地球是由多圈層、多塊體不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的，皆可用若干塑性、流變體、流體或彈性體組成的系統(tǒng)模型予與有效地描述。另外，地球與太陽、月球等行星的相互作用，本文把這些系統(tǒng)和模型稱為“多體系統(tǒng)”。而把建立力學(xué)模型的過程稱為“有限段建模法”。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，多體地球系統(tǒng)可有幾種分類方法：①聯(lián)接或分離；②彈性、塑性或流變體、流體；③各地質(zhì)體形成封閉或開放體系。狹義地講是上述內(nèi)容；廣義地講是多物質(zhì)體、多結(jié)構(gòu)體、多時(shí)—空體、非線性和復(fù)雜性體。

（2）非完整地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)

地球是由多圈層不同物質(zhì)組成，這在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以說不是一個(gè)完整體。同樣，從地球的形態(tài)來看，也不是一個(gè)完整的圓球體。另外，非完整地球系統(tǒng)力學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)就是在定量計(jì)算和模擬分析過程中，可將邊界條件作為動(dòng)態(tài)的進(jìn)行。因此，把地球系統(tǒng)應(yīng)該作為一個(gè)非完整地球系統(tǒng)力學(xué)研究，則效果可能會(huì)更好，更接近地球系統(tǒng)的實(shí)際。

（3）變質(zhì)量地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)

變質(zhì)量地球構(gòu)造動(dòng)力系統(tǒng)是研究地球質(zhì)量變化物體的運(yùn)動(dòng)與作用其上的力之間的關(guān)系。所謂變質(zhì)量地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，就是指地球在運(yùn)動(dòng)過程中質(zhì)量隨著時(shí)間而不斷變化的物體。當(dāng)然，這里所說的物體質(zhì)量的變化，并不是說有質(zhì)量的消滅或產(chǎn)生，而是說在某一瞬時(shí)以前或以后，物體中有一部分質(zhì)量不予考慮進(jìn)去。前者相當(dāng)于有質(zhì)量并入而使物體質(zhì)量增加的情況；后者相當(dāng)于有質(zhì)量分離而使物體質(zhì)量減少的情況。

（4）碰撞動(dòng)力學(xué)地球系統(tǒng)效應(yīng)

碰撞地球系統(tǒng)力學(xué)主要有三個(gè)方面內(nèi)容：①地球系統(tǒng)中有許多碰撞的現(xiàn)象，如兩板塊的碰撞、俯沖、仰沖、斜撞和太空隕石的相撞，隕石與地球的撞擊等；②各種碰撞的類型研究，包括幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)及波動(dòng)學(xué)；③碰撞地球系統(tǒng)力學(xué)的各種響應(yīng)，與資源、環(huán)境、災(zāi)害的關(guān)系和預(yù)測、預(yù)報(bào)等內(nèi)容研究。

（5）破壞動(dòng)力學(xué)地球系統(tǒng)效應(yīng)

由彌散分布的微裂紋串接為宏觀裂紋，再由宏觀裂紋演化至災(zāi)難性的失穩(wěn)裂紋，這一發(fā)展過程稱之為斷裂破壞過程。了解地球系統(tǒng)中物質(zhì)的斷裂破壞才能闡明裂紋的演變史，才能表達(dá)地球系統(tǒng)的載荷環(huán)境與斷裂破壞的因果關(guān)系。斷裂破壞過程是一個(gè)宏微觀結(jié)合的多層次過程，它既受到的裂尖奇異場為特征的宏觀力學(xué)氛圍的外部推動(dòng)，又誘發(fā)于裂尖原子區(qū)動(dòng)力失穩(wěn)的之內(nèi)涵過程的全貌。

破壞地球系統(tǒng)力學(xué)按研究尺度的逐級(jí)細(xì)化從宏觀斷裂破壞力學(xué)，到細(xì)觀斷裂破壞力學(xué)再到納觀斷裂破壞力學(xué)三部分組成。

（6）流體動(dòng)力學(xué)地球系統(tǒng)效應(yīng)

