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國際地球科學研究的前沿及發展態勢

2019-3-26 9:38:51 來源:中國礦業報 作者:鄭軍衛 趙紀東 張樹良

編者按 :

本文主要基于對2018年國際地球科學領域的重要科學戰略規劃、重要科技進展和重要科技文獻等反映的科學研究發展動態的系統監測和整理,從固體地球科學、資源科技、大氣與海洋科技、基礎平臺設施四個方面遴選并總結了2018年國際地球科學領域的主要科學前沿問題及發展態勢,以供讀者參閱。

固體地球科學發展態勢

——地球深部物質組成與結構研究獲得新認識。為了更全面地了解和認識地球內部的復雜性,人類不斷向地球深部進軍。英國牛津大學與德國拜羅伊特大學等研究發現地表下550千米的地方存在高度氧化的鐵,這一發現令科學家們震驚,他們懷疑是熔融的碳酸鹽導致鐵的氧化,進而推測碳循環可以深入到地幔。美國華盛頓卡內基研究所等基于夏威夷的火山熱點的鎢和氙同位素地球化學研究表明,地球的地核與地幔的分離是一個無序的過程。

——地球板塊構造理論得到完善。板塊構造理論一經提出就直視地球科學研究的重要內容和熱點領域。傳統觀點認為,克拉通作為地球表面的最古老陸塊具有極強的穩定性,但2018年2月由美國伊利諾伊大學和意大利帕多瓦大學等公布的一項研究發現,在南美洲和非洲大陸的克拉通會由于底部冷地幔的原因使巖石圈的浮力發生變化,從而影響克拉通的穩定性。2018年3月,澳大利亞國立大學和英國倫敦大學學院合作研究首次證實地殼板塊運移的關鍵在于構造板塊基底發生部分熔融而非地幔水的存在,為揭示地殼板塊真正運移機理提供了重要線索,顛覆了已有的認識。

——地球系統研究取得新進展。蓋亞理論作為一種地球系統的認知框架,對地球系統科學建立和發展具有重要意義。英國埃克塞特大學和法國政治大學研究認為,進入“人類世”后,人類及其技術的進化可以為地球的自調節系統(蓋亞理論的核心)增加“自我意識”,使其升級為(人類)自我意識下自我調控的蓋亞2.0,這將有助于地球系統科學的發展和完善。瑞典斯德哥爾摩大學和澳大利亞國立大學等以古氣候動力學、現代觀測和復雜性科學為基礎,分析了“人類世”地球系統的可能演變軌跡。

——行星地球科學受到重視和發展。美國漢普頓大學和中國香港大學等基于木衛一火山活動與潮汐熱的關系,提出了類地行星形成的熱管冷卻模式機制。挪威極地研究所在火星上首次發現了一個巨大的地下湖,解決了關于火星上是否存在液態水的爭論,增加了火星上存在生命的可能。美國國家航空航天局(NASA)和法國國家科學研究中心(CNRS)等基于“好奇號”火星探測器在蓋爾隕坑的沉積巖中發現的有機分子,推測火星可能曾存在遠古生命。

資源科技發展態勢

——關鍵礦產資源勘查開采和儲備備受重視。隨著高新技術產業的不斷發展,越來越多的國家意識到關鍵礦產對高新技術的支撐和保障作用日趨重要,紛紛制定相關舉措促進本國關鍵礦產資源的勘查、開采和儲備。2018年5月,美國內政部公布了對美國經濟和國家安全至關重要的35種礦產品清單,并以總統令形式使之列為戰略重點,以期能使美國擺脫對外國礦產的依賴。美國USGS研究人員在PNAS發表文章比較分析了中美兩國對新興技術至關重要的42種非燃料礦產的凈進口依存度、競爭格局和國外供應風險,認為未來中美將對鋰、鋯石、鉑等11種礦產展開爭奪。作為世界上鈷資源最為豐富的國家,剛果共和國通過新的礦業法,將鈷及鈳鉭鐵礦納入國家戰略礦產名錄。

美國地球透鏡計劃

——礦產資源綠色開采技術獲得突破。目前,大多數的金礦開采還依賴于毒性大的氰化物法,2018年新的研究進展可能徹底改變這一劣勢。美國諾特丹大學研究出了一種新型大環分子(四內酰胺受體),其可以把含金礦石轉化為氯金酸并用一種工業溶劑來萃取出金,從而可減小金礦開采中的環境影響。該工藝也適用于鉑和鈀等其他貴金屬。此外,澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)也宣布成功使用硫代硫酸鹽替代傳統的氰化物生產金的技術,并用此技術生產出了首批“綠色”黃金。

