我們的地球是一個有生命的有機體，不僅有大氣、陸地、海洋之間的物理化學過程，生物也會對環境產生重大影響，與環境組成一個相互作用的整體。進入人類世以來，人類更是成為驅動地球系統演變的主導力量，排放溫室氣體、開採資源，破壞地球系統的穩定性，而這反過來對人類自身的可持續發展構成挑戰。地球系統與人類的福祉息息相關，理解其中複雜的物理、化學、生物和人類過程對我們具有重要意義。2020年1月發表於 nature reviews earth & environment 的文章「The emergence and evolution of Earth System Science」，回顧了地球系統科學發展的歷程，強調了將孤立研究地球系統各個組分的傳統學科連接起來，建立一個真正統一的地球系統科學的願景。集智俱樂部組織翻譯了全文，以饗讀者。
同時集智俱樂部將組織地球系統科學讀書會，自2021年12月14日開始，每周二晚上19:00-21:00，持續時間預計 7-8 周，重點探討近年來系統科學、人工智能等學科為地球系統科學提供的創新研究方法，尤其是統計物理與深度學習在地球系統科學中的應用，共讀前沿文獻，激發科研靈感。歡迎從事相關研究、對相關領域有濃厚興趣的探索者報名參與交流。詳情見文末。
研究領域：地球系統科學，氣候變暖，臨界點，人類世，人類動力學
Will Steffen, Katherine Richardson等人| 作者
晏麗| 譯者
張澳| 審校
鄧一雪| 編輯
The emergence and evolution of Earth System Sciencehttps://www.nature.com/articles/s43017-019-0005-6#change-history目錄
摘要
內容要點
一、地球系統科學的興起
二、地球系統科學的工具和方法
三、地球系統科學產生的新概念
四、地球系統科學的未來發展方向
參考文獻
地球系統科學（Earth System Science，ESS）是多門學科的融合結果，旨在了解地球作為一個複雜適應系統的結構和功能。本綜述討論了地球系統科學的興起和發展，並概述了這些發展在促進我們對全球變化的理解方面的重要性。受生物圈-地圈相互作用（biosphere-geosphere interactions）早期工作和蓋亞假說（Gaia hypothesis）等新觀點的啟發，地球系統科學在20世紀80年代隨着人們對「地球科學」這一新學科的需求而出現。不久，國際地圈-生物圈計劃（International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）也隨之實施，地球系統科學的國際投入及跨學科融合程度達到了前所未有的水平。地球系統科學提出了新概念和框架，包括人類世（Anthropocene）、臨界因素（tipping elements）和地球行星邊界（planetary boundaries），這些新概念和框架處於全球變化的討論核心。地球系統科學面臨的重大挑戰是實現生物物理過程和人類動力學的深度融合，以建立對地球系統的統一理解。幾萬年來，世界各地的本土文化都已經認識到，人類是環境系統循環中不可分割的一部分。然而，直到20世紀初，當代系統思維才被應用於地球，從而催生出地球系統科學。在冷戰背景下，環境科學和複雜系統科學興起時，人們逐漸認識到生命對地球的物理化學環境影響巨大，地球系統科學應運而生[1-3]。從那時起，地球系統科學框架已經成為理解地球作為獨立的複雜適應系統運行的強大工具。地球系統是由能量、物質和生命之間多樣的相互作用驅動的。地球系統科學將孤立研究地球系統某個組分的那些傳統學科連接了起來，以此建立對地球的統一理解。人類活動在過去兩個世紀中不斷破壞系統的穩定性，如今必須以系統的觀點研究全球變化及其在行星尺度的影響和風險（包括氣候變化、生物多樣性損失和營養負荷等）。事實上，地球系統科學最緊迫的挑戰之一，是確定近現代發生的全球變暖是否是人類造成的結果，如果確實是，如何能夠最有效地避免全球變暖。該綜述中，我們探討了地球系統科學的萌芽和發展，概述了它的歷史、工具和方法、新概念和未來方向。我們主要關注地球地表系統，即大氣、冰凍圈、陸地、海洋和地圈之間相互作用的物理、化學和生物過程。地球系統科學的其它定義包括了地球內部[4-5]，雖然隨着時間尺度的增加，考慮這一因素變得越來越重要[6]，但當前我們關注的仍是地球系統內大多數物質循環所處的地球表面。我們從地球系統科學的簡史開始，概述了重要的歷史階段，包括：
地球系統科學的萌芽（1970年代的開端）；
地球系統科學的建立（20世紀80年代一門新科學的創立）；
地球系統科學的發展（1990年代的全球擴張）；
地球系統科學的現狀（2015年至今的發展）；
描述地球系統科學發展的關鍵事件、論文、人物和組織的時間表如下圖所示。圖1. 20世紀中期以來地球系統科學發展的時間軸（其中綠色表示關鍵組織、黃色表示關鍵論文及人物、粉紅色表示關鍵事件）
