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2020年5月19日，美国国家研究委员会（NRC）发布了《美国国家科学基金会地球科学十年愿景（2020—2030）：时域地球》（NSF地球科学愿景2020-2030: Earth in Time），为未来美国地球科学研究重点、基础设施和设备以及合作伙伴提供了建议。关系提供了重要的指导。

1 优先科学问题

为了确定指导未来地球科学研究的研究重点，美国国家科学院召集并成立了特别委员会。通过在线社区问卷调查、委员会会议上的专家讨论、与地球科学研究界同仁的讨论以及对科学文章和其他信息来源的综合审查，委员会获得了大量意见，最终选定了未来10年（2020-2030）。 ）可能会取得重大进展。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、地球表面与内部的联系、地质与生命的共同进化以及人类活动的影响。

（1）地球内部磁场是如何产生的？

了解地球磁场产生的驱动因素以及控制其变化速度的因素对于了解地球内部与大气的相互作用以及受地磁场影响的人类活动至关重要。

(2) 板块构造何时、为何以及如何开始？

板块构造创造并改变了大陆、海洋和大气，但是板块构造何时在地球上形成，为什么在地球上而不是在其他地方，以及板块构造如何随着时间的推移而发展，人类仍然缺乏了解。

（3）关键元素在地球上是如何分布和循环的？

地质过程所必需的关键元素的循环为生命创造了适宜的条件，并为现代文明所需的物质提供了成分，但这些元素如何在地球内部跨时空运输仍然是一个需要基础研究的问题。

（4）什么是地震？

地震破裂很复杂，地球以不同的速度和方式变形，因此地球科学家需要重新思考地震的性质及其驱动力。

(5) 火山活动的驱动力是什么？

火山喷发对人类、大气层、水圈和地球本身都有重大影响，因此迫切需要研究有关岩浆如何在世界各地不同环境中形成、上升和喷发以及这些系统在整个地质时期如何运行的基本问题。

（6）地形变化的原因和后果是什么？

用于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可以解决连接地球深层和表面的科学问题，以及与地质灾害、资源和气候变化相关的紧迫社会挑战。

(7) 关键区域如何影响气候？

土地的反应性表皮会影响土地和大气之间的水分、地下水、能量和气体交换，因此它对气候的影响对于了解地球系统及其如何应对和将要应对全球变化非常重要。的重要部分。

(8) 地球的过去揭示了气候系统动力学的什么？

整个地球历史上长期和快速环境变化的证据为与现代变化进行比较提供了关键基准，有助于阐明地球系统的动态，告知变化的幅度和速度，并在预测未来变化中发挥关键作用。

（9）地球的水循环是如何变化的？

了解水循环当前和未来的变化需要对水陆系统以及水循环如何与其他物理、生物和化学过程相互作用有基本的了解。

(10)生物地球化学循环如何演化？

量化生物体在岩石和矿物的形成和风化、碳循环以及人类呼吸的空气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？

地球上生命的多样性是地球的一个关键特征，但人类并不完全了解它是如何形成的。因此，有必要了解多样性如何以及为何随着时间、环境和地理发生变化，包括灭绝等重大事件。

（12）地球科学研究如何减少地质灾害的风险和损失？

对地质灾害的预测和定量了解对于减少风险和影响、拯救生命和基础设施至关重要。

2 基础设施和设备

未来对地球及其构成材料的观测将比以往任何时候都更加依赖于新兴技术、数据分析和人力资源的整合。因此，需要一系列仪器和设备来充分解决未来十年的科学优先问题。

对地核和磁场、板块构造、关键元素、地震和火山的研究将受益于用于观察和监测当前地质过程的仪器的改进，特别是在更精细的空间和时间分辨率下。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、能够在各种环境条件下进行实验的实验室设备，以及获取整个地球历史上火成岩、变质和构造过程记录的分析仪器。

对于地形、关键区域、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来检测变化；材料特性的表征；长期观察和实验以研究流域过程；降水和径流监测站；水固体通量及其驱动因素、水分、气体等的现场仪器记录；卫星监测数据；量化地质时间尺度上的年龄和速率的能力；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；以及面向过程的环境代理方法。理解。