英國布里斯托大學等的研究也表明美國俄克拉荷馬州的人為地震與油氣工業的廢水注入深度密切相關。

大氣與海洋科學發展態勢

——氣象預報系統和功能得到關鍵提升。2018年1月,NOAA宣布將全面升級其天氣和氣候超級計算機系統。升級后,該計算機系統處理能力將達到每秒8000萬億次,將成為全球前30位運算速度最快的計算機之一,升級后的系統還將增加60%的存儲空間,從而全面提升美國天氣模型的準確性和效率。

2018年7月,美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)的兩個主要短期天氣模式——高分辨快速更新模式(HRRR)和快速更新模式(RAP)得到升級,并在國家預測中心和地方預測部門投入業務運行。HRRR模式分辨率為3千米,更新之后預測期限從18小時增加至36小時,能夠提前一天提供更準確的雷暴和降水預測,預測范圍也擴大到阿拉斯加地區。

——深度學習在氣象預報與研究中得到創新性應用。2018年12月,美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)實驗室研究人員領銜的團隊宣布利用機器深度學習開展對云的研究,該研究將為推動云乃至大氣研究進步提供新的契機。同月,由日本海洋科學技術中心(JAMSTEC)的Daisuke Matsuoka博士和九州大學的Seiichi Uchida教授領導的研究小組成功地發現了一種利用深度學習識別熱帶氣旋及其前兆信息的方法。

——海洋科學的可持續發展受到重視。在2017年12月聯合國教科文組織先后發布《海洋科學促進可持續發展十年(2021年-2030年)計劃》和《聯合國海洋科學十年可持續發展路線圖》報告來推動全球海洋科學的可持續發展后,一些國家也開始進行相關布局。2018年3月,英國環境部宣布出資15萬英鎊,正式啟動“自然資本”項目,推動海洋環境研究。2018年6月,美國國家科學基金會(NSF)基于“美國國家海洋月”活動,提出加速支持全球海洋領域的科學研究,不僅支持在海床上嵌入儀器和海洋酸化的影響研究,還支持了解洋流和海平面上升的變化研究。同月,澳大利亞海洋科學研究所發布《北部地區海洋科學》戰略報告,期望確保澳大利亞北部地區的海洋科學研究成果能夠推廣應用,并專注于回答有關海洋生態系統管理和使用的重要問題,從而造福于子孫后代。2018年11月,美國國家科學技術委員會(NSTC)發布《美國國家海洋科技發展:未來十年愿景》報告,確定了2018年-2028年間海洋科技發展的迫切研究需求與發展機遇,以及未來十年推進美國國家海洋科技發展的目標與優先事項。

——北極依然是各方研究的熱點。全球變暖和北極海冰的融化促進了全球對北極的關注。2018年2月,美國國際戰略研究中心(CSIS)發布《中國的北極夢》報告,分別評價了中國新興的北極政策組織原則、中國對“開放”北極的訴求、中國參與下的北極地區公平治理現狀及未來中美在北極合作的前景等。

2018年7月,英國自然環境研究理事會(NERC)與德國聯邦教育與研究部(BMBF)宣布共同投資近800萬英鎊用于12個新的北極研究項目,旨在更好地了解和預測北極海洋環境和生態系統的變化。

2018年10月,美國得克薩斯大學圣安東尼奧分校(UTSA)宣布已建成基于網絡的北極開放數據庫,可提供不同年份獲取的數千張北冰洋影像資料,以幫助科學家和全球了解北極地區包括海冰消失在內的物理變化。

研究基礎平臺設施建設

——完善全方位地球觀測監測體系建設。美國國家科學院、工程院和醫學院發布《讓我們變化的星球繁榮發展:空間對地觀測未來10年戰略》報告,提出關于地球科學領域的5個優先觀測項目,以期為美國未來10年(2018年-2027年)的空間對地觀測資助布局提供重要決策支撐。2018年5月,NASA發射了由其和德國地球科學研究中心合作開發的新一代對地觀測衛星,以實現對地球表面和地下水供應分布變化的觀測。2018年8月,歐洲航天局發射了“風神”衛星,其可以提供全球風、氣壓、溫度和濕度之間相互關系的信息。同月,英國計劃投資9200萬英鎊用于脫歐后開發獨立的衛星系統,旨在替代歐盟伽利略系統,為英國提供全面的導航服務。

——進一步推進數字地球技術研發。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發出了一套新的地球模擬器E3SM,可以使用先進的計算機來模擬地球變率的各個方面特征。美國普林斯頓大學等機構合作開發出了一種新的地球外核彈性參數(EPOC)模型,可以更好地研究地球深部的物理屬性。2018年6月,澳大利亞國家科學院宣布建設一個新的空間研究中心,將重點收集和分析來自太空的地球觀測數據。

2018年7月,澳大利亞數字地球項目再獲3690萬澳元的資助,將用于幫助當地企業和行業利用地球觀測有關數據。□

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