流體地球系統(tǒng)力學(xué)是地球系統(tǒng)力學(xué)中很重要的組成部分，主要研究內(nèi)容有：①天體的形狀；②地球的引力場；③水平溫度梯度作用下旋轉(zhuǎn)流體的對流熱傳遞模型；④地球系統(tǒng)內(nèi)的對流；⑤地球系統(tǒng)“電機(jī)”理論；⑥地球系統(tǒng)物理流體動(dòng)力學(xué)問題中的漲落和耗散現(xiàn)象；⑦地球系統(tǒng)化學(xué)自組織模擬；⑧地質(zhì)學(xué)中的非線性對流問題；⑨反應(yīng)、滲濾不穩(wěn)定性；⑩地貌系統(tǒng)自由對流現(xiàn)象等[25]。

（7）極端動(dòng)力學(xué)地球系統(tǒng)效應(yīng)

隨著地球科學(xué)的發(fā)展和需求，地球深內(nèi)部高溫、高壓，甚至超高溫、超高壓的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究日益受到重視。本節(jié)將這部分內(nèi)容定為極端地球系統(tǒng)力學(xué)，主要研究內(nèi)容包括：⑴地球系統(tǒng)氣體的熱力性質(zhì)；⑵地球系統(tǒng)能量和熱力學(xué)第一定律；⑶地球系統(tǒng)能質(zhì)和熱力學(xué)第二定律；⑷地球系統(tǒng)對流換熱基礎(chǔ)；⑸地球系統(tǒng)中的輻射換熱；⑹地球系統(tǒng)熱應(yīng)力基礎(chǔ)；⑺地球系統(tǒng)熱應(yīng)力的分析方法；⑻地球系統(tǒng)熱疲勞和高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法；⑼地球系統(tǒng)高溫低循環(huán)疲勞強(qiáng)度與熱疲勞強(qiáng)度；⑽多維應(yīng)力下的高溫循環(huán)疲勞和熱疲勞；⑾熱疲勞中的組織變化與破裂；⑿蠕變與高溫疲勞的相互關(guān)系等。

（8）爆炸（發(fā)）動(dòng)力學(xué)地球系統(tǒng)效應(yīng)

爆炸（發(fā)）是地球系統(tǒng)中物質(zhì)狀態(tài)的突然的物理或化學(xué)變化，并伴隨有運(yùn)動(dòng)和能量釋放。爆炸（發(fā)）可以具有多種不同的形式。例如，大山爆發(fā)；太陽和宇宙爆炸；隕石撞擊地球表面的爆炸等等。爆炸（發(fā)）地球系統(tǒng)力學(xué)就是研究上述內(nèi)容的動(dòng)力學(xué)過程和規(guī)律。主要研究內(nèi)容有：①什么叫爆炸（發(fā)）；②爆炸（發(fā)）及其在介質(zhì)中的效應(yīng)；③大氣圈爆炸的物理現(xiàn)象；④水圈爆炸理論及其作用；⑤巖石圈中的爆炸（發(fā)）理論及其作用；⑥爆炸（發(fā)）地震效應(yīng)等。

記者：在當(dāng)前條件下，“數(shù)字地球”已成為地球系統(tǒng)最有效的表達(dá)形式是嗎？

畢思文：數(shù)字地球(地球系統(tǒng)數(shù)字學(xué))將成為21世紀(jì)地球科學(xué)的重要特征，推動(dòng)地球系統(tǒng)科學(xué)，從對自然現(xiàn)象的描述向定量化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容有：數(shù)字地球提出的背景、數(shù)字地球的研究方法、數(shù)字地球原型、地球系統(tǒng)場理論基礎(chǔ)、數(shù)字地球物理模型、數(shù)字地球力學(xué)模型、數(shù)字地球數(shù)學(xué)模型、數(shù)字地球信息模型、數(shù)字地球信息獲取技術(shù)與模擬、數(shù)字地球空間信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字地球技術(shù)方法和數(shù)字中國與數(shù)字工程等。