過去對地球的概念化是現代地球系統科學理解的重要基礎，例如1788年 J. Hutton 的《地球理論》、19世紀的洪堡科學（Humboldtian science，指19世紀德國科學家 Alexander von Humboldt 發起的一場科學運動）以及1926年 V. Vernadsky 的《生物圈》[7]。然而，地球系統科學的萌芽始於20世紀後半葉的冷戰背景，當時地球科學和環境科學發生了重大變化[8]。由於軍事發展的需要，地球物理學獲得了前所未有的發展機遇[9]。此外，調查和監控全球環境已然成為一項戰略必要，用於日後為現代地球系統科學提供信息[10-11]。20世紀中葉，以國際地球物理年1957-58為代表的國際科學開始發展[12]。這一史無前例的研究運動凝聚了67個國家的努力，獲得了對地球圈，特別是冰川學、海洋學和氣象學更為全面的了解。國際地球物理年的一個關鍵影響是：人們對地球運作方式的認識發生了持久性的轉變。過去地理學家們推崇的基於實地觀測研究地質和氣候的經典方法，被實地測量、多變量連續定量監測和數值模型所取代[13]。這種轉變催生了構成現代地球科學的兩種範式：現代氣候學（modern climatology）和板塊構造學（plate tectonics）[14-15]。生態學和環境科學的發展也十分迅速[16]。生態系統生態學（Ecosystem ecology）誕生於 E. Hutchinson 及 H. Odum 和 G.E. Odum 兩兄弟的研究成果，並得到了環境問題科學委員會（Scientific Committee on Problems of the Environment，SCOPE）的支持。國際生物計劃（International Biological Programme，IBP）[17]等大型項目是全球生態研究的重要基石，這些成果為理解生物圈在整個地球系統運作中的作用提供了堅實基礎[18-22]。至上世紀60到70年代，科學界和公眾對環境問題的意識在不斷增強。R. Carson《寂靜的春天》的出版[23]、1972年聯合國人類環境會議上「只有一個地球」的演講[24]、關於臭氧消耗和氣候變化的首次警報[25-26]以及羅馬俱樂部出版的《增長的極限》，無不在持續推動人們對環境的認識[27]。《增長的極限》一書警告，資源枯竭和環境污染將限制經濟增長[28]。而隨後1972年12月7日阿波羅17號航天器上的宇航員拍攝的「藍色彈珠（The Blue Marble）」圖片，向公眾突出了地球的整體性，更展現了地球的脆弱性[29-31]。在地球系統科學萌芽過程中，J. Lovelock 於1972年引入了蓋亞假說，把地球比作一個能夠自我調節的、有生命的有機體，即生物和與其相互作用的環境組成了一個整體，並且生物通過內穩態反饋來調節全球環境[32]。儘管這一假說引起了科學辯論和批判[33-34]，但它也產生了一種思考地球的新方式，強調了生物群對全球環境的重大影響、連接地球系統主要組分之間的相互聯繫以及反饋的重要性[35-37]。圖3. James Lovelock 於2006年出版的《蓋亞的復仇: 地球氣候危機與人類命運》。更多有關蓋亞假說的介紹可參考往期文章：《蓋亞假說：地球是一個生命體嗎？》
至1980年，在環境保護意識萌芽及幾次大規模實地調查的推動下，Vernadsky 進行了開創性的研究，Lovelock 則提出了蓋亞假說，這一系列科學發展讓人們形成了對地球的新認識，並挑戰了我們過去對地球僅有的地球物理認識，改變了我們對環境和自然的看法[16,38]。一門新的科學，一門更正式、更有組織的地球系統科學已準備就緒。隨着人們對氣候變化認識的加深，上世紀80年代的許多研討會和會議報告都呼籲建立一種新的學科——「地球科學」[39-40]。而這一呼籲的共識則是，若要建立一門新的科學，其必須建立在將地球視為一個整體，即地球系統的基礎上。NASA 將這項新的學科命名為「地球系統科學」。NASA地球系統科學委員會成立於1983年[41]，旨在支持地球觀測系統衛星和相關研究，通過相關觀測、建模和過程研究，推動地球系統科學定義的不斷發展。NASA領導的研究計劃還開發了地球系統的視覺表徵，其中最著名的是 NASA 的 Bretherton 圖（NASA Bretherton Committee diagram，見圖4）。Bretherton 圖是地球系統的首個系統動力學表徵，它通過一系列複雜的作用力和反饋，將物理氣候系統和生物地球化學循環耦合。人類通過三種作用力（二氧化碳、污染物排放和土地利用變化）及其相應的影響[42]，構成了一個與地球系統其它部分相連的新的整體（如圖4所示，右邊粉紅色方框表示的人類活動與整個地球系統聯繫在了一起）。通過將連接地球系統各組分的相互作用的物理、化學和生物過程可視化，並將人類活動理解為地球系統變化的重要驅動力，Bretherton 圖涵蓋了地球系統科學框架下那些正在迅速發展的領域。圖4. NASA的 Bretherton 地球系統圖，是對地球系統及其組分相互作用的經典、簡化描述。該圖聚焦於地圈和生物圈的相互作用，人類作用則被視為影響地圈-生物圈系統的外力。
