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2016年国际地球科学领域发展态势概览

2017-3-17 16:46:40 来源:中国矿业报 作者:郑军卫 赵纪东 张树良 王金平

编者按地球科学是与自然环境演化和社会经济发展密切相关的一门历史悠久的自然学科,其在人类认识、利用和管理我们赖以生存的这个星球(地球)方面发挥了不可替代的作用。随着人类经济社会以及地球科学本身不断发展,地球科学的研究方向和关注热点也在缓慢发生着改变。本文主要基于对2016年国际地球科学领域的重要科学战略规划、重要科技进展和重要科技文献等反映的科学研究发展动态的系统监测和整理,遴选并总结了2016年国际地球科学领域的主要科学前沿问题和科技发展态势,以供读者参阅。

固体地球科学发展态势

1.地球深部研究取得新发现

地球深部研究一直是国际地球科学研究的重点和难点。2015年12月,澳大利亚国立大学研究小组宣布成功获得地球地幔底部的完整图像,将为有关深部地幔的动力学特征和地核的地磁发生机制研究产生重要的推动作用。2016年4月,美国卡内基科学研究所研究人员公布了地核中高压条件下与铁的化学组成有关的一些出人意料的研究发现,并据此推断碳和氢并不是地核中主要的轻元素。2016年9月,美国哥伦比亚大学对取自南太平洋岛屿和印度洋岛屿的玄武岩橄榄石斑晶的一项联合研究表明,玄武岩来自深部地幔含碳质橄榄岩,提出了地幔组分来源的新机理——富含碳酸岩的洋壳与地幔相互作用并被储存于深部地幔,颠覆了学术界现有对壳幔循环的认识。

2.地球板块演化研究获得重要认识

有关地壳的形成和板块的演化是地球科学长期研究的基础科学问题。2015年底,由澳大利亚、挪威和美国研究人员组成的联合研究小组宣布,成功开发出迄今为止最为精确、时间尺度最长的古大陆演化分析系统,这不仅将推动板块构造及地球形成与演化、地球生命起源与演化,以及地外生命探索等研究的进展,而且将大大推动矿物资源特别是油气资源勘探的进步。2016年5月,英国、加拿大科学家的联合模拟研究表明,古板块边界可能深藏在目前地球板块内部,远离当前所认识的板块边界,颠覆了以往认为大多数板块构造活动发生在板块边界的传统认识,其将导致对现行板块构造理论的重大修订。

3.地震预警实践得到持续推进

有关地震预警的研究和实践得到重视。2016年初,美国加州大学伯克利分校领衔的研究团队基于安卓平台开发出一款名为MyShake的手机软件,通过采集并分析由智能手机的加速度计提供的数据,实现了对地震所引发震动的识别,有望用于5级以上地震的预警。2月,白宫地震恢复峰会宣布,ShakeAlert 系统已经有能力在美国加州的某些地区为一些测试用户提供服务。8月,美国地质调查局(USGS)宣布向6所大学提供资助,共同改进美国西海岸ShakeAlert系统的传感器和遥测设施外,同时还将实时GPS监测数据整合入ShakeAlert系统,以更快地监测破坏性地震,并更彻底地对自身系统进行测试。

资源科技发展态势

1.全球新一轮的矿产资源勘探部署业已展开

矿产资源依然是当前经济社会发展的重要物质基础,一些矿业大国依旧重视对矿产资源的勘探开发。2016年3月,澳大利亚政府为了提升其资源产业的生产力和竞争力,提出将资助1亿澳元,用以在澳南部和北部进行矿产、能源和地下水潜力的测绘。6月,英国国家海洋研究中心执行了深海矿产勘探新技术测试任务,对一些用于勘探深海矿床以及评估矿物成分的创新技术进行了测试。此外,加拿大矿业协会、加拿大勘探开发者协会等在内的多家机构发挥各自优势,积极为该国矿业繁荣发展建言。

