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科学通报 | 地球物理学、空间物理学和大地测量学如何支撑人类文明?

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从司南辨向到北斗组网,从地震监测到深空探测,人类认识地球、利用地球并走向深空的跨越,都离不开地球物理学、空间物理学和大地测量学的支撑。三门学科以数学、物理学、地质学等为基础,研究地球内部、近地空间与行星宇宙,是理解地球系统运行、保障现代社会安全、拓展人类活动边界的重要学科。

1.地磁场为什么能为生命筑起屏障?

2.地震为何仍然难以准确预测?

3.太阳风暴为什么会影响卫星、通信和电网?

4.深地资源开发与深空探测又将怎样塑造人类未来?

近日,符慧山等人在《科学通报》发表“地球物理学、空间物理学和大地测量学与人类文明”一文,从重塑人类认知、驱动工业发展、保障并拓展生存空间三个维度,系统梳理三门学科对人类文明进程的贡献,并面向深地、深海、深空和地球系统科学展望未来发展使命(图1)。


图1 地球物理学、空间物理学和大地测量学对人类文明的贡献


一、科学背景:解读地球与空间环境的三门基础学科

地球物理学、空间物理学和大地测量学是地球科学的重要分支。它们以物理学理论为基础,结合多尺度观测、精密测量与数值模拟,揭示地球、行星及星际空间的结构、过程与演化规律。

1. 地球物理学:聚焦地球内部及表层物理场,通过地震波、电磁场、重力场等手段探测地下结构,是油气矿产勘探、地震与火山监测预警、气候变化研究的重要基础。

2. 空间物理学:关注太阳风、磁暴、电离层、极光等太阳-地球空间环境过程,为空间天气监测预警以及航天、通信、导航系统的安全运行提供科学支撑。

3. 大地测量学:致力于精确测定地球和行星的形状、重力场及其动态变化,持续监测地壳形变、海平面变化和全球时空基准,是北斗、GPS等全球导航系统的基础学科之一。


二、核心观点:三重维度重塑人类文明进程

(一)颠覆固有认知,改变人类世界观

三门学科不断打破人类对天地的直观想象,推动人类从“以地球为中心”的传统视角,走向从地球系统乃至宇宙尺度认识地球的现代科学图景。

1.揭示地磁场:理解生命赖以存在的无形屏障

古人借助指南针辨向远航,现代科学则进一步揭示了地磁场的起源与作用:地球外核对流产生磁场,能够抵御太阳风高能粒子的直接冲击,维持地表宜居环境。同时,太阳爆发引发的磁暴、极光以及对通信、卫星和电网的扰动,提示人类地球并非孤立系统,而是始终处于太阳活动影响之中。

2.认识地球圈层:改变地球内部静止不变的传统观念

基于地震波传播信息,科学家相继发现莫霍面、液态外核和固态内核,建立了地壳-地幔-外核-内核的圈层结构模型。大陆漂移、海底扩张和板块构造理论的形成,则证明大陆持续漂移、碰撞与裂解,山脉、裂谷和地震都是地球内部动力过程的外在表现。

3.精密丈量地球:推动地球科学走向定量化

GPS、InSAR和卫星重力测量等技术,使科学家能够从全球尺度连续观测地球动态变化,实时捕捉冰川消融、海平面上升和地壳微小位移等变化。由此,地球科学从经验判识走向精密量测,为气候变化研究和地震孕育过程研究等提供了大量实测数据。

4.从深空回望地球:认识行星演化与地球宜居性

1957年首颗人造卫星发射,人类首次获得稳定的太空视角;阿波罗登月任务拍摄的“蓝色弹珠”影像,则让人类直观感受到地球的脆弱与独特。通过比较火星、金星等行星的演化历史,科学家进一步认识到地球宜居环境的稀缺性,也建立起宇宙尺度下理解地球的新世界观。

(二)赋能现代产业:支撑工业文明持续升级

从能源开发到重大工程,从精准导航到全球通信,三门学科已经深度嵌入现代工业体系,成为社会运行和产业升级的底层支撑。

1.探测深地资源,支撑能源与材料供给

应用地球物理探测技术显著提升了油气和矿产资源勘探效率,支撑石油工业和制造业原材料供给。同时,也服务于地热、地下水等资源开发,以及核电站选址和核废料安全处置。面向新能源产业,锂、钴、稀土等战略金属的探测与开发同样离不开地球物理方法创新。