基於地球系統科學的目標，各類報告、研討會和會議都一致認為，地球系統科學應該是跨學科的（因為相互作用並不分學科）和全球性的（因為研究的是全球現象）。雖然地球系統科學已經研究了地球各個組分之間的相互作用，但其重點應是理解物理、化學和生物過程之間的多組分相互作用。對於將地球作為一個整體來研究的地球系統科學來說，多學科融合是個不小的挑戰。1986年，國際科學理事會（International Council for Science，ICSU）成立了國際地圈-生物圈計劃 [5,43-45]，並加入了世界氣候研究計劃（World Climate Research Proramme，WCRP），解決了國際投入和跨學科融合的挑戰[46]。國際地圈-生物圈計劃最初是為地球系統中生物地球化學方面的一些核心主題構建的：海洋碳循環、陸地生態系統、大氣化學、水文循環等。國際地圈-生物圈計劃中 PAGES（過往全球變化）和 GAIM（全球分析、綜合和建模）兩個項目，由於學科融合程度強而備受重視。此外，國際地圈-生物圈計劃還專門開展了一個數據和信息系統，尤其針對遙感數據的項目，以支持這項研究。從以前孤立的過程研究，到研究過程之間的相互作用，以及日益增長的全球尺度的觀察、分析和建模[47]，地球系統科學在學科融合下加速發展，促進了從「多學科研究」（interdisciplinary research，指多學科合作解決共同問題）到」學科融合研究「（transdisciplinary research，指隨着研究人員合作解決共同問題，學科邊界逐漸消失）的轉變。地球系統科學具有不同的認識論框架，通過融合不同學科的基本思想和方法來解決高難度的複雜問題。地球系統科學在20世紀80年代的繁榮也與對全球變化採取行動的政治舉措有關。在《布倫特蘭報告》（Brundtland Report (1987)）、《我們共同的未來》[48]（ Our Common Future）以及對可持續發展興趣的推動下，許多人認為國際地圈-生物圈計劃要提供與政策更相關的科學知識。對於國際地圈-生物圈計劃研究的政策相關性，人們產生了一些分歧[49]。然而，政策上的國際研究工作直到地球系統科學發展的下一個階段（1990s）才開展。到20世紀80年代末，跨學科研究方法快速發展，人們對全球變化的認識日益加深，地球系統科學成為一門強有力的學科。1990年，國際地圈-生物圈計劃正式啟動，Bretherton圖也被廣泛使用，為地球系統科學的持續發展提供了動力。然而，儘管當前人類對資源的消耗極速增長，氣候變化帶來的影響逐漸顯現，但地球系統科學卻並不關注這背後的人為因素。一系列研究指出，生態研究對氣候變化、生物多樣性和更廣泛的可持續性十分重要[50-51]。受此影響，國際生物多樣性研究計劃（DIVERSITAS）於1991年成立，致力於研究全球生物多樣性的損失及變化[52]，補充了國際地圈-生物圈計劃在陸地和海洋生態系統功能方面研究的缺失。人類的影響導致地球氣候改變、氮的固定、生物多樣性損失、漁業崩潰，對這些影響的量化使得人們認識到地球被人類所主宰的事實 [53]。於1996年成立的國際全球環境變化人文因素計劃（International Human Dimensions Proramme on Global Environmental change，IHDP），為社會科學研究提供了一個全球平台，探討了導致地球系統變化的人類影響因素，以及地球系統的變化對人類和社會福祉的影響[54]。包括 WCRP、IGBP、DIVERSITAS 和 IHDP 在內的全球國際研究計劃體系給不同學科的國際科學家提供了「工作空間」，讓他們能聚集在一起，這對地球系統科學的發展至關重要。在21世紀初，這一整套更完整的全球變化規劃與「可持續性」概念的出現[55]，催生出可持續性科學（sustainability science）[56]。20世紀90年代末，H. J. Schellnhuber 引入並發展了兩個對地球系統科學至關重要的概念[57-58]：1. 自然界和人類文明在行星尺度上的動態協同演化關係；其中，第一個概念將人類動力學完全融合到地球系統的概念框架中（見圖5）。第二個概念引入了一種風險，即在人類施加的壓力下，被觸發的地球系統全球性變化可能是非線性的，是對人類來說如同滅頂之災般的不可逆突變。事實上，平流層臭氧層空洞的發現就表明，人類已經憑藉運氣而不是能力，僥倖逃過一劫[59]。圖5.更新後的地球系統概念圖，靈感來自原來的 Bretherton 圖。該圖中，人類（人類圈）被視為一個完全整合的、相互作用的圈層。人類圈的內部動力學被描述為生產/消費核心，受能源系統驅動，受人類社會調控，同時受人類文化、價值觀、制度和知識的影響。人類世與地球系統其餘組分之間的相互作用是雙向的，人類溫室氣體排放、資源開採和污染物對地圈-生物圈系統產生了深遠影響。地球系統其餘組分對人類圈的反饋也很重要，包括氣候變化和生物圈退化的直接影響，及人類圈內部與地球系統其餘組分的心理社會反饋。