2.水力压裂带来的环境风险得到更多关注

与非常规油气开发相关的环境风险研究一直受到各方重视,但各国对水力压裂的态度仍存在分歧。2016年1月,美国科学家评估非常规油气开发会给水质和水量带来风险后指出,不同开发阶段带来的风险不同,溢出和泄漏数据缺失是影响风险评估的重要障碍。同月,德国科学家发布综合研究报告,全面评估了德国的页岩油气潜力,以及与勘探和开发相关的不利影响,特别是环境问题。2月,德国专家对与压裂流体有关的所有已知数据和信息调查分析后认为,目前研究对压裂流体的潜在风险仍存在不确定性,相关潜在风险的综合评估需要全面披露压裂流体的成分。6月,德国议会通过了有关水力压裂的管理法规,禁止对页岩气和页岩油的水力压裂开发。10月,英国政府则批准了一项位于英格兰北部兰开夏郡的页岩气水力压裂开采项目。

3.能源矿产资源勘探开发技术得到重视

新型技术在提升矿产资源开发利用和回收方面发挥着重要作用,新技术研发得到普遍重视。2016年3月,哈佛大学科学家开发出一种对环境无害的利用细菌分离稀土的新方法,可以利用细菌表面化学性质的不同,来分离和回收有用金属。6月,芬兰拉普兰塔理工大学科学家开发出了从天然卤水中提取锂的新方法,不仅提高了锂的回收率,并且将锂溶液的纯度从95%提高至99.9%,这是传统方法难以实现的。2016年5月,美国能源部国家能源技术实验室宣布投资2000万美元,建立一个新的化石能源研究高校联盟,将从联盟高校成员中召集一个多学科的研究小组,致力于攻克阻碍化石能源技术进步的存在于基础研究中的种种挑战。6月,美国能源部宣布确定新一批能源研发项目,专门支持小企业开展化石能源研究及技术转移,以推动美国在更大范围内高效利用化石能源资源。

大气与海洋科学发展态势

1.成云机理及气溶胶作用研究获得新认识

准确描述气溶胶粒子与云滴形成机制之间的联系,是当前大气科学研究的热点和难点。2016年2月,法国科学研究中心牵头的一项研究表明,可挥发性有机物在云滴中凝结,形成气、液、固混合相的二次有机气溶胶(SOA)粒子,该研究首次证实云滴影响大气有机气溶胶粒子形成过程。3月,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室利用压缩膜模型,阐释了微观层面云滴形成的新机理——有机分子促进大水滴的形成。6月,美国NASA的联合研究揭示,大气气溶胶会延长风暴生命周期,促进产生更多极端风暴。

2.大气环流及其影响研究取得新进展

大气环流研究是极端气候事件、长期气候预测的重要基础,对提升预测水平具有重要影响。2016年9月,美国国家大气研究中心推出高分辨率的气候模型,其能精确捕捉到“大气河流”过去100年的登陆频率、位置及相关的风暴等活动情况,并预计未来与大气河流相关的降水强度将增强。同月,英国牛津大学研究发现2016年最规律的气候循环——准两年振荡(QBO)被中断,其将对天气和气候产生深远影响。德国波茨坦气候影响研究所通过对北半球极端天气事件的分析,提出北半球中纬度地区极端天气事件与行星波的停滞有关,并结合其他研究指出,行星波活动引发了北半球极端天气。

3.国际大气科学研究未来优先领域布局

2016年3月,美国发布《下一代地球系统预测:次季节至季节性预报战略》,将聚焦用户参与预报产品开发过程,提升次季节至季节性预报质量,提升灾害天气和极端事件的预测能力,提升全耦合地球系统模式预报能力。8月,美国国家科学院未来大气化学研究委员会发布《大气化学研究的未来:铭记昨天、了解今天、期待明天》报告,总结未来十年大气化学研究优先领域:提升大气气体与气溶胶的分布、反应和周期的预测,定量分析大气气体与气溶胶的排放与沉降,改进大气化学在气候模式中的集成,理解威胁人类健康的气体及过程,理解大气化学与生物地球化学之间的反馈。

