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2020年5月19日，美國國家研究委員會（NRC）發(fā)布了《美國國家科學(xué)基金會地球科學(xué)十年愿景（2020—2030）：時(shí)域地球》（NSF地球科學(xué)愿景2020-2030: Earth in Time），為未來美國地球科學(xué)研究重點(diǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備以及合作伙伴提供了建議。關(guān)系提供了重要的指導(dǎo)。

1 優(yōu)先科學(xué)問題

為了確定指導(dǎo)未來地球科學(xué)研究的研究重點(diǎn)，美國國家科學(xué)院召集并成立了特別委員會。通過在線社區(qū)問卷調(diào)查、委員會會議上的專家討論、與地球科學(xué)研究界同仁的討論以及對科學(xué)文章和其他信息來源的綜合審查，委員會獲得了大量意見，最終選定了未來10年（2020-2030）。 ）可能會取得重大進(jìn)展。這12 個(gè)引人注目的、高度優(yōu)先的研究問題反映了地質(zhì)時(shí)間的重要性、地球表面與內(nèi)部的聯(lián)系、地質(zhì)與生命的共同進(jìn)化以及人類活動(dòng)的影響。

（1）地球內(nèi)部磁場是如何產(chǎn)生的？

了解地球磁場產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)因素以及控制其變化速度的因素對于了解地球內(nèi)部與大氣的相互作用以及受地磁場影響的人類活動(dòng)至關(guān)重要。

(2) 板塊構(gòu)造何時(shí)、為何以及如何開始？

板塊構(gòu)造創(chuàng)造并改變了大陸、海洋和大氣，但是板塊構(gòu)造何時(shí)在地球上形成，為什么在地球上而不是在其他地方，以及板塊構(gòu)造如何隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，人類仍然缺乏了解。

（3）關(guān)鍵元素在地球上是如何分布和循環(huán)的？

地質(zhì)過程所必需的關(guān)鍵元素的循環(huán)為生命創(chuàng)造了適宜的條件，并為現(xiàn)代文明所需的物質(zhì)提供了成分，但這些元素如何在地球內(nèi)部跨時(shí)空運(yùn)輸仍然是一個(gè)需要基礎(chǔ)研究的問題。

（4）什么是地震？

地震破裂很復(fù)雜，地球以不同的速度和方式變形，因此地球科學(xué)家需要重新思考地震的性質(zhì)及其驅(qū)動(dòng)力。

(5) 火山活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是什么？

火山噴發(fā)對人類、大氣層、水圈和地球本身都有重大影響，因此迫切需要研究有關(guān)巖漿如何在世界各地不同環(huán)境中形成、上升和噴發(fā)以及這些系統(tǒng)在整個(gè)地質(zhì)時(shí)期如何運(yùn)行的基本問題。

（6）地形變化的原因和后果是什么？

用于測量從地質(zhì)時(shí)間尺度到人類時(shí)間尺度的地形變化的新技術(shù)現(xiàn)在可以解決連接地球深層和表面的科學(xué)問題，以及與地質(zhì)災(zāi)害、資源和氣候變化相關(guān)的緊迫社會挑戰(zhàn)。

(7) 關(guān)鍵區(qū)域如何影響氣候？

土地的反應(yīng)性表皮會影響土地和大氣之間的水分、地下水、能量和氣體交換，因此它對氣候的影響對于了解地球系統(tǒng)及其如何應(yīng)對和將要應(yīng)對全球變化非常重要。的重要部分。

(8) 地球的過去揭示了氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的什么？

整個(gè)地球歷史上長期和快速環(huán)境變化的證據(jù)為與現(xiàn)代變化進(jìn)行比較提供了關(guān)鍵基準(zhǔn)，有助于闡明地球系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，告知變化的幅度和速度，并在預(yù)測未來變化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

