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》^[1]，为未来美国地球科学研究优先事项、基础设施与设备，以及伙伴关系提供了重要指南。

　　一、优先科学问题

　　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，最终选择确定了未来10年内有可能取得重大进展的12个问题。这12个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带来的影响。

　　1、地球内部磁场产生的机理。了解推动地球磁场产生以及控制地球磁场变化速度的机理，这对于理解从地球内部到大气层的相互作用，以及地磁场对人类活动的影响至关重要。

　　2、板块构造开始的时间、原因和方式。板块构造产生并改变了大陆、海洋和大气层，但人类对板块构造在地球上形成的时间、为什么地球上会发生、以及板块构造将随着时间如何推移发展，目前仍然缺乏了解。

　　3、关键元素在地球上的分布和循环。地质过程所必需的关键元素（critical elements）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、地震的本质及其驱动力。地震破裂是复杂的，地球以不同的速度、不同的方式发生变形，因此，需重新考虑地震的本质及其驱动力。

　　5、火山活动的驱动力。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在全球各地不同环境中的形成、上升和喷发的机理，以及火山喷发在整个地质时代如何发生等基础问题进行研究。

　　6、地形变化的原因和后果。从地质时间尺度到人类时间尺度测量地形变化的新技术，将有助于解决地球深部和地表相关的科学问题，以及与地质灾害、资源和气候变化有关的紧迫社会挑战。

　　7、关键带对气候的影响。陆地的反应性表层（reactive skin）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的重要组成部分，也是陆地的反应性表层对全球变化已经和将要做出反应的重要组成部分。

　　8、地球历史揭示出来的气候系统动力学问题。地球历史上长期和快速环境变化的证据提供了与现代气候变化比较的关键基准，有助于阐明地球系统的动力学，提供气候变化的幅度和速度，并在预测未来气候变化方面发挥关键作用。

　　9、地球水循环的变化方式。要了解水循环目前和未来的变化，需要从根本上了解水-陆系统，以及了解水循环与其他物理、生物和化学过程发生相互作用的方式。

　　10、生物地球化学循环的演化。生物在岩石和矿物的形成与风化、碳循环，以及空气的成分中发挥了重要的作用，要量化生物的这些作用，需要对生物地球化学循环有更深入的了解。

　　11、地质过程对生物多样性的影响。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的形成过程。因此，需要理解多样性随着时间、环境和地理的变化而发生变化的方式和原因，包括像生物灭绝这样的重大地质事件。

　　12、定量认识和预测地质灾害以降低风险和损失。对地质灾害的预测和定量认识对减少风险和影响、拯救生命和基础设施至关重要。

　　二、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将新兴技术、数据分析与研究力量的相互结合。因此，需要一系列的仪器和设备来充分解决未来10年的科学优先问题，主要包括4个方面的需求。

　　（1）地核和磁场、板块构造、关键元素、地震和火山的研究，需要改进用于观测和监测当前地质过程的仪器，应具有更精细的空间和时间分辨率。包括地震和大地测量设备、快速响应仪器、不受复杂环境影响的实验室设备以及获取火成岩、变质岩和构造过程记录的分析仪器。

　　（2）地形、关键带、气候、水循环和地质灾害研究，需要加强包括高分辨率和重复测量、材料特性、流域过程、降水和径流、水、固体通量及其驱动因素、湿度、大气、卫星、地质时间尺度的年代和速率量化、过去环境状态替代测量等领域的数据监测与采集。

　　（3）生物多样性和生物地球化学循环的研究，需要开展古生物学、地球化学、基因组学、地层学和沉积学的时空记录特征、精确的地质年代学以及面向过程的环境代用指标等领域的研究。

　　（4）所有以上科学问题，还都需要提升高性能计算、改进建模能力、强大的数据管理和标准化功能以及互连的网络基础架构，从而对多种类型记录进行观察。

　　为了对美国国家科学基金会（NSF）地球科学部（EAR）所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基础设施及其组合，以便优先考虑未来基础设施投资，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7个建议。

　　（1）EAR应资助成立国家地质年代学联盟。改善对地质过程年代和变化速率研究的限制，这对地球科学当前和未来的研究至关重要。

　　（2）EAR应资助建设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，目前，美国缺乏合成新样本、进行岩石和矿物关键物理性能和变形实验的能力。

　　（3）EAR应资助建设近地表地球物理中心。近地表区域（从地表到数十至数百米的深度）的地球物理调查是许多地球科学领域的重要工具。

　　（4）EAR应支持“俯冲带四维”（SZ4D）计划的持续发展，包括支持火山喷发响应学术共同体网络。该计划寻求对俯冲过程更深入的理解，这一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应鼓励探索大陆关键带计划。该计划将对于了解水、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的地球特征非常必要。