4.气候变暖引发的海洋升温、海平面上升、生态影响等后果受到高度关注

2016年7月,韩国浦项科技大学研究人员首次对过去60年里印-太暖池(IPWP)变暖及其扩张进行了定量归因判断,分别分析了人类影响及自然的贡献,指出暖池变化的82%以上是由受人类影响的温室气体造成。8月,美国国家大气研究中心发文指出,未来10年全球海平面上升的速度将明显加快。9月,世界自然保护联盟发布《海洋变暖解析:原因、尺度、影响和后果》报告,分海洋变暖的背景、从物种到生态系统再到服务的传递效应、海洋变暖对物种和生态系统的意义、暖海区商品及服务的重要性、结论及建议5个方面,对海洋变暖原因及其影响进行了分析。10月,美国伍兹霍尔海洋研究所首次发现,海洋温度变化对海洋浮游植物关键物种的影响巨大。

5.新的海洋研究技术手段得到应用

2016年6月,美国综合大洋观测系统宣布,提供超过3100万美元的资助,用于美国周边海域、加勒比海和太平洋的观测。7月,美国大气海洋管理局宣布,将采用新的动力核心-数值气象预报模型引擎,开发一个最先进的全球性天气预报模型,以取代美国全球预报系统。8月,“热带太平洋观测系统2020”项目发布《TPOS 2020初次报告》,旨在加强和重新设计热带太平洋的观测系统,重点分析了热带太平洋观测系统的需求并提出建议。10月,英国最大规模的海洋机器人科考队伍在苏格兰西北部成功完成了一项为期两周的水下作业任务,部署了7个深水滑翔机和3个表面波浪滑翔机。

6.主要国家和国际组织加强对海洋污染和环境保护的关注

2016年6月,美国国家科学院等宣布1000万美金的资助项目,加强墨西哥湾地区沿海弹性社区的科学与实践基金项目建设。7月,美国国家科学院再次发布报告,提出了一套监测和评价生态修复的行动,旨在进一步提高修复效果。同月,联合国环境规划署等发布《海洋垃圾重要图示》报告,详细阐明了海洋垃圾的定义及种类、海洋垃圾的影响、处理海洋垃圾的成本以及减少海洋垃圾的措施等。9月,美国总统奥巴马在第三届“我们的海洋”会议上宣布,将在大西洋建立美国第一个国家海洋保护区。10月,联合国环境规划署在线发表题为《海洋垃圾立法:政策制定者的工具包》报告指出,海洋垃圾造成的污染已经严重危害到海洋的生态系统健康与海洋经济的可持续发展,并且对沿海生态系统造成了极大威胁。

研究基础平台设施建设

1.大型监测网络推进地球系统科学深入研究

2016年1月,美国大气海洋管理局、美国国家航空航天局和欧联合作,成功发射了Jason-3卫星,可以收集海洋变化数据,预测飓风强度。同月,美国大气研究中心启动南大洋航空观测计划ORCAS,以推进对南大洋吸收二氧化碳的能力的研究。5月,美国行星资源公司完成首轮融资,打造由10颗近地轨道卫星组成并配有第一个商用红外和高光谱传感器的Ceres地球观测系统,以便用于地球资源勘探与分析。

2.新设备使难监测目标的研究取得突破

2016年4月,麻省理工学院研究人员利用回旋震荡管开发出的一种新技术,其利用毫米级射频波穿透坚硬的岩石并可使岩石融化、蒸发,该技术将不仅加深对地壳钻探的深度,还可对对岩石成分进行分析,对于地球深部资源的勘探和开发具有重要意义。11月,美国国家航空航天局宣布,美国军方基于使用远程监测空气的技术,制作出了一个全新的仪器——生命探测激光雷达仪(BILI),将实现对太阳系中火星生命目标的探测。□

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