在1999-2003年的關鍵五年中，國際地圈-生物圈計劃加快了從單個項目的集合到更為綜合的地球系統科學計劃的過渡，而1999年的國際地圈-生物圈計劃大會則是實現融合的關鍵。剛剛當選 GAIM 工作組主席的 Schellnhuber 向大會提出建議，希望將人類活動深入融合到地球系統科學中，並強調了地球系統的非線性動力學。大會接受了這一倡議，並於2001年發起了國際地圈-生物圈計劃綜合項目和一次重大國際會議。這一綜合項目隨後出版了《全球變化與地球系統》一書[60]，融合了項目內部與外部大量全球變化的研究，為《阿姆斯特丹宣言》（Box 1）提供了科學依據，並有力的支持了人類世這一新概念的研究（Box 2）。於2001年舉辦的「地球變化的挑戰」國際會議吸引了來自105個國家（其中62個是發展中國家）的1400名與會者。會議由四個國際全球變化計劃（IGBP、WCRP、IHDP、DIVERSITAS）共同主辦，介紹了國際地圈-生物圈計劃綜合項目中誕生的《阿姆斯特丹宣言》，並促成了地球系統科學聯盟（Earth System Science Partnership，ESSP）的成立，將基礎的地球系統科學與對人類福祉息息相關的問題——食物、水、健康和碳/能源——聯繫起來[61]。2002年成為國際科學理事會（ICSU）主席的 J. Lubchenco 對可持續發展科學的強調促進了地球系統科學和全球可持續發展社區的融合。這一融合使得國際地圈-生物圈計劃將「地球系統」定義為一套相互關聯的物理、化學、生物和人類過程，這些過程在系統內以複雜的動態方式循環（傳遞和轉化）物質和能量[60]。這一定義強調了兩點：
1. 系統內部的驅動、反饋及生物過程對系統的作用和外部驅動同樣重要；2. 人類活動是系統功能不可或缺的一部分[62]；1990-2015年這段時間對地球系統科學來說至關重要，因為它從原來的一個具有挑戰性的願景轉變為了一門新科學，通過有效融合多學科來幫助我們理解地球的複雜性。由 IGBP（Berrien Moore III）、IHDP（Arild Underdal）、WCRP（Peter Lemke）和DIVERSITAS（Michel Loreau）的四位主席2001年在「地球變化的挑戰」會議上簽署的《阿姆斯特丹宣言》（The Amsterdam declaration），展現了地球系統科學在10年裡的關鍵成果。該宣言的重點是認識到地球是一個系統，在行星尺度上有自己的內在動力學和特性，並且會受到人類活動的影響。該宣言稱：地球系統是一個由物理、化學、生物和人類組成的獨立的、可自我調節的系統，其各組分之間存在複雜的相互作用和反饋。全球變化是真實的，而且正在發生。人類對地球表面、海洋、海岸和大氣以及生物多樣性產生的影響，不亞於某些大自然的強大力量。不能用簡單的因果關係來理解全球變化。人類活動產生的影響會引起多重複雜的影響，這些影響會使整個地球系統突變。地球系統動力學的特點是存在臨界閾值和突變現象。人類活動可能會在無意中引發這種變化，並可能使地球系統轉向其他運行模式。這種轉變很可能是不可逆的，將危害人類及其它形式的生命。目前地球系統中正發生着巨大的變化，變化的性質、幅度及速度都是前所未有的。地球系統目前處於不可模擬的狀態。基於這些認識，該宣言呼籲建立一個新的全球科學系統。這一宣言鞏固了上述四個計劃在過去十年中所發展的跨學科方法，而且還超越了環境與發展之間的鴻溝。這份宣言最後呼籲地球系統的學術界與「……所有社會其它部門、民族和文化的人一起，迎接地球變化的挑戰。」
到2015年，地球系統科學已經建成，目前正是處在基於更高學科融合水平，進行組分重組的時候。事實上，IGBP、IHDP 和 DIVERSITAS 在2015年已經被合併到了新的項目「未來地球」（Future Earth）中，而 WCRP 繼續與一些國際地圈-生物圈計劃核心項目合作，如國際全球大氣化學計劃（International Global Atmospheric Chemistry）、過往全球變化（PAGES）和地球系統科學聯盟全球碳計劃（ESSP Global Carbon Project，GCP）。「未來地球」旨在通過研究和創新，促進全球可持續發展。它以早期全球變化計劃的研究為基礎，從一開始就與政府和私營部門密切合作，共同設計和共同生產新知識，以實現可持續的未來。現在，大量研究中心將其工作導向地球系統科學和全球可持續性研究，例如：波茨坦氣候影響研究所（Potsdam Institute for Climate Impact Research，PIK）美國國家大氣研究中心（the US National Center for Atmospheric Research，NCARNCAR）斯德哥爾摩應變中心（Stockholm ResilienceCentre，SRC）國際應用系統分析研究所（International Institute for Applied System Analysis，IIASA）