　　（6）EAR应鼓励探索大陆科学钻井计划。不断改进机制，支持美国研究人员参与大陆钻探，将有助于收集解决许多优先问题所需的连续地质记录。

　　（7）EAR应促进学术共同体工作组开发用于归档和整理当前和未来的物理样本，并加大对此类工作的投资力度。因为这些物理档案及其相关的元数据对科学家具有宝贵价值。

　　三、网络基础设施

　　网络基础设施由一系列软件工具组成，这些工具用于收集、分析、集成、建模和存档所得到的信息，以及来自相关元数据的上下文信息。网络基础设施还包括高性能计算数据。工具和计算方法的开发与维护主要由EAR的地学信息学和仪器设备项目、EarthCube计划以及NSF支持的持续科学创新项目支撑。

　　1、提供网络基础设施的多用户设施。EAR目前通过多项计划支持10个多用户设施，每个设施平均每年得到1070万美元的资金资助。

　　（1）跨学科的地球数据联盟（IEDA）：当前最大的多用户网络基础设施，旨在收集全球地球化学和海洋地球科学研究的学术共同体数据，并支持保护、发现、检索和分析广泛的观测数据，并分析数据类型。

　　（2）水文科学发展大学联盟（CUAHSI）：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）：是一个学术共同体驱动的组织，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）学术共同体表面动力学建模系统（CSDMS）：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）：提供由激光雷达和摄影测量等技术生成的高分辨率地形数据集和分析工具的网络访问，以支持地球科学的研究、培训和教育。

　　（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开放的学术共同体数字数据存档，使研究人员和其他用户能够继续自由地获取、搜索、可视化操作和下载数据。

　　（7）新托马（Neotoma）古生态学数据库（NPDC）：管理、研究和教育过去500万年古环境数据的在线数据中心。

　　（8）开放的岩心数据库（OCD）：提供对来自大陆和海洋钻探项目的数据可发现、可访问、可互操作和可重用（即FAIR原则）。

　　（9）ALPHA-MELTS系列软件：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，能够执行复杂地球科学计算场景的前向模型。所有软件免费提供给科学界使用。

　　（10）通用制图工具（GMT）：包含大约90个命令行工具的开放源码集合，具有过滤、趋势拟合、网格化、投影等功能，可以生成3D透视图和动画等。

　　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。地球科学界产生了大量具有科学价值但格式不同的数据。未来需要：将遗留数据（legacy data）和元数据以数字化形式存储；制定数据和元数据的学术共同体标准；制定数据产生时的存档、整理、分析和可视化方法；对数据库提供可靠、持续的支持，确保它们不会在单一筹资周期后过时或无法使用。

　　（2）FAIR标准。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。建议EAR制定并实施一项战略，以支持在数据工作中的FAIR做法。

　　（3）改善计算需求。EAR在试图跟进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）所面临的挑战。未来10年，地球科学和尖端计算工具集成需要推进这一领域研究。为了进行最优投资，建议EAR对研究人员的需求、网络基础设施的机会、不断变化的计算和建模能力进行定期指导。EAR应建立基于学术共同体的常设委员会，就网络基础设施的需求和进展向EAR提供建议。

　　四、人力资源基础架构

　　地球科学作为一个学科，在发展和维持足够的能力、专业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10年地球科学的核心和持续性问题。针对人力资源基础架构建设，委员会提出了两项建议。

　　（1）EAR促进小组应加强其领导力、资助和集中指导，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，这不仅有利于团队创新、问题解决和效率提高，还可以增强地球科学与其他学科的联系。

　　（2）EAR应对技术人员进行长期资助，以提高和维持其能力、稳定性和竞争力。在研究复杂地球系统问题时，需要高技能的技术人员进行分析和计算，并开发仪器设施。为使下一代地球科学家适应研究的日益技术化，应加强对技术人员的财政支持。

　　五、合作伙伴关系

　　地球科学的复杂性和跨学科性，促进了EAR与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。为了满足跨学科工作持续增长的需求，在海岸线和人，食品、能源和水系统领域的创新等正在进行以及新的NSF跨部门活动中，EAR扮演着积极的角色。

　　（1）与NSF的伙伴关系。随着越来越多的跨学科研究，EAR应继续加强和扩大正式和非正式的合作。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其研究优势。

　　（2）与联邦政府其他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，并促使EAR继续和扩大与联邦其他机构的伙伴关系。与NASA和USGS的合作可以包括：量化蓄水层和水库的储水量；了解影响海平面上升的过程；开展与火山、地震和山体滑坡有关的基础研究；研究生物地球化学过程的影响。

　　针对未来发展合作伙伴关系，报告提出了两项建议。

　　（1）EAR应与NSF地球科学部其他部门和机构合作，资助更多跨领域的地球科学研究。NSF的多个部门、学部、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为其提供了合作机遇。抓住这些机遇不仅可以促进研究目标的推进，而且可以更有效地发挥相关基础设施的作用。

　　（2）EAR应积极与NSF其他部门和联邦机构合作，推进新的地球学科相关前沿研究。当存在强烈的共同利益及强大的学科投入和参与时，跨部门协作和跨机构伙伴关系才能发挥最佳效果。其中确定开展哪些领域研究可能对NSF和其他机构之间的合作更具有价值也面临着更大挑战。                              

　　（赵纪东 刘学 刘文浩 王立伟）