所有这些问题都需要：改进的高性能计算、改进的建模能力、增强的数据管理和标准化能力以及将多种类型记录的观察结果链接在一起的强大的网络基础设施。

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的优先级标准定期评估EAR 支持的设施以及整个EAR 支持的基础设施组合。投资未来的基础设施、必要且经过验证的设施，并适应不断变化的科学优先事项。

根据上述分析，委员会对基础设施和设备提出以下建议：

(1) EAR 应资助国家地质年代学联盟。改善地质过程的年龄和速率限制对于当前和未来的地球科学研究至关重要。

(2) EAR 应资助一个非常大的多砧压制设施。量化岩石、矿物和熔体的物理和力学性质是EAR研究的基石，但美国仍然缺乏合成新样本和进行关键物理性质和变形实验的能力。

(3) EAR 应资助近地表地球物理中心。近地表区域（从地表到数十米至数百米深处）的地球物理调查已成为许多地球科学领域的重要工具。

(4) EAR 应支持SZ4D 计划的持续发展，包括火山喷发响应社区网络。该社区倡议旨在更深入地了解俯冲过程，俯冲过程驱动地球内部的演化并导致地震、海啸和火山爆发等毁灭性地质灾害。

(5) EAR 应鼓励社区探索大陆关键区倡议。量化关键带区域在整个深度范围内的特征对于了解水、碳和养分循环、景观演变和灾害预测以及土地-气候相互作用是必要的。

(6) EAR 应鼓励社区探索大陆科学钻探计划。改进支持美国研究人员参与大陆钻探的机制将增加获得解决许多优先问题所需的连续地质记录的机会。

(7) EAR 应促进社区工作组的发展，以归档和组织当前和未来的物理样本，并为此类工作提供资金。这些物理档案及其相关元数据不断引入新的问题和分析方法，在收集相关材料多年后对科学家来说仍然具有无价的价值。

3 网络基础设施

网络基础设施由软件工具组成，用于收集、分析、集成、建模和存档所收集的信息以及相关元数据的上下文信息。它还描述了高性能计算数据。工具和计算方法的开发和维护主要由EAR的地理信息学和仪器项目、EarthCube计划以及NSF支持的持续科学创新项目支持。

3.1 为网络基础设施提供多用户设施

EAR 支持由多个项目支持的10 个多用户设施，平均每年提供1,070 万美元的资金。

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

(2) 水文科学促进大学联盟(CUAHSI) 的使命是开发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学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）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，这些模块预测流体运动以及沉积物和溶质在景观及其沉积盆地中的运动。通量（产生、侵蚀、传输和沉积）。

(5) 高分辨率数据和工具设施（OpenTopo）提供对激光雷达生成的高分辨率地形数据集和分析工具的基于网络的访问，以支持陆地地球过程的研究和培训。

（6）基于磁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磁数据开发和维护一个开放的社区数字数据档案，允许研究人员和其他用户继续自由地访问档案、搜索、可视化、操作和下载数据。

(7) Neotoma古生态数据库（NPDC）是一个在线数据中心，提供过去500万年以来存在的古环境数据，用于数据管理、研究和教育。

(8) 开放核心数据库（OCD）提供来自科学大陆和海洋钻探项目的可查找、可访问、可互操作和可重用（FAIR）数据。

(9) ALPHA-MELTS开发的软件包括岩石学、地球化学和地球动力计算热力学的模型和算法，使地球科学家能够执行具有内部热力学一致性和全面的挥发性和微量元素计算正演模型的复杂岩石成因场景。所有软件均可免费提供给科学界。

（10）通用绘图工具（GMT）是大约90 个命令行工具的开源集合，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 透视在内的各种图形绘图、动画等

3.2 未来网络基础设施建设的挑战与建议

(一)数据管理与归档

地球科学界共同产生大量具有科学价值但格式不同的数据。未来的需求：以数字形式存储遗留数据和元数据； 制定数据和元数据领域的社区标准； 制定数据产生时的归档、整理、分析和可视化方法； 为数据库提供可靠、持续的支持，使其在单个资助周期后不会过时或无法使用。