2.建立时空基准,推动定位导航革命

从古代司南到现代电子罗盘,再到北斗、GPS、格洛纳斯等全球卫星导航系统,大地测量学不断提升人类定位、定时和导航能力。统一时空基准广泛服务于自动驾驶、物流运输、应急救援和国防建设,已经成为现代社会高效运转的基础设施。

3.服务重大工程,提升基础设施安全韧性

高铁、地铁、三峡工程、港珠澳大桥等重大基础设施建设,地球物理探测和大地形变监测查明地下岩层、断层分布及地壳运动风险,从而规避地层塌陷、活动断裂等工程隐患,提高工程安全性和使用寿命。

4.拓展全球通信,连接现代地球村

空间物理学揭示了电离层对无线电波传播的影响,为短波通信和无线电广播奠定科学基础,推动跨洋远距离信息传输,也促进了全球经济、文化与社会联系的加深。

(三)守护生存安全:从防灾减灾走向深空探测

面对地震、火山、滑坡、空间天气等自然风险,以及深空探测和地外生存的长期需求,三门学科共同构成了人类安全保障体系的重要科学支柱。

1.天地一体化监测,完善自然灾害预警体系

地震预警系统利用电磁波传播速度快于地震波的原理,可在破坏性震动到达前争取数秒至数十秒预警时间;GNSS、InSAR等技术则能够连续监测火山形变和滑坡位移,为火山喷发、山体滑坡等灾害预警提供关键观测依据。

2.监测地下核爆,服务全球安全治理

地震学能够区分天然地震与地下核试验产生的波形特征,全球地震监测台网可快速定位异常震源并估算爆炸当量,为核试验监测、国际条约履行和国家安全提供重要技术支撑。

3.预警空间天气,保障航天活动和地外探索

太阳风暴可能损伤卫星、干扰通信导航并威胁航天员安全。SOHO、DSCOVR等空间探测器能够提前数小时监测太阳活动和太阳风参数,为航天任务、中国空间站以及地面关键基础设施提供空间天气预警。嫦娥探月、天问探火等深空探测任务则进一步揭示行星磁场、内部结构和辐射环境,为未来地外生存探索积累科学基础。


三、面向未来,助力人类可持续发展

当前,能源紧缺、气候变暖、地质灾害频发和深空竞争加剧等问题交织出现。论文指出,地球物理学、空间物理学和大地测量学将在以下六个方向持续发挥关键作用。

1. 深化基础与交叉研究:融合人工智能、量子计算和地质学等新方法,构建地球系统动力学模型,推进“透明地球”“数字地球”和“深时地球”研究,揭示圈层耦合和行星宜居性的关键机制。

2. 攻关绿色能源勘探:面向页岩油气、天然气水合物、深层地热等资源开展探测与开发,同时关注月球氦-3等地外资源评估,服务“双碳”目标和国家能源安全。

3. 支撑城市与生态治理:服务城市地下空间开发,监测地表沉降和基坑位移,长期追踪海平面上升、水土流失等过程,为生态保护和城市安全提供决策依据。

4. 完善防灾减灾体系:建设高密度、天地一体化监测台网,提升地震、滑坡、磁暴等灾害的智能监测与预报能力,守护人民生命财产安全。

5. 加速深空探测布局:依托嫦娥、天问等任务,推进月球科研站、火星宜居性研究,并进一步探索木星、土星系统,揭示太阳系形成与演化过程。

6. 突破前沿关键技术:发展地下高精度成像、全链条空间天气预报和高精度测绘等技术,打通从观测、模拟到预测的全流程瓶颈。


结语

回望人类文明史,地球物理学、空间物理学和大地测量学推动了人类文明的多次跃迁:看清地球内部结构,理解近地空间环境,并从宇宙尺度重新审视地球家园。它们改变了人类世界观,支撑了工业文明发展,也不断拓展着人类安全生存和活动的边界。面向未来,应对气候变化、化解能源危机、减轻自然灾害风险、探索星际生存,都离不开这些学科的持续发展。随着跨学科融合和关键技术突破不断推进,三门学科将继续为人类文明可持续发展注入基础而深远的科学动力。


文章信息

符慧山, 赵亮, 李志伟, 王一博, 李忠海, 黄周传, 程惠红. 地球物理学、空间物理学和大地测量学与人类文明. 科学通报, 2026, 71(19): 4448-4456


《科学通报》是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性中文学术期刊,致力于快速报道自然科学各学科基础理论和应用研究的最新研究动态、消息、进展, 点评研究动态和学科发展趋势。

  • 旬刊,每10天出版1期;

  • 栏目:进展、评述、快讯、论文、观点、科技前沿、科学访谈、亮点述评、悦读科学等;

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