（9）地球的水循環(huán)是如何變化的？

了解水循環(huán)當(dāng)前和未來的變化需要對水陸系統(tǒng)以及水循環(huán)如何與其他物理、生物和化學(xué)過程相互作用有基本的了解。

(10)生物地球化學(xué)循環(huán)如何演化？

量化生物體在巖石和礦物的形成和風(fēng)化、碳循環(huán)以及人類呼吸的空氣成分中的作用需要對生物地球化學(xué)循環(huán)有更深入的了解。

(11)地質(zhì)過程如何影響生物多樣性？

地球上生命的多樣性是地球的一個(gè)關(guān)鍵特征，但人類并不完全了解它是如何形成的。因此，有必要了解多樣性如何以及為何隨著時(shí)間、環(huán)境和地理發(fā)生變化，包括滅絕等重大事件。

（12）地球科學(xué)研究如何減少地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)和損失？

對地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和定量了解對于減少風(fēng)險(xiǎn)和影響、拯救生命和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。

2 基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備

未來對地球及其構(gòu)成材料的觀測將比以往任何時(shí)候都更加依賴于新興技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和人力資源的整合。因此，需要一系列儀器和設(shè)備來充分解決未來十年的科學(xué)優(yōu)先問題。

對地核和磁場、板塊構(gòu)造、關(guān)鍵元素、地震和火山的研究將受益于用于觀察和監(jiān)測當(dāng)前地質(zhì)過程的儀器的改進(jìn)，特別是在更精細(xì)的空間和時(shí)間分辨率下。這包括地震和大地測量設(shè)備、用于快速響應(yīng)的快速部署儀器、能夠在各種環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以及獲取整個(gè)地球歷史上火成巖、變質(zhì)和構(gòu)造過程記錄的分析儀器。

對于地形、關(guān)鍵區(qū)域、氣候、水循環(huán)和地質(zhì)災(zāi)害問題，需要：高分辨率和重復(fù)測量數(shù)據(jù)來檢測變化；材料特性的表征；長期觀察和實(shí)驗(yàn)以研究流域過程；降水和徑流監(jiān)測站；水固體通量及其驅(qū)動(dòng)因素、水分、氣體等的現(xiàn)場儀器記錄；衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)；量化地質(zhì)時(shí)間尺度上的年齡和速率的能力；過去環(huán)境狀態(tài)的替代測量。

在生物多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)問題上，進(jìn)展取決于： 古生物學(xué)、地球化學(xué)、基因組學(xué)、地層學(xué)和沉積學(xué)的時(shí)空記錄；精確的地質(zhì)年代學(xué)；以及面向過程的環(huán)境代理方法。理解。

所有這些問題都需要：改進(jìn)的高性能計(jì)算、改進(jìn)的建模能力、增強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理和標(biāo)準(zhǔn)化能力以及將多種類型記錄的觀察結(jié)果鏈接在一起的強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

為了促進(jìn)對美國國家科學(xué)基金會(NSF) 地球科學(xué)部(EAR) 支持的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更透明的評估，委員會鼓勵(lì)使用既定的優(yōu)先級標(biāo)準(zhǔn)定期評估EAR 支持的設(shè)施以及整個(gè)EAR 支持的基礎(chǔ)設(shè)施組合。投資未來的基礎(chǔ)設(shè)施、必要且經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)施，并適應(yīng)不斷變化的科學(xué)優(yōu)先事項(xiàng)。

根據(jù)上述分析，委員會對基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備提出以下建議：

(1) EAR 應(yīng)資助國家地質(zhì)年代學(xué)聯(lián)盟。改善地質(zhì)過程的年齡和速率限制對于當(dāng)前和未來的地球科學(xué)研究至關(guān)重要。

(2) EAR 應(yīng)資助一個(gè)非常大的多砧壓制設(shè)施。量化巖石、礦物和熔體的物理和力學(xué)性質(zhì)是EAR研究的基石，但美國仍然缺乏合成新樣本和進(jìn)行關(guān)鍵物理性質(zhì)和變形實(shí)驗(yàn)的能力。

(3) EAR 應(yīng)資助近地表地球物理中心。近地表區(qū)域（從地表到數(shù)十米至數(shù)百米深處）的地球物理調(diào)查已成為許多地球科學(xué)領(lǐng)域的重要工具。