雖然大學保持了傳統的按學科劃分的院系，但隨着對跨學科研究和全球尺度研究的重視，跨學科的地球系統科學也在世界各地的許多大學出現。數字通信革命將這些研究機構和許多其他研究機構聯繫在一起，形成了一個不斷擴大的全球地球系統科學。支持地球系統科學進化發展、推動科學向前發展的三個相互關聯的焦點是：評價與綜合：促進新概念發展的高水平評價和綜合；
了解地球系統的跨學科研究需要從空間（例如：自上而下和自下而上）和時間（例如：回顧和前瞻）的尺度考慮系統過去和當前的變化。最具代表性的「自上而下」觀測是1958年由 C.D. Keeling 於夏威夷莫納羅亞天文台（Mauna Loa Observatory, Hawaii）啟動的大氣二氧化碳濃度觀測[63]。眾所周知的基林曲線（Keeling Curve）展示了二氧化碳濃度的持續增加，這是我們理解人類如何影響氣候的基礎[64]。太空觀測的時空分辨率達到了前所未有的程度，顛覆了我們觀測地球的能力，使得我們能夠以近乎實時的方式反覆、持續觀測地球系統。遙感系統能夠監測各種各樣的過程和指標，包括氣候變量、土地覆蓋變化、大氣成分、地表海洋和城市發展[65-67]，並且快速處理、分析和可視化大量數據，構建引人注目的全球圖像，展示了地球系統在行星尺度上結構和功能的變化速度和幅度[30]。對地球系統過程「自下而上」的觀測能夠提供重要見解，但需要先解決地球異質性的挑戰。「自下而上」觀測中具有代表性的例子是全球海洋觀測系統（Global Ocean Observations System，GOOS），該系統圍繞許多自動平台（如Argo浮標）建立，不斷收集和傳輸海洋數據。在陸地上，全球長期觀測網絡（如FLUXNET）測量能量通量和地表與大氣之間的氣體，以及主要生態系統的土壤生根深度[68]。這些過程級研究補足了遙感探測的不足，提供生成地球系統模式的動力學背後的重要見解。大規模的觀測活動可以將跨學科的研究團隊聚集在一起，使得局部觀測和實驗與行星尺度的觀測之間形成一個關鍵的尺度聯繫。例如，NASA 的 AGAGE 實驗和 NOAA ESRL 的全球監測部門，通過分析二氧化碳等溫室氣體的增加以及某些破壞臭氧層的氣體的穩定性[69]，來追蹤40多年來人類活動改變大氣成分的過程。對印度次大陸上空進行的亞洲棕色雲的研究，測量了大氣氣溶膠粒子的濃度、季節變化、大氣壽命及其在大氣環流中傳輸的情況，可用於評估南亞季風受當地和區域污染物影響的風險[70]。亞馬遜大範圍生物圈大氣研究（LBA）使用了地基探測和遙感探測的方法來研究亞馬遜雨林大氣-生物圈-水圈的動力學[71]，從而深入了解森林轉變為稀樹草原的臨界點。在海洋方面，地球觀測系統計劃（GEOSEC programme，1972-1978年）研究了人造地球化學示蹤劑（來自核武器的大氣試驗）在世界海洋中的分布情況，從而推算出了全球海洋中碳循環的時間和模式[72]。AGAGE：美國宇航局的全球大氣實驗計劃（Advanced Global Atmospheric Gases Experiment）NOAA ESRL：美國國家海洋和大氣局地球系統研究實驗室（NOAA Earth System Research Laboratories）回顧過去的地球系統對於理解現在的地球動力學是很重要的。Vostok 冰芯數據（The Vostok ice core data）[73]顯示了第四紀晚期的溫度-二氧化碳關係的規律性和同步性，標誌着一項重大科學進展。例如，過去間冰期[74]和氣候系統的長期動力學研究[75]提供了豐富的背景，無論現代地球系統變化的幅度和速率如何，都可根據這些背景分析地球系統當代的變化。近期的古研究（幾十年、幾百年和幾千年）尤其有助於發現未來的風險。隨着人類的作用力不斷驅動地球系統發生深刻變化，需要將更早期的時間段納入模擬，例如，大約5600萬年前發生的古新世-始新世極熱事件（Palaeocene-Eocene Thermal Maximum，PETM），當時溫室氣體的快速釋放就導致全球氣溫上升了5-6°C[76]。展望未來，大規模的實驗可以探索地球系統組分應對未來人類作用力影響或干預的方式。例如，許多研究測試了鐵施肥（iron fertilization）促進海洋從大氣中吸收二氧化碳的效果，以將其作為緩解氣候變化的策略[77]。在陸地上，自由空氣二氧化碳濃縮實驗（Free-Air Carbon dioxide Enrichment experiment，FACE）探索了常年在高濃度二氧化碳下的生態系統對未來大氣條件的響應[78]，生態系統變暖實驗則探索了該生態系統對未來氣候的響應[79]。