí),這是“碳中和”面臨的理論挑戰(zhàn)之一。

我國(guó)在地球與行星系統(tǒng)研究領(lǐng)域已經(jīng)有非常好的基礎(chǔ),目前可以說處于“突破的前夜”。未來應(yīng)該在研究范式變革的基礎(chǔ)上,強(qiáng)化打通時(shí)間尺度、跨越多圈層的科學(xué)理念,繼續(xù)加大支持力度,有望使中國(guó)的地球科學(xué)整體上處于國(guó)際引領(lǐng)地位。換句話說,以地球與行星系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)理論突破為先導(dǎo),帶動(dòng)資源能源、環(huán)境和災(zāi)害研究的突破,應(yīng)當(dāng)是未來研究布局的核心所在。具體而言,流體/揮發(fā)分是地球與行星的血液,它不僅將物質(zhì)、能量的傳遞與大規(guī)模構(gòu)造變形聯(lián)系起來,而且控制著人類所需資源能源的形成與富集,地球上現(xiàn)有的礦物中有2/3是在生命出現(xiàn)之后形成的,從地球與行星系統(tǒng)的角度研究戰(zhàn)略性大宗與稀有礦產(chǎn)資源的形成機(jī)制,是回應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略需求最重要的前沿科學(xué)問題。

當(dāng)然,我們也面臨一系列挑戰(zhàn),包括基礎(chǔ)研究的投入需要加大、跨學(xué)科人才依然短缺等。未來10年,我們應(yīng)以前所未有的力度加強(qiáng)對(duì)地球與行星系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)研究的投入和支持,克服功利主義,提升跨學(xué)科人才培養(yǎng)力度。在目前的國(guó)際學(xué)術(shù)態(tài)勢(shì)下,這是中國(guó)地球科學(xué)整體走向引領(lǐng)國(guó)際學(xué)術(shù)前沿,為解決人類資源能源問題以及災(zāi)害防治問題等作出更多原創(chuàng)性貢獻(xiàn)的難得機(jī)遇。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》近年來,地學(xué)部十分關(guān)注新興交叉學(xué)科中的前沿科學(xué)問題和傳統(tǒng)學(xué)科中新的增長(zhǎng)點(diǎn)。地學(xué)部具體是如何開展這些前沿交叉研判項(xiàng)目的,在這個(gè)過程中如何體現(xiàn)學(xué)術(shù)引領(lǐng)的作用?

朱日祥:這些年,地學(xué)部部署了一系列前沿交叉研判項(xiàng)目,重點(diǎn)研究尚未形成學(xué)科的新領(lǐng)域,準(zhǔn)確把握近期可能實(shí)現(xiàn)重大突破的科學(xué)問題,聚焦國(guó)家需求,前瞻布局、科學(xué)分析科技和產(chǎn)業(yè)變革的突破點(diǎn)。如“地球科學(xué)的轉(zhuǎn)型-向系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展”“深部地下生物圈”“海洋碳匯與負(fù)排放技術(shù)”“氦氣資源戰(zhàn)略研究”“地外生命探尋與宜居性演化發(fā)展戰(zhàn)略研究”等項(xiàng)目。

同時(shí),地學(xué)部持續(xù)與國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合開展學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究,一方面有效支撐國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的發(fā)展規(guī)劃,另一方面發(fā)揮學(xué)術(shù)引領(lǐng)作用,科學(xué)研判未來5年至15年世界科技發(fā)展趨勢(shì)。例如,地學(xué)部設(shè)立了“基于載人月球探測(cè)關(guān)鍵科學(xué)問題的前沿交叉研判研究”“板塊邊緣結(jié)構(gòu)組成與動(dòng)力學(xué)前沿交叉研判研究”“大氣中病原微生物的監(jiān)測(cè)和預(yù)警前沿交叉研判研究”“人工智能海洋學(xué)前沿交叉領(lǐng)域研究”“古今氣候環(huán)境變化融合戰(zhàn)略研究”“地震起止過程及機(jī)理:前沿探索與交叉戰(zhàn)略研究”等項(xiàng)目。

不僅如此,地學(xué)部還在探索院士專家領(lǐng)銜、中青年科學(xué)家協(xié)同的研究模式,力圖通過“主題大會(huì)+小型專題研討會(huì)”的方式不斷迭代,凝練關(guān)鍵科學(xué)問題,形成前沿交叉研判的典型范例。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》地球科學(xué)有全球性的特點(diǎn),地學(xué)部在推動(dòng)多學(xué)科協(xié)同及國(guó)際合作交流方面做了哪些工作?

