第一章：CHAPTERTWOEarth课件

第一章CHAPTER TWO课件Earth地球，我们人类唯一的家园，是太阳系中第三颗行星它是目前我们所知的宇宙中唯一孕育生命的天体，这使它在浩瀚宇宙中显得格外珍贵和独特地球形成于约45亿年前，经历了漫长的演化过程在这个过程中，地球逐渐形成了适宜生命存在的环境条件，包括适宜的温度、充足的水资源以及丰富的大气成分这门课程将带领我们深入了解这颗蓝色星球的奥秘，探索它的结构、组成以及各个系统之间复杂而精妙的相互作用课程概述地球的基本特征探索地球在太阳系中的位置、物理特性、形状以及运动规律，理解它为何能成为生命的摇篮地球的结构和组成了解地球内部的层状结构，从地壳到地核，以及大气层、水圈等外部系统的组成与特点地球系统及其相互作用分析大气圈、水圈、生物圈、岩石圈之间的物质与能量交换，理解地球作为一个整体系统的运作机制人类与地球的关系思考人类活动对地球系统的影响，探讨可持续发展的理念和实践，寻求人与自然和谐共处的路径地球在太阳系中的位置距离太阳

1.496亿公里这一距离被定义为1个天文单位（AU），是天文学中的基本测量单位，太阳系第三颗行星也是地球维持适宜温度的关键因素地球位于太阳系八大行星中的第三位，处于内行星和外行星之间的过渡位置，位于宜居带拥有理想的轨道特性又称哥德莱克区（GoldilocksZone），是太阳系中温度适中，能够维持液态水存在的区域，为生命提供了基本条件地球的物理特性公里12,742地球直径相当于月球直径的

3.7倍，是太阳系中第五大的行星亿平方公里

5.1地球表面积其中陆地约占29%，海洋占71%，形成了丰富多样的地理环境公斤

5.97×10²⁴地球质量这一巨大质量产生了适当的重力场，能够保持大气层和水圈的稳定存在

5.514g/cm³平均密度是太阳系所有行星中密度最大的，反映了地球富含重元素的核心结构地球的形状扁平的椭球体两极略扁，赤道略鼓赤道与极地半径差异赤道半径大约21公里长于极地半径精确测量的重要性对导航、测绘和卫星定位至关重要地球并非完美的球体，而是一个两极略扁的椭球体这种形状是由于地球自转产生的离心力造成的，使得赤道地区略微向外凸出赤道半径约为6,378公里，而极地半径约为6,357公里，两者相差21公里地球赤道周长约为40,075公里，这一数值在古代就有人尝试测量现代科学通过卫星测量技术，能够精确到厘米级别地确定地球的真实形状，这对于现代导航、测绘和全球定位系统至关重要地球的运动自转自转周期地球完成一次自转需要23小时56分4秒，这被称为一个恒星日而我们常用的太阳日为24小时，两者存在微小差异自转速度在赤道处，地球表面的自转线速度约为1,670公里/小时随着纬度增加，线速度逐渐减小，在两极点为零自转方向从北极上方俯视，地球的自转方向是逆时针的，即从西向东旋转，这导致了我们观察到的日月东升西落现象自转轴倾斜地球自转轴相对于公转轨道平面倾斜

23.5度，这种倾斜是季节变化的根本原因，影响着全球气候和生态系统地球的运动公转公转周期地球绕太阳一周需要

365.24天，即一个恒星年我们的公历通过设置闰年来调整这个小数部分，保持历法的准确性公转速度地球在轨道上以约107,000公里/小时的惊人速度移动，每天行进约260万公里的距离，完成宇宙中的壮丽旅程轨道形状地球的公转轨道是一个接近圆形的椭圆，轨道离心率仅为

0.0167这种近圆形轨道使地球全年接收到的太阳能较为稳定轨道长度地球公转轨道全长约

9.4亿公里，平均距离太阳

1.496亿公里（1天文单位）在一月初近日点和七月初远日点，这一距离有微小变化地球的结构内部地壳最外层，厚度5-70公里地幔中间层，厚度约2,900公里外核液态铁镍，厚度约2,200公里内核固态铁镍，半径约1,220公里地球内部存在明显的分层结构，科学家主要通过地震波的传播特性来研究这些看不见的深层地震波在不同密度和状态的物质中传播速度不同，通过分析全球地震台网记录的数据，科学家逐渐绘制出地球内部的精确图像内核的高温高压环境使得铁镍合金呈现固态，而外核的压力较低，形成了液态金属层这种液态金属的运动产生了地球的磁场，为生命提供了重要保护地球的结构地壳大陆地壳海洋地壳大陆地壳平均厚度为35-40公里，在山海洋地壳相对较薄，平均厚度仅为5-10脉地区可达70公里以上它主要由花岗公里它主要由玄武岩类岩石组成，密岩类岩石组成，密度相对较低，约为度约为