這類研究補充了建模方法和古研究，幫助我們理解地球系統在幾十年和幾世紀後的演變以及系統變化可能給人類帶來的風險。數學模型是地球系統科學研究的關鍵，通常從概念模型或玩具模型入手來闡明地球系統的關鍵過程、特徵或反饋，常需要採用複雜性科學的原理[80-82]。例如，在20世紀60年代，經典的能量平衡模型描述了雪冰反饋（ice-albedo feedback）如何將地球推入另一種「雪球」穩定狀態[83-84]。而20世紀80年代的 Daisyworld 模型進一步表明，生命與其環境之間的反饋過程可以影響全球尺度的溫度變化[85]。更複雜的地球系統模型——大氣環流模型（General Circulation Models，GCMs）也隨之發展。大氣環流模型基於氣候系統的物理和化學，包括地球表面（陸地、海洋、冰，以及越來越多的生物圈）與大氣之間的能量和物質的交換[86-87]。大氣環流受人類溫室氣體和氣溶膠排放影響，通過政府間氣候變化專門委員會（ Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的評估，能夠預測未來氣候可能的發展趨勢和影響，為政策和治理提供信息。然而，由於參數化以及忽略或沒有充分考慮對反饋過程和地圈與生物圈之間相互作用[88-89]的約束，大氣環流模型的長期預測存在相當大的不確定性。此外，大氣環流模型並沒有將人類影響作為模型中不可分割的、相互作用的一部分，而是將人類的影響視為干擾生物地球物理地球系統的一種外力。人類動力學作為綜合評估模型（Integrated Assessment Models，IAMs）的領域，通常將複雜程度不同的經濟模型與複雜程度經過簡化的氣候模型耦合在一起[90-93]。綜合評估模型有許多用途，例如：模擬特定氣候下穩定政策的成本、根據一系列潛在政策探索氣候風險和不確定性、確定特定氣候目標下的最優政策，並對耦合系統內的反饋提供更全面的見解[94]。此外，綜合評估模型還提供了未來溫室氣體和氣溶膠排放情況的關鍵信息，這些信息可用於大氣環流模擬。然而，綜合評估模型的經濟組分卻很少與大氣環流模型耦合，未能構建一個完全融合的地球系統模型。早期的一個例子是麻省理工學院綜合全球系統模型（MIT Integrated Global System Model），它將一般均衡經濟學的可計算模型（computable general equilibrium，CGE）與複雜的大氣環流模型耦合[95-96]。探索地球系統的複雜動力學，特別是在長時間尺度上，最強大的工具則是地球系統的中間複雜性模型（Earth system Models of Intermediate Complexity，EMICs）[97]。地球系統的中間複雜性模型包含與大氣環流模型相同的主要過程，但它的空間分辨率較低，參數化過程較多，並支持更長的時間尺度模擬。該模型的模擬包含非線性作用力和地球系統各組分之間的反饋。例如，它可以在數十萬年的時間尺度上進行模擬，根據古觀測的結果進行檢驗，並探索遙遠未來可能的氣候[98-99]。總之，大氣環流模型、綜合評估模型和地球系統的中間複雜性模型為探索不同時空尺度上的地球系統動力學提供了強有效的方法。地球系統科學中可用的建模工具十分多樣，在研究工作中發揮着重要的作用。雖然這些模型以模擬地球系統未來趨勢的能力而聞名，但它們也可能是最有價值的知識集成工具：這些模型將我們對單個過程的理解納入內部一致的框架中；最重要的是，模型-觀測的界面是對我們理解地球系統如何工作的最終檢驗；
除了觀察和建模外，評估和綜合本身也已成為地球系統科學研究的基本工具。綜合在基礎層面上建立新的知識，產生對科學過程至關重要的新洞見、概念和理解。相比之下，全球評估架構在科學團體和政策部門之間扮演着中間人的角色，根據政策部門的反饋，助推新的研究方向。其中評估最著名的例子是政府間氣候變化專門委員會（IPCC），科學明顯影響了其政策制定，但政策部門也助推了新的研究方法。例如，IPCC 關於 1.5°C 目標的特別報告中，評估了 1.5°C 和 2°C 目標之間的顯著風險和影響差異[100]。該項目是巴黎氣候協議的一部分，由政策部門強制執行。IPCC 首次針對性地評估了氣候變化對海洋和冰凍圈[101]產生的影響，並首次對基於海洋的緩解備選方案進行了量化[102]。2001-2005年千禧年生態系統評估（Millennium Ecosystem Assessment）是一個記錄生物圈狀態的綜合項目，主要關注人類活動導致的生態系統壓力和生物圈未來的可能情況[103]。這種開拓性的跨學科綜合直接導致了政府間生物多樣性和生態系統服務科學政策[104]平台的構建。該平台在環境、保護和可持續性方面提供了廣泛的科學政策接口，並在千禧年生態系統評估後發表了一項重要的評估[104]。