朱日祥:為促進(jìn)地學(xué)界同行的廣泛合作和交流,近年來,我們組織了“早期大陸形成演化與環(huán)境資源效應(yīng)”“深空探測(cè)與信息技術(shù)”“環(huán)境、生態(tài)與健康”“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新地學(xué)”“地球科學(xué)與人類文明”“地球科學(xué)研究:挑戰(zhàn)與機(jī)遇”“海洋生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化”等多場(chǎng)科學(xué)與技術(shù)前沿論壇,吸引了大量科研人員參與。

值得一提的是,由《中國(guó)科學(xué):地球科學(xué)》編委會(huì)發(fā)起、地學(xué)部常委會(huì)作為共同主辦單位舉辦的“地球科學(xué)前沿論壇”,至今已成功召開七屆。目前,該論壇在國(guó)內(nèi)地球科學(xué)界已經(jīng)具有很大的影響力。我們還通過院士大會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)、雁棲湖會(huì)議等學(xué)術(shù)交流平臺(tái),邀請(qǐng)外籍院士等國(guó)際專家,積極研討前沿領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì),分享國(guó)際前沿最新進(jìn)展,同時(shí)帶動(dòng)更多青年科學(xué)家參與國(guó)際交流與合作。

如何在國(guó)際合作與交流中創(chuàng)新,這是中國(guó)科技界在新形勢(shì)下面臨的新問題。中國(guó)科學(xué)家需要在國(guó)際合作中提出科學(xué)與技術(shù)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略思路,不僅要具有國(guó)際視野,還要明了國(guó)家戰(zhàn)略需求。地球科學(xué)的內(nèi)在屬性和特征更需要我們用宇宙視野,堅(jiān)持以我為主的原則,廣泛、深入開展國(guó)際合作和交流,這將有助于加深我們對(duì)重大科學(xué)問題的認(rèn)識(shí),有助于高效利用全球創(chuàng)新資源,在人類命運(yùn)共同體的高起點(diǎn),同國(guó)際科技界攜手努力,為應(yīng)對(duì)人類面臨的共同挑戰(zhàn)作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》為推動(dòng)科技強(qiáng)國(guó)建設(shè),地學(xué)部和院士群體除了強(qiáng)化學(xué)科戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)引領(lǐng)外,還肩負(fù)著戰(zhàn)略咨詢的使命與責(zé)任。在決策咨詢方面,我們產(chǎn)出了哪些成果?未來會(huì)有哪些新的規(guī)劃或重點(diǎn)方向?

朱日祥:地學(xué)部院士們有高度重視咨詢工作的優(yōu)良傳統(tǒng),聚焦黨和國(guó)家重大關(guān)切問題,重點(diǎn)圍繞國(guó)家戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,特別注重充分發(fā)揮地球科學(xué)的學(xué)科優(yōu)勢(shì),提出了很多專業(yè)化、建設(shè)性、切實(shí)管用的咨詢建議。

尤其是黨的十八大以來,針對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和粵港澳大灣區(qū)等國(guó)家重大戰(zhàn)略,以及國(guó)家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的組織實(shí)施,地學(xué)部積極布局系統(tǒng)性研究,提交多份院士建議。同時(shí),圍繞“雙碳”、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、美麗中國(guó)建設(shè)等部署咨詢項(xiàng)目,院士們主動(dòng)建言。

如丁仲禮院士負(fù)責(zé)的“中國(guó)碳中和框架路線圖研究”,其咨詢報(bào)告獲中央領(lǐng)導(dǎo)高度肯定,引發(fā)30多個(gè)部委及部分省份關(guān)注,國(guó)家發(fā)展改革委多次召開會(huì)議、能源局等多司局來訪交流。面對(duì)突發(fā)事件,地學(xué)部院士迅速響應(yīng),開展應(yīng)急咨詢與地方咨詢。2022年,我國(guó)遭遇罕見極端高溫,院士專家緊急研究,半月內(nèi)提交應(yīng)對(duì)建議,助力相關(guān)部門快速?zèng)Q策;湯加火山噴發(fā)引發(fā)越洋海嘯,影響整個(gè)太平洋沿岸地區(qū),張人禾院士上報(bào)研判及政策建議,被國(guó)家相關(guān)部門采納,為我國(guó)制定應(yīng)對(duì)舉措提供了重要參考。

地學(xué)是與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展結(jié)合緊密的學(xué)科,未來我們將繼續(xù)發(fā)揮地學(xué)部的傳統(tǒng),緊緊圍繞黨和國(guó)家決策需求開展咨詢選題,以“找準(zhǔn)真問題,真解決問題”為目標(biāo),統(tǒng)籌考慮咨詢研究的長(zhǎng)期布局與社會(huì)不同發(fā)展階段中亟須解決的重大科技問題,為國(guó)家發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

打印 責(zé)任編輯:閆文藝

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