記者：您為什么說地球系統(tǒng)科學(xué)是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的科學(xué)基礎(chǔ)？

畢思文：可持續(xù)發(fā)展主要涉及人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)諸方面，由于各學(xué)科角度不同，闡述的重點(diǎn)亦不相同。可持續(xù)發(fā)展主要包括資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展三方面。首先，它以資源的可持續(xù)利用和良好的生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)。其次，它以經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展為前提。再次，它以謀求社會(huì)的全面進(jìn)步為目標(biāo)。總之，發(fā)展是一個(gè)自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)朝著更加均衡、和諧、互補(bǔ)的方向進(jìn)化。

人口是整個(gè)地球系統(tǒng)的主體和核心，是人類及其群體的泛稱。人口寓于資源、環(huán)境之中，三者共同組成了一個(gè)相互矛盾、相互聯(lián)系和制約的人類生存與發(fā)展的巨大系統(tǒng)。資源是指一定技術(shù)條件下，能為人類利用的物質(zhì)、能量和信息，是人類發(fā)展的必備條件。由此可見，人口既是這個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立的基本要素，又是資源的重要組成部分，還是重要的環(huán)境要素，三者呈同心圓狀共存結(jié)構(gòu)，且存在十分密切的互動(dòng)關(guān)系。若三者之間相互促進(jìn)協(xié)調(diào)，其失調(diào)和障礙因素被控制在最小限制或范圍內(nèi)，稱為系統(tǒng)的良性循環(huán)；若三者之間基本協(xié)調(diào)，雖有若干不協(xié)調(diào)因素，但無危害或破壞整個(gè)系統(tǒng)的常態(tài)進(jìn)行，可稱為中性循環(huán)；若三者之間基本失調(diào)，已危及或破壞了整個(gè)系統(tǒng)的常態(tài)運(yùn)行，稱為惡性循環(huán)；三者之間是一個(gè)既矛盾又統(tǒng)一的整體。平衡是相對的，不平衡是絕對的、長期的。出現(xiàn)不平衡是正常的，但失衡必須控制在一定范圍內(nèi)。否則，將對經(jīng)濟(jì)和社會(huì)構(gòu)成較大危害。引起三者之間失衡原因很多，一般來說可將其分為自然性失衡、經(jīng)濟(jì)性失衡和社會(huì)性失衡三大類。

經(jīng)濟(jì)是總體可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，社會(huì)是可持續(xù)發(fā)展的目的。人口則處于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的核心地位。經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需要寬裕的人口條件。人口因素在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中作用重大。人口是社會(huì)主體，是社會(huì)生產(chǎn)力構(gòu)成的能動(dòng)要素和生產(chǎn)關(guān)系的體現(xiàn)者。人們的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)滲透到社會(huì)生活的一切領(lǐng)域。一切歷史事件的發(fā)展都與人，特別是人口質(zhì)量因素相關(guān)。在社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域，人口質(zhì)量的作用則更為明顯。一般地說，高質(zhì)量的人口對社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著促進(jìn)作用，反之，則起著延緩甚至阻礙作用。

目前，中國存在的主要問題可以用過剩人口與短缺經(jīng)濟(jì)的矛盾加以概括。從這一基本點(diǎn)出發(fā)，可持續(xù)發(fā)展涉及人口數(shù)量、素質(zhì)、結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要方面：（1）總體人口與生活資源增長的可持續(xù)發(fā)展。（2）人口質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)技術(shù)進(jìn)步的可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)模式。（3）人口結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，在勞動(dòng)力過剩情況下繼續(xù)大幅度增加人口，21世紀(jì)前20年就業(yè)問題將白熱化。應(yīng)抓住機(jī)遇，運(yùn)用動(dòng)力，迎接挑戰(zhàn)。