(4) EAR 應(yīng)支持SZ4D 計(jì)劃的持續(xù)發(fā)展，包括火山噴發(fā)響應(yīng)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)。該社區(qū)倡議旨在更深入地了解俯沖過程，俯沖過程驅(qū)動(dòng)地球內(nèi)部的演化并導(dǎo)致地震、海嘯和火山爆發(fā)等毀滅性地質(zhì)災(zāi)害。

(5) EAR 應(yīng)鼓勵(lì)社區(qū)探索大陸關(guān)鍵區(qū)倡議。量化關(guān)鍵帶區(qū)域在整個(gè)深度范圍內(nèi)的特征對于了解水、碳和養(yǎng)分循環(huán)、景觀演變和災(zāi)害預(yù)測以及土地-氣候相互作用是必要的。

(6) EAR 應(yīng)鼓勵(lì)社區(qū)探索大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃。改進(jìn)支持美國研究人員參與大陸鉆探的機(jī)制將增加獲得解決許多優(yōu)先問題所需的連續(xù)地質(zhì)記錄的機(jī)會。

(7) EAR 應(yīng)促進(jìn)社區(qū)工作組的發(fā)展，以歸檔和組織當(dāng)前和未來的物理樣本，并為此類工作提供資金。這些物理檔案及其相關(guān)元數(shù)據(jù)不斷引入新的問題和分析方法，在收集相關(guān)材料多年后對科學(xué)家來說仍然具有無價(jià)的價(jià)值。

3 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施由軟件工具組成，用于收集、分析、集成、建模和存檔所收集的信息以及相關(guān)元數(shù)據(jù)的上下文信息。它還描述了高性能計(jì)算數(shù)據(jù)。工具和計(jì)算方法的開發(fā)和維護(hù)主要由EAR的地理信息學(xué)和儀器項(xiàng)目、EarthCube計(jì)劃以及NSF支持的持續(xù)科學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目支持。

3.1 為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供多用戶設(shè)施

EAR 支持由多個(gè)項(xiàng)目支持的10 個(gè)多用戶設(shè)施，平均每年提供1,070 萬美元的資金。

（1）跨學(xué)科地球數(shù)據(jù)聯(lián)盟（IEDA）是目前最大的多用戶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是收集全球地球化學(xué)和海洋地球科學(xué)研究社區(qū)數(shù)據(jù)的主要手段，并支持保護(hù)、發(fā)現(xiàn)、檢索和分析觀測領(lǐng)域數(shù)據(jù)并分析廣泛的數(shù)據(jù)類型。

(2) 水文科學(xué)促進(jìn)大學(xué)聯(lián)盟(CUAHSI) 的使命是開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)以促進(jìn)水科學(xué)研究和教育。

(3) 地球動(dòng)力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施(CIG) 是一個(gè)社區(qū)驅(qū)動(dòng)的組織，通過支持和維持地球物理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和計(jì)算能力來推進(jìn)地球科學(xué)研究。

(4) 社區(qū)表面動(dòng)力學(xué)建模系統(tǒng)（CSDMS）通過開發(fā)、支持和傳播集成軟件模塊來促進(jìn)地球表面過程的建模，這些模塊預(yù)測流體運(yùn)動(dòng)以及沉積物和溶質(zhì)在景觀及其沉積盆地中的運(yùn)動(dòng)。通量（產(chǎn)生、侵蝕、傳輸和沉積）。

(5) 高分辨率數(shù)據(jù)和工具設(shè)施（OpenTopo）提供對激光雷達(dá)生成的高分辨率地形數(shù)據(jù)集和分析工具的基于網(wǎng)絡(luò)的訪問，以支持陸地地球過程的研究和培訓(xùn)。

（6）基于磁信息的地質(zhì)可視化和數(shù)據(jù)分析設(shè)施（MagIC）旨在為已發(fā)布的巖石和古磁數(shù)據(jù)開發(fā)和維護(hù)一個(gè)開放的社區(qū)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)檔案，允許研究人員和其他用戶繼續(xù)自由地訪問檔案、搜索、可視化、操作和下載數(shù)據(jù)。

(7) Neotoma古生態(tài)數(shù)據(jù)庫（NPDC）是一個(gè)在線數(shù)據(jù)中心，提供過去500萬年以來存在的古環(huán)境數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)管理、研究和教育。