(2)公平标准

整个科学界越来越认识到开放科学原则和采用公平数据标准的重要性。该报告建议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 实践。

(3)需要改进计算

EAR 在试图跟上快速发展的计算环境（包括云、图形处理单元、边缘以及可能的量子计算）方面面临着挑战。未来十年，需要将地球科学和尖端计算工具相结合来推进该领域的研究。为了在未来十年实现资源的最佳投资，建议EAR 就其研究人员的需求、网络基础设施的机会以及不断变化的计算和建模能力提供定期指导。 EAR 应赞助一个基于社区的常设委员会，就网络基础设施需求和进展向EAR 提供建议。

4 人力资源基础设施

实现本报告中提出的科学和基础设施目标将需要强大和创新的劳动力队伍。然而，地球科学作为一个群体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，人力资源基础设施建设是未来十年推动地球科学发展以及与地球科学相关的可持续社会问题的核心。针对人力资源基础设施建设，委员会提出以下建议：

(1) EAR 促进小组应加强其现有努力，提供投资和重点指导，以改善地球科学界的多样性、公平性和包容性。在研究和合作中更好地纳入不同的观点将促进团队创新、问题解决和效率，并可以增强科学与目前代表性不足的社区的相关性。

(2) EAR 应致力于长期资助，以培养和维持技术人员的能力、稳定性和竞争力。需要高技能的工作人员来帮助解决与分析、计算和仪器设施开发相关的复杂地球系统问题。为了培养下一代地球科学家进入日益技术化的领域，需要增加对技术人员的财政支持。

因此，实施网络基础设施和人力资源基础设施的建议不仅需要资金，还需要地球科学界的政策和实践发生重大变化。

5 合作伙伴

地球科学的复杂性和跨学科性质促进了NSF 与其他机构之间合作伙伴关系的发展，增加了EAR 资助的研究机会。有效的科学伙伴关系对于建立富有成效的合作、设施利用和确保审慎使用研究资金至关重要。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，以鼓励加强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个核心任务。该报告讨论了与NSF 和其他联邦机构的合作伙伴关系，并为未来发展伙伴关系提出了建议。

(1) 与NSF 合作。随着研究变得越来越跨学科和跨学科，将继续有机会加强和扩大正式和非正式的合作。精明的EAR 能够迅速利用基础科学和跨学科研究不断变化的前沿，继续更好地向政策制定者和公众阐明和传达EAR 研究的重要好处。在与其他NSF 部门和联邦机构的讨论中，两个反复出现的主题是： EAR 与其他受托人的成功关系； EAR 在跨目录、跨机构和国际合作伙伴关系中富有成效的参与。

(2) 与其他联邦机构的伙伴关系。 NASA、美国能源部(DOE) 和美国地质调查局(USGS) 为EAR 研究提供重要支持，并提供多种机会来继续和扩大与其他联邦机构的合作关系。与NASA 和USGS 的合作可包括： 量化含水层和水库的储水量； 了解影响海平面上升的过程； 探索火山、地震、滑坡等基础研究； 研究生物地球化学过程的影响。所有这些研究都与EAR 相关，这将提高将卫星和飞机遥感过程研究与地面观测相结合的合作伙伴关系的可能性。此外，能源部还对同步加速器辐射设施进行了大量投资，以支持地球科学研究。

报告对未来发展伙伴关系提出以下建议：

(1) EAR 应与其他GEO 部门和其他机构合作，资助跨边界的地球科学研究，例如海岸线、高纬度和大气-陆地界面。 NSF 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，还可以更有效地利用相关基础设施。

(2) EAR应积极与NSF其他部门和其他联邦机构合作，推动新的社会相关研究。当有强烈的共同利益以及强有力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作用。在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方面也存在挑战。

转载本文请注明出处和作者：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，赵继东、刘雪、刘文浩、王利伟编译；郑俊伟审编。