2020年5月19日，美国国家研究理事会（NRC）发布《美国国家科学基金会地球科学十年愿景（2020—2030）：时域地球》（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time），为未来美国地球科学研究优先事项、基础设施和设备，以及伙伴关系提供了重要指南。

　　1优先科学问题

　　为了确定研究重点，以指导未来的地球科学研究，美国国家科学院召集并组成了专门委员会。通过网上社区调查问卷、委员会会议专家讨论、与地球科学研究界同仁的讨论，以及对科学文章和其他来源信息的全面综述，委员会获得了大量意见，最终选择确定了未来10年（2020—2030年）内有可能取得重大进展的具体问题。这12个引人注目的、高度优先的研究问题反映了地质时间的重要性、地球表面和内部的联系、地质和生命的共同演化以及人类活动的影响。

　　（1）地球的内部磁场如何产生？

　　了解什么推动了地球磁场的产生，又是什么控制着它的变化速度，这些对于理解从地球内部到大气层的相互作用，以及受地磁场影响的人类活动至关重要。

　　（2）板块构造在什么时候、因为什么、如何开始？

　　板块构造产生并改变了大陆、海洋和大气层，但板块构造什么时候在地球上形成，为什么是在地球上而不是在其他地方，板块构造又是如何随着时间的推移而发展，人类目前仍然缺乏了解。

　　（3）关键元素在地球上如何分布和循环？

　　地质过程所必需的关键元素（criticalelements）的循环为生命创造了适宜条件，并为现代文明所需的物质提供了组分，但这些元素如何在地球内部跨越时空进行运移，仍是一个需要研究的基本问题。

　　（4）什么是地震？

　　地震破裂是复杂的，地球的变形以不同的速度、不同的方式发生，因此，地球科学家需重新考虑地震的本质及其驱动力。

　　（5）什么驱动着火山活动？

　　火山喷发对人类、大气层、水圈和地球本身都有重大影响，因此迫切需要对岩浆如何在世界各地的不同环境中形成、上升和喷发，以及这些系统在整个地质时代如何运作的基础问题进行研究。

　　（6）地形变化的原因和后果是什么？

　　测量从地质时间尺度到人类时间尺度的地形变化的新技术，现在有可能解决将地球深部和地表联系在一起的科学问题，以及与地质灾害、资源和气候变化有关的紧迫社会挑战。

　　（7）关键带如何影响气候？

　　陆地的反应性表层（reactiveskin）影响着水分、地下水、能量，以及陆地和大气之间的气体交换，因此，它对气候的影响是理解地球系统及其如何对全球变化作出反应和将作出反应的重要组成部分。

　　（8）对于气候系统动力学，地球的过去揭示了什么？

　　地球历史上长期和快速环境变化的证据提供了与现代变化比较的关键基准，有助于阐明地球系统的动力，提供变化的幅度和速度，并在预测未来变化方面发挥关键作用。

　　（9）地球的水循环如何变化？

　　要了解水循环目前和未来的变化，需要对水—陆系统的基本认识，以及水循环如何与其他物理、生物和化学过程发生相互作用。

　　（10）生物地球化学循环如何演化？

　　要量化生物在岩石和矿物的形成与风化、碳循环和人类所呼吸空气的成分中的作用，需要对生物地球化学循环有更深入的了解。

　　（11）地质过程如何影响生物多样性？

　　地球生命的多样性是地球的一个主要特征，但人类还不完全了解它是如何形成的。因此，需要理解多样性是如何以及为什么随着时间、环境和地理的变化而发生变化，包括像生物灭绝这样的重大事件。

　　（12）地球科学研究如何降低地质灾害的风险和损失？

　　对地质灾害的预测和定量认识对于减少风险和影响、拯救生命和基础设施至关重要。

　　2基础设施与设备

　　未来对地球及其组成物质的观测将比以往任何时候都更加依赖于整合新兴技术、数据分析和人力资源。因此，需要一系列的仪器和设备来充分解决未来十年的科学优先问题。

　　对于地核和磁场、板块构造、关键元素、地震和火山的研究，将受益于用于观测和监测当前地质过程的仪器的改善，特别是更精细的空间和时间分辨率。这包括地震和大地测量设备、用于快速响应的快速部署仪器、在各种环境条件下都能进行实验的实验室设备以及获得贯穿地球历史的火成岩、变质岩和构造过程记录的分析仪器。

　　对于地形、关键带、气候、水循环和地质灾害问题，需要：高分辨率和重复测量数据，用于检测变化；材料特性的表征；调查流域过程的长期观察和试验；降水和径流监测站；水、固体通量及其驱动因素、湿度、气体等现场仪器记录；卫星监测数据；量化地质时间尺度的年代和速率的能力；过去环境状态的替代测量。

　　在生物多样性和生物地球化学循环的问题上，进展取决于：古生物学、地球化学、基因组学、地层学和沉积学的时空记录；精确的地质年代学；以及对环境代用指标的面向过程的理解。