(8) 開放核心數(shù)據(jù)庫（OCD）提供來自科學(xué)大陸和海洋鉆探項(xiàng)目的可查找、可訪問、可互操作和可重用（FAIR）數(shù)據(jù)。

(9) ALPHA-MELTS開發(fā)的軟件包括巖石學(xué)、地球化學(xué)和地球動(dòng)力計(jì)算熱力學(xué)的模型和算法，使地球科學(xué)家能夠執(zhí)行具有內(nèi)部熱力學(xué)一致性和全面的揮發(fā)性和微量元素計(jì)算正演模型的復(fù)雜巖石成因場景。所有軟件均可免費(fèi)提供給科學(xué)界。

（10）通用繪圖工具（GMT）是大約90 個(gè)命令行工具的開源集合，用于操作地理和笛卡爾數(shù)據(jù)集（包括過濾、趨勢擬合、網(wǎng)格化、投影等），并生成包括3D 透視在內(nèi)的各種圖形繪圖、動(dòng)畫等

3.2 未來網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的挑戰(zhàn)與建議

(一)數(shù)據(jù)管理與歸檔

地球科學(xué)界共同產(chǎn)生大量具有科學(xué)價(jià)值但格式不同的數(shù)據(jù)。未來的需求：以數(shù)字形式存儲遺留數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)； 制定數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)領(lǐng)域的社區(qū)標(biāo)準(zhǔn)； 制定數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)的歸檔、整理、分析和可視化方法； 為數(shù)據(jù)庫提供可靠、持續(xù)的支持，使其在單個(gè)資助周期后不會過時(shí)或無法使用。

(2)公平標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)科學(xué)界越來越認(rèn)識到開放科學(xué)原則和采用公平數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的重要性。該報(bào)告建議EAR 應(yīng)制定并實(shí)施一項(xiàng)戰(zhàn)略，以支持基于社區(qū)的數(shù)據(jù)工作中的FAIR 實(shí)踐。

(3)需要改進(jìn)計(jì)算

EAR 在試圖跟上快速發(fā)展的計(jì)算環(huán)境（包括云、圖形處理單元、邊緣以及可能的量子計(jì)算）方面面臨著挑戰(zhàn)。未來十年，需要將地球科學(xué)和尖端計(jì)算工具相結(jié)合來推進(jìn)該領(lǐng)域的研究。為了在未來十年實(shí)現(xiàn)資源的最佳投資，建議EAR 就其研究人員的需求、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的機(jī)會以及不斷變化的計(jì)算和建模能力提供定期指導(dǎo)。 EAR 應(yīng)贊助一個(gè)基于社區(qū)的常設(shè)委員會，就網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需求和進(jìn)展向EAR 提供建議。

4 人力資源基礎(chǔ)設(shè)施

實(shí)現(xiàn)本報(bào)告中提出的科學(xué)和基礎(chǔ)設(shè)施目標(biāo)將需要強(qiáng)大和創(chuàng)新的勞動(dòng)力隊(duì)伍。然而，地球科學(xué)作為一個(gè)群體在發(fā)展和維持足夠的能力、專業(yè)知識和多樣性方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)。委員會強(qiáng)調(diào)，人力資源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是未來十年推動(dòng)地球科學(xué)發(fā)展以及與地球科學(xué)相關(guān)的可持續(xù)社會問題的核心。針對人力資源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，委員會提出以下建議：

(1) EAR 促進(jìn)小組應(yīng)加強(qiáng)其現(xiàn)有努力，提供投資和重點(diǎn)指導(dǎo)，以改善地球科學(xué)界的多樣性、公平性和包容性。在研究和合作中更好地納入不同的觀點(diǎn)將促進(jìn)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新、問題解決和效率，并可以增強(qiáng)科學(xué)與目前代表性不足的社區(qū)的相關(guān)性。

(2) EAR 應(yīng)致力于長期資助，以培養(yǎng)和維持技術(shù)人員的能力、穩(wěn)定性和競爭力。需要高技能的工作人員來幫助解決與分析、計(jì)算和儀器設(shè)施開發(fā)相關(guān)的復(fù)雜地球系統(tǒng)問題。為了培養(yǎng)下一代地球科學(xué)家進(jìn)入日益技術(shù)化的領(lǐng)域，需要增加對技術(shù)人員的財(cái)政支持。