綜合也是國際地圈-生物圈計劃和其他全球變化研究工作的重要組分[60,105-113]。例如，全球碳項目（Global Carbon Project）提供了年度碳預算，融合了我們在碳循環及其如何受人類活動影響這方面不斷增長的知識基礎[64]。在各種工具和方法的推動下，地球系統科學引入了新的概念和理論，改變了我們對地球系統的理解，認識到人類作為主要因素所產生的影響[53,114-115]。這其中最有影響力的概念是P. Crutzen 提出的人類世。人類世描述了一個新的地質時代，其中人類是生物圈和氣候變化的決定性因素（Box2）。人類世已經成為一個成熟的統一概念，它將氣候變化、生物多樣性下降、污染和其他環境問題以及高消費、日益加劇的不平等和城市化等社會問題放在同一框架內[116-117]。重要的是，人類世正在為自然科學、社會科學和人文科學的深入融合奠定基礎，通過研究其起源及未來可能的發展趨勢，促進可持續發展科學的進步[118-119]。更多人類世的知識請參考往期文章：《人類世：地球上的新主人》「人類世」一詞最初是20世紀80年代初 E. Stoermer 在淡水湖沼研究（freshwater limnology research）的特定背景下提出的。2000年，當這個短語重新被 P. Crutzen 獨立地引入後[139,140]，它在自然科學、社會科學和人文科學領域迅速傳播開來。2000年提出的人類世有兩層含義。在地質學背景下，Crutzen 提出人類世是地質時間尺度[140]中繼全新世之後的一個新時代。與持續11700年且相對穩定的全新世不同，人類世在地球系統的背景下快速發展[60]。這兩個定義雖然不完全相同，但有很多共同點[141]。
人類世的主要證據是大加速圖（"Great Acceleration" graphs），該圖來自國際地圈-生物圈計劃綜合項目，突出了社會經濟和地球系統的未來趨勢[60,117,143]；還證明了地球系統從全新世的快速衰退與20世紀中期以來人類事業的爆炸性增長直接相關。儘管這對地球系統科學來說很新奇，但歷史學家 J. McNeill 已經對大加速進行了深入的探索[144]。
為了響應 Crutzen（2002）的建議，人類世應正式被納入地質時間尺度[140]，人類世工作組（Anthropocene Working Group，AWG）於2009年由第四紀地層學小組委員會（Subcommission on Quaternary Stratigraphy，SQS）成立。2019年，經過十年的研究、出版、討論和激烈辯論，人類世工作組正式決議：將人類世視為由全球邊界層型剖面和點（Global boundary Stratotype Section and Point，GSSP）定義的正式年代地層單位，人類世的基準起始日期應為20世紀中期的一個地層標誌[145-147]。
在社會科學和人文學科中，人類世被視為一個全新的整體框架，描述了複雜的人類動力學及其與自然系統的相互作用[148]。人類世的概念還引發了不同國家和人民對人類世的不平等責任的重要性的大量討論。人類世不僅凸顯了人類對地質層面的影響[114,149]，還凸顯了人類實現全球可持續性的挑戰[150]。
圖6.作為人類世的主要證據的大加速圖，反映了社會經濟（a）及地球系統（b）重要指標的演化趨勢。| 來源：Steffen W, Broadgate W, Deutsch L, Gaffney O, Ludwig C. The trajectory of the Anthropocene: The Great Acceleration. The Anthropocene Review. 2015;2(1):81-98. doi:10.1177/2053019614564785臨界因素是源於地球系統科學的概念。它描述了地球系統重要的非線性特徵，有時甚至是不可逆的閾值突變行為[81,120-122]。臨界因素包括重要的生物群系，如亞馬遜雨林和北方森林，主要的環流系統，如大西洋經向翻轉環流（Atlantic Meridional Overturning Circulation），以及大塊冰雪，如格陵蘭冰蓋（Greenland Ice Sheet）[81]。最後一個例子中出現了一個不斷增強的反饋：冰蓋融化使得冰蓋表面溫度升高，從而加速了融化[81]，一旦超過自激的臨界點，反饋將導致冰蓋發生不可逆轉的損失。最近的研究重點在於研究溫度、降水模式、海洋和大氣環流的變化，並探索這些臨界因素間的因果耦合及其導致突變的可能性[122-124]。臨界突變的動力學過程能夠作為行星尺度的閾值，驅使地球系統從一種狀態過渡到另一種狀態[125]。對臨界因素和突變的研究不僅強調了氣候變化與生物圈退化的終極風險，也指出了地球系統作為一個整體表現出的不穩定性[126]。