　　所有这些问题都需要：提升高性能计算，改进建模能力，增强的数据管理和标准化功能，以及链接在一起的强大的网络基础架构对多种类型记录的观察。

　　为了促进对美国国家科学基金会（NSF）地球科学部（EAR）支持的基础设施进行更透明的评估，委员会鼓励使用既定标准定期评估EAR支持的设施以及EAR支持的整个基础设施组合，以便优先考虑未来基础设施投资，必要且成熟的设施，并适应不断变化的科学重点。

　　基于上述分析，委员会对基础设施与设备提出如下建议：

　　（1）EAR应资助一个国家地质年代学联盟。改善地质过程的年龄和速率的限制对于地球科学当前和未来的研究至关重要。

　　（2）EAR应资助一个超大型多砧压制设备。量化岩石、矿物和熔体的物理和力学性质是EAR研究的基石，然而，美国仍然缺乏合成新样本和进行关键物理性能和变形实验的能力。

　　（3）EAR应资助一个近地表地球物理中心。近地表区域（从地表到数十到数百米的深度）的地球物理调查成为许多地球科学领域的重要工具。

　　（4）EAR应支持SZ4D倡议的持续发展，包括火山喷发响应社区网络。这个社区倡议寻求对俯冲过程更深入的理解，该过程驱动地球内部的演化并造成破坏性的地质灾害，如地震、海啸和火山爆发。

　　（5）EAR应鼓励社区探索一个大陆关键带倡议。对于了解水、碳和营养循环、景观演变和灾害预测、土地—气候相互作用，量化关键带区域整个深度范围的特征非常必要。

　　（6）EAR应鼓励社区探索一个大陆科学钻井倡议。改进机制以支持美国研究人员参与大陆钻探将增加对解决许多优先问题所需的连续地质记录的访问。

　　（7）EAR应促进社区工作组开发用于归档和整理当前和将来的物理样本，并为此类工作提供资金。不断引入新的问题和分析方法，在收集了相关材料很多年后，这些物理档案及其相关的元数据对科学家具有宝贵价值。

　　3网络基础设施

　　网络基础设施（Cyberinfrastructure）由软件工具组成，这些工具用于收集、分析、集成、建模和存档收集得到的信息，以及来自相关元数据的上下文信息。它还描述高性能计算数据。工具和计算方法的开发和维护主要由EAR的地学信息学（Geoinformatics）和仪器设备项目、EarthCube计划以及NSF支持的持续科学创新项目进行支撑。

　　3.1提供网络基础设施的多用户设施

　　EAR支持10个多用户设施，这些设施由多项计划提供支持，每年平均提供1070万美元的资金。

　　（1）跨学科的地球数据联盟（IEDA）是当前最大的多用户网络基础设施，该联盟是收集全球地球化学和海洋地球科学研究的社区数据的主要手段，并支持保护、发现、检索和分析广泛的观测领域数据并分析数据类型。

　　（2）水文科学发展大学联盟（CUAHSI）的任务是发展基础设施和服务，以促进水科学研究和教育。

　　（3）地球动力学计算基础设施（CIG）是一个社区驱动的组织，通过支持和维持地球物理及相关领域的网络基础设施和计算能力来推进地球科学研究。

　　（4）社区表面动力学建模系统（CSDMS）是通过开发、支持和传播集成软件模块来促进地球表面过程的建模，这些模块可以预测景观及其沉积盆地中泥沙和溶质的流体运动和通量（生产、侵蚀、运输和沉积）。

　　（5）高分辨率数据和工具设施（OpenTopo）提供基于web的访问激光雷达生成的高分辨率地形数据集和分析工具，以支持地面地球过程的研究和培训。

　　（6）基于磁力信息的地质可视化和数据分析设施（MagIC）旨在为已发布的岩石和古地磁数据开发和维护一个开放的社区数字数据存档，使得研究人员和其他用户能够继续自由地获取存档、搜索、可视化、操作和下载数据。

　　（7）新托马古生态学数据库（NPDC）是一个为数据管理、研究和教育提供过去500百万年存在的古环境数据的在线数据中心。

　　（8）开放的岩心数据库（OCD）提供对来自科学大陆和海洋钻探项目的数据可查找、可访问、可互操作和可重用（FAIR）。

　　（9）ALPHA-MELTS开发的软件包括岩石学、地球化学和地球动力学计算热力学的模型和算法，它使地球科学家能够执行具有内部热力学一致性和综合挥发性和微量元素计算的复杂岩石成因场景的前向模型。所有软件都是免费提供给科学界使用的。

　　（10）通用制图工具（GMT）是一个开放源码的集合，包含大约90个命令行工具，用于操作地理和笛卡尔数据集（包括过滤、趋势拟合、网格化、投影等），并生成包括3D透视图、动画等各种图形。