因此，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源基礎(chǔ)設(shè)施的建議不僅需要資金，還需要地球科學(xué)界的政策和實(shí)踐發(fā)生重大變化。

5 合作伙伴

地球科學(xué)的復(fù)雜性和跨學(xué)科性質(zhì)促進(jìn)了NSF 與其他機(jī)構(gòu)之間合作伙伴關(guān)系的發(fā)展，增加了EAR 資助的研究機(jī)會。有效的科學(xué)伙伴關(guān)系對于建立富有成效的合作、設(shè)施利用和確保審慎使用研究資金至關(guān)重要。討論EAR 如何利用和補(bǔ)充其合作伙伴的能力、專業(yè)知識和戰(zhàn)略計(jì)劃，以鼓勵(lì)加強(qiáng)合作并最大限度地共享研究資產(chǎn)和數(shù)據(jù)，是委員會研究的第三個(gè)核心任務(wù)。該報(bào)告討論了與NSF 和其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的合作伙伴關(guān)系，并為未來發(fā)展伙伴關(guān)系提出了建議。

(1) 與NSF 合作。隨著研究變得越來越跨學(xué)科和跨學(xué)科，將繼續(xù)有機(jī)會加強(qiáng)和擴(kuò)大正式和非正式的合作。精明的EAR 能夠迅速利用基礎(chǔ)科學(xué)和跨學(xué)科研究不斷變化的前沿，繼續(xù)更好地向政策制定者和公眾闡明和傳達(dá)EAR 研究的重要好處。在與其他NSF 部門和聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的討論中，兩個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的主題是： EAR 與其他受托人的成功關(guān)系； EAR 在跨目錄、跨機(jī)構(gòu)和國際合作伙伴關(guān)系中富有成效的參與。

(2) 與其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的伙伴關(guān)系。 NASA、美國能源部(DOE) 和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS) 為EAR 研究提供重要支持，并提供多種機(jī)會來繼續(xù)和擴(kuò)大與其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系。與NASA 和USGS 的合作可包括： 量化含水層和水庫的儲水量； 了解影響海平面上升的過程； 探索火山、地震、滑坡等基礎(chǔ)研究； 研究生物地球化學(xué)過程的影響。所有這些研究都與EAR 相關(guān)，這將提高將衛(wèi)星和飛機(jī)遙感過程研究與地面觀測相結(jié)合的合作伙伴關(guān)系的可能性。此外，能源部還對同步加速器輻射設(shè)施進(jìn)行了大量投資，以支持地球科學(xué)研究。

報(bào)告對未來發(fā)展伙伴關(guān)系提出以下建議：

(1) EAR 應(yīng)與其他GEO 部門和其他機(jī)構(gòu)合作，資助跨邊界的地球科學(xué)研究，例如海岸線、高緯度和大氣-陸地界面。 NSF 多個(gè)部門和理事會、聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和國際合作伙伴之間的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的交叉為伙伴關(guān)系和合作提供了許多機(jī)會。抓住這些機(jī)會不僅可以推進(jìn)研究目標(biāo)，還可以更有效地利用相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。

(2) EAR應(yīng)積極與NSF其他部門和其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)合作，推動(dòng)新的社會相關(guān)研究。當(dāng)有強(qiáng)烈的共同利益以及強(qiáng)有力的社區(qū)投入和參與時(shí)，跨部門協(xié)作和跨機(jī)構(gòu)伙伴關(guān)系才能發(fā)揮最佳作用。在確定哪些研究領(lǐng)域可能對NSF 和其他機(jī)構(gòu)之間的合作有價(jià)值方面也存在挑戰(zhàn)。

轉(zhuǎn)載本文請注明出處和作者：中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報(bào)中心《地球科學(xué)動(dòng)態(tài)監(jiān)測快報(bào)》 2020年第10期，趙繼東、劉雪、劉文浩、王利偉編譯；鄭俊偉審編。