可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)需求是多方面、多層次的。為此，地球系統(tǒng)科學(xué)作為規(guī)劃與對策的科學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)劃分為兩大層次，即滿足可持續(xù)發(fā)展中面臨的緊迫問題的任務(wù)研究和遠(yuǎn)期效應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究。但二者有許多內(nèi)在聯(lián)系，相互促進(jìn)、不能截然分開。在這里，地球系統(tǒng)科學(xué)是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的科學(xué)基礎(chǔ)，不僅要研究自然規(guī)律，而且還為社會(huì)發(fā)展提出規(guī)劃依據(jù)，后者是與社會(huì)法律相聯(lián)的軟科學(xué)。前面已經(jīng)多次談到對人在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中的法規(guī)管理和人的自然因素的規(guī)范化，在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中的意義是非常重要的。

記者：這方面的最新動(dòng)向及當(dāng)前研究重點(diǎn)怎樣？

畢思文：最近，德國聯(lián)邦政府教育與研究部（bmbtf）與德國科學(xué)基金會(huì)（DFG）經(jīng)過相當(dāng)長一段時(shí)間的醞釀?dòng)懻摵头磸?fù)修改完善，共同策劃制定了未來15年（2000～2015年）的超大型研究計(jì)劃《地球工程學(xué)—地球系統(tǒng)：從過程認(rèn)識(shí)到地球管理》，共包括13個(gè)重大項(xiàng)目，于2000年3月正式定稿并開始招標(biāo)實(shí)施，德國政府預(yù)計(jì)對該計(jì)劃的實(shí)施投入經(jīng)費(fèi)達(dá)5億馬克（DM）。美國國家科學(xué)基金會(huì)草擬了“2000年后的地學(xué)：探索和預(yù)測地球的環(huán)境與可居住性”，根據(jù)地學(xué)的最新進(jìn)展，21世紀(jì)前10年的總目標(biāo)是通過支持高質(zhì)量的研究、增強(qiáng)科學(xué)能力以及改進(jìn)地學(xué)教育來提高對整個(gè)地球系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)水平，從而使國家受益。更為重要的是，2001年6月24-28日，美國地理學(xué)會(huì)（Geological Society of America）和倫敦地理學(xué)會(huì)（Geological Society of London）在蘇格蘭的愛丁堡市共同舉辦了地球系統(tǒng)進(jìn)展全球會(huì)議。在為期4天的大會(huì)中，來自不同領(lǐng)域、不同學(xué)科背景的學(xué)者共同探討地球系統(tǒng)進(jìn)展的問題，研討地球系統(tǒng)科學(xué)的復(fù)雜問題的整體解決方法。

本次大會(huì)的主題是“地球系統(tǒng)聯(lián)系”和“地球系統(tǒng)演化”。地球系統(tǒng)聯(lián)系是探討固體地球、水圈、大氣圈、低溫層和生物圈之間的關(guān)系；地球系統(tǒng)演化是研究從太陽系誕生45億年來控制行星性狀的過程。這兩個(gè)主題包含了對太陽系及其之外星系的行星系統(tǒng)的比較，也考慮地球外部的影響。大會(huì)設(shè)置了主題發(fā)言，同時(shí)，設(shè)置了19個(gè)專題組和8個(gè)一般發(fā)言小組。

我國自然科學(xué)基金委地學(xué)部也于2002年3月提出了21世紀(jì)初的地球科學(xué)戰(zhàn)略重點(diǎn)，擬定了“以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線，從我國具有優(yōu)勢的前沿領(lǐng)域?qū)ふ抑鞴ツ繕?biāo)”的“十五”優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略。

至于當(dāng)前的發(fā)展重點(diǎn)，我認(rèn)為應(yīng)以遙感等地球系統(tǒng)觀測技術(shù)為支撐，繼續(xù)開展地球系統(tǒng)科學(xué)理論體系的構(gòu)建和應(yīng)用示范研究；加強(qiáng)地球系統(tǒng)工程規(guī)劃和地球系統(tǒng)管理，爭取早日真正解決人口、資源、環(huán)境、災(zāi)害等與人類可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的問題，真正實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)科學(xué)成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的科學(xué)基礎(chǔ)。

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