　　3.2未来网络基础设施构建面临的挑战及建议

　　（1）数据管理和归档

　　地球科学界集体产生了大量的数据，这些数据具有科学价值，但格式却各不相同。未来需求：①使遗留数据和元数据以数字化形式存储；②制定数据和元数据领域的社区标准；③制定数据产生时的存档、整理、分析和可视化方法；④对数据库提供可靠、持续的支持，使它们不会在单一筹资周期后过时或无法使用。

　　（2）FAIR标准

　　整个科学界越来越认识到开放科学原则和采用FAIR数据标准的重要性。报告建议EAR应制定并实施一项战略，以支持基于社区的数据工作中的FAIR做法。

　　（3）改善计算的需求

　　EAR在试图跟上快速发展的计算环境（包括云、图形处理单元、边缘，可能还有量子计算）方面面临着挑战。未来十年，地球科学和尖端计算工具的集成将需要推进这一领域研究。为了在未来十年对资源进行最优投资，建议EAR对其研究人员的需求、网络基础设施方面的机会以及不断变化的计算和建模能力进行定期指导。EAR应发起一个以社区为基础的常设委员会，就网络基础设施的需求和进展向EAR提供建议。

　　4人力资源基础架构

　　为了实现本报告提出的科学和基础设施目标，需要一支强大和创新的劳动力队伍。然而，地球科学作为一个社区，在发展和维持足够的能力、专门知识和多样性方面仍然面临许多挑战。委员会强调人力资源基础架构建设是未来十年推进地球科学的核心和地球科学相关持续性的社会问题。针对人力资源基础架构建设，委员会提出了以下建议：

　　（1）EAR促进小组应加强其现有努力，提供投资和集中指导，以改善地球科学界的多样性、公平性和包容性。在研究和协作方面能更好地吸纳不同的观点，这将有利于团队创新、问题解决和效率提高，并可以增强科学与目前代表性不足的社区的相关性。

　　（2）EAR应致力于开发和维持技术人员能力、稳定性和竞争力的长期资助。需要高技能的工作人员来帮助解决有关分析、计算和仪器设施开发的复杂地球系统的问题。为使下一代地球科学家适应日益技术化的领域，需要加强对技术人员的财政支持。

　　因此，实施有关网络基础设施和人力资源基础架构的建议，不仅需要资金资助，还需要在政策和实践方面对地球科学界做出重大改变。

　　5合作伙伴关系

　　地球科学的复杂性和跨学科性，促进了NSF和其他机构的合作伙伴关系的发展，增加了EAR资助研究的机会。有效的科学伙伴关系对于创造富有成效的合作、设施利用和确保谨慎使用研究经费至关重要。讨论EAR如何利用和补充其合作伙伴的能力、专业知识和战略计划，以鼓励更大的合作并最大限度地共享研究资产和数据是委员会研究的第三项核心任务。该报告讨论了与NSF和与其他联邦机构的合作伙伴关系，并对未来发展合作伙伴关系提出了建议。

　　（1）与NSF的伙伴关系。随着研究变得越来越多的学科间和跨学科，将继续有机会加强和扩大正式和非正式的合作。敏锐的EAR能够迅速地利用基础科学和跨学科研究中不断变化的前沿，继续更好地向决策者和公众阐明和宣传EAR研究的重要益处。在与他国家科学基金会其部门和联邦机构的讨论中，有两个重复的主题是：①EAR与其他理事建立的成功关系；②EAR在跨理事会、跨机构和国际伙伴关系中富有成效的参与。

　　（2）其他联邦机构的合作伙伴关系。美国国家航空航天局（NASA）、美国能源部（DOE）和美国地质调查局（USGS）为EAR研究提供了重要的支持，并提供多种机会来继续和扩大与其他联邦机构的伙伴关系。与NASA和USGS的合作可以包括：①量化蓄水层和水库的储水量；②了解影响海平面上升的过程；③探索与火山、地震和山体滑坡有关的基础研究；④研究生物地球化学过程的影响。所有这些研究都与EAR有关，这将为卫星和飞机遥感的过程研究和地面观测结合起来的伙伴关系提出了可能性。此外，能源部还在同步加速器辐射设施方面进行了大量投资，以支持地球科学研究。

　　针对未来发展合作伙伴关系，报告提出了以下建议：

　　（1）EAR应与其他GEO部门和其他机构合作，资助跨界的地球科学研究，如海岸线、高纬度地区和大气陆地界面。NSF的多个部门和理事会、联邦机构和国际合作伙伴之间的基础研究和应用研究的交叉点为伙伴关系和合作提供了许多机会。抓住这些机会不仅可以推进研究目标，而且可以更有效地利用相关的基础设施。

　　（2）EAR应积极与NSF其他部门和其他联邦机构合作，推进新的社会相关研究。当存在强烈的共同利益和强大的社区投入和参与时，跨部门协作和跨机构伙伴关系才能发挥最佳效果。其中确定哪些研究领域可能对NSF和其他机构之间的合作有价值也具有挑战。

　　摘自中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2020年第10期赵纪东 刘学等编译