最後一個例子是地球行星邊界框架，該框架將地球的生物物理學理解（狀態、通量、非線性、臨界因素[126]）與全球尺度的政策和治理聯繫起來[127]。地球行星邊界框架以共同描述地球系統狀態的9個過程（包括氣候變化、生物多樣性損失、海洋酸化和土地利用變化）為基礎，展示了地球系統在保持穩定的、全新世般狀態的前提下（即人類的「安全空間」，這種狀態是我們所知道的唯一能夠支持農業、住所和城市以及複雜人類社會的狀態），可以承受的人類活動水平。當前框架仍是靜態的，僅孤立地考慮邊界的影響。但下一步將考慮模擬各個邊界之間的相互作用，將地球系統的動力學作為一個整體納入地球行星邊界框架。地球系統科學起源於20世紀早中期，源於對地球系統性性質的強調，如 Vernadsky 觀察到生命對地球的化學和物理性質有很大的影響，以及 Lovelock 和 Margulis 提出的蓋亞假說假設地球是一個獨立的有機體，可以自我調節並保持體內平衡的反饋。從20世紀80年代的「新地球科學」運動到國際地圈-生物圈計劃等國際項目的全球研究工作，地球系統科學發展迅速。觀測運動、地球系統模型和周期性綜合為科學的發展提供了動力。在21世紀，起源於地球系統科學的「人類世」概念不僅在挑戰科學界，也在挑戰人類自身。地球系統科學現在面臨兩個關鍵的研究挑戰：1. 地球系統的穩定性和恢復力如何？臨界突變會產生行星尺度的臨界點嗎？地球系統中是否存在可能威脅人類未來的狀態？2. 我們如何才能更好地理解人類社會的動力學？地球系統科學對理解或引導人類世的地圈-生物圈-人類圈的融合趨勢有什麼貢獻？
目前，生物地球物理研究界正在努力解決第一個難題，它們研究的問題涉及地球系統的非線性[101,128]，臨界點相互作用和突變[123,129]，以及可能的行星尺度閾值和狀態轉移[125]。然而，第二個挑戰需要更大的努力，因為我們對地球系統的理解在很大程度上仍然局限於其生物地球物理成分。而最大的挑戰是將社會科學和人文科學中體現的人類動力學與生物物理動力學充分結合起來，最終建立一個真正統一的地球系統科學。圖5展示了這一挑戰，該圖將人類圈、地圈和生物圈作為地球系統中完全融合且相互作用的組分，其中各個領域間的作用和反饋包括涉及人類圈的心理-社會反饋（psycho-social feedbacks）[130]，展現了地球系統作為一個整體的功能。因此，地球系統科學的人類維度必須遠遠超出經濟模型（綜合評估模型），需要融入更深層次的人類特徵——即我們的核心價值觀，以及我們看待人類與地球系統其他組分關係的方式。這些基本的人類特徵是否包含在大規模的計算模型中是很難評估的，但是中等複雜程度的地球系統模型可能會提供第一個嘗試這種計算「大融合」的框架。其它方法也有助於探索地球系統的未來。「複雜適應系統」的概念[80]可以為生物圈的共同演化和人類文化作為社會-生態系統提供理解和模擬的工具[131]。這些方法還可以為制定「人類世」的政策和管理提供重要的指導[132]。儘管人類動力學長期以來被主導地球系統科學的物理觀點所忽視，但它對引導系統未來趨勢來說至關重要[123,133,134]。技術在未來對地球系統科學也很重要。高速計算、數字化、大數據、人工智能和機器學習這些技術工具的出現[135]，使我們實時感知、處理和解釋大量數據的能力發生了巨大變化。這種新的能力可以加深我們對地球系統關鍵過程及其相互作用和非線性行為的理解，特別是人類圈對整個地球系統影響的理解。隨着這些工具的進一步發展，我們不僅能更多地了解地球，還能更多地了解我們自己、我們的社會和治理體系以及我們的核心價值觀和願望。然而，要理解人類動力學，需要的不僅僅是技術。21世紀20年代的地球系統科學可以結合不斷發展的創新研究和政策理念，提高我們對人類圈的理解。例如，從生物物理維度（例如氣候）到社會科學和人文科學，都對地球系統發展趨勢的預測提供了非常廣泛的視角[90,116,136]。在政策領域，較早的以人為中心的千年發展目標現在已被可持續發展目標所取代。可持續發展目標保留了對發展、公平和其他人類問題的強烈關注，並將其納入更廣泛的地球系統背景之中。在所有新方法中，最具創新性的方法之一是「人類共同家園（Common Home of Humanity）」，它提出地球系統本身的穩定和適應性狀態（即美國公共電視網定義的類似全新世的狀態）應該在法律上被正式視為全人類的非物質自然遺產[137]。為了迎接這些挑戰，地球系統科學必須更深入地融合各種研究團體的大量研究工具、方法和見解。努力發展地球系統科學背後的根本且不可避免的事實是：人類現在是驅動地球系統演變的主導力量，我們不再是「大星球上的小世界」，而是「小星球上的大世界」[138]。[1]Vernadsky, V.I. 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地球系統科學讀書會啟動：統計物理與深度學習交叉前沿
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