3.0g/cm³，略高于大陆地壳

2.7g/cm³海洋地壳相对年轻，最古老的部分不超大陆地壳是地球上最古老的部分，某些过2亿年这是因为海洋地壳在板块俯冲区域的岩石年龄可达40亿年这些古老过程中不断被回收到地幔，形成了地壳的大陆核心称为克拉通，是地质研究的物质的循环地壳的主要成分是硅、氧、铝、铁等元重要对象素，它们以各种矿物形式存在地壳是人类赖以生存的基础，也是我们获取矿产资源的主要来源地球的结构地幔上地幔下地幔从莫霍面（地壳与地幔的分界面）延伸从670公里延伸至约2900公里（核幔边至约670公里深度，温度从约1000°C逐界），温度可达3700°C，压力极高，渐升高，物质可以部分熔融形成岩浆物质呈固态但可以缓慢流动地幔对流主要成分地球内部热量传递的主要方式，驱动板主要由硅酸盐矿物组成，包括橄榄石、块运动和火山活动，影响地球表面的地辉石和石榴石等，化学成分随深度变质过程化，富含镁、铁和硅元素地球的结构地核外核特性内核特性地磁场形成外核是一个约2,200公里厚的液态层，主内核是地球的最中心部分，半径约1,220公地核的特殊结构和运动产生了地球的磁要由铁镍合金组成温度范围约为4000-里尽管温度高达5000-6000°C，但由场这一过程被称为地球发电机效应，是5000°C，足以使金属保持液态状态这于极高的压力（超过3百万个大气压），使由于外核中的导电液态金属在地球自转和层液态金属的流动产生了地球的磁场，形得铁镍合金呈现固态内核不断冷却释放热对流的共同作用下产生电流，进而形成成保护地球免受太阳风和宇宙射线伤害的热量，这是地球内部热量的重要来源之磁场地磁场对地球生命的保护作用至关磁屏障一重要地球的大气层对流层（0-10公里）大气层的最底层，包含约80%的大气质量和几乎所有的水汽温度随高度上升而降低，平均每上升1公里下降约

6.5°C我们的日常天气现象主要发生在这一层，如云、雨、雪等所有的商业航班也主要在对流层顶部飞行平流层（10-50公里）特点是温度随高度上升而升高，主要是由于臭氧层吸收太阳紫外线造成的这种温度结构使平流层非常稳定，几乎没有垂直气流许多大型航空器选择在平流层下部飞行，以避开对流层的剧烈天气活动中间层（50-85公里）温度再次随高度上升而降低，在中间层顶部（中间层顶）达到大气中的最低温度，约-90°C这一层是流星燃烧最活跃的区域，产生我们看到的流星现象中间层也是大气潮汐和行星波等大气波动的主要活动区热层和外逸层（85公里以上）热层中温度急剧上升，可达1000°C以上，但由于气体分子稀少，实际感受不到这种高温外逸层是地球大气与太空的过渡区，气体分子可以克服地球引力逃逸到太空国际空间站和许多卫星在热层下部轨道运行大气层的组成大气层的功能调节温度大气层通过温室效应保持适宜的地表温度如果没有大气层，地球表面温度昼夜温差将超过200°C，类似于月球温室气体吸收地表辐射的红外线，并向各个方向再辐射，使地表平均温度维持在15°C左右，适宜生命生存过滤有害辐射平流层中的臭氧层吸收大部分太阳紫外线，特别是致癌的UVB和UVC射线磁层则抵挡带电粒子流（太阳风），防止它们直接冲击大气没有这些保护，地表生命将面临严重的辐射损伤提供呼吸所需氧气大气中的氧气是大多数生命体呼吸所必需的这种氧气主要来自植物、藻类等进行的光合作用同时，生物呼吸释放的二氧化碳也为植物光合作用提供原料，形成气体循环水循环的载体大气是水循环的关键媒介，水从海洋和陆地蒸发到大气中，凝结形成云，然后以降水形式回到地表这一过程不仅维持了淡水资源的更新，还通过潜热传输调节全球能量分布地球的水圈总水量约

13.6亿立方公里海洋覆盖占地球表面积的71%淡水占比不到3%的全球水资源可用淡水不足全球水资源的1%地球水圈是地球表面所有水体的总称，包括海洋、冰川、地下水、湖泊、河流和大气中的水汽水是地球最独特的特征之一，使其在太阳系中独树一帜地球表面71%被海洋覆盖，从太空看呈现美丽的蓝色尽管地球水量丰富，但淡水资源相对稀缺，仅占总水量的

2.5-3%更令人担忧的是，这些淡水中的大部分被锁在冰川和地下水中，真正易于人类使用的淡水不足全球水资源的1%随着人口增长和气候变化，水资源管理成为全球性挑战水圈的组成水循环系统蒸发凝结与输送太阳能使地表水体和土壤中的水变成水水汽在高空冷却凝结成云，大气环流将汽进入大气层，每年约505,000立方公这些水汽从海洋向陆地输送，形成全球里的水通过这种方式转化，相当于地球水分再分配总水量的

0.037%径流与渗透降水陆地降水部分形成地表径流（每年约全球每年降水约505,000立方公里，其47,000立方公里），部分渗入地下补中陆地接收119,000立方公里，海洋接充地下水，最终大部分水回到海洋，完收386,000立方公里成循环地球的生物圈定义与范围生物圈是地球上所有生命及其栖息地的总称，是地球系统中唯一由生命组成的圈层它的垂直范围从海底11,000米深的马里亚纳海沟到大气层15公里高度，覆盖了地球表面几乎所有区域，展现出惊人的适应性生物多样性科学家已记录约175万种生物，但估计实际存在的物种数量在800万到1亿之间，大部分尚未被发现每年仍有数千新物种被描述，特别是在热带雨林、深海和土壤微生物领域，展示了生物圈的丰富多样性生物量分布地球上的总生物量约为550-560亿吨碳，其中植物占约80%，微生物约占17%，动物仅占约2-3%令人惊讶的是，地下生物量远大于地表，尤其是土壤微生物和深部生物圈中的微生物生命系统演化生物圈已有约35-40亿年的历史，经历了从简单单细胞生物到复杂多细胞生物的演化生物不仅适应环境，也改变环境，如早期蓝细菌产生氧气改变了地球大气成分，为后续生命形式创造了条件生物圈与其他圈层的相互作用光合作用与氧气产生生物对气候的影响光合生物每年固定约1200亿吨碳，同时释放大量生物活动影响碳循环、水循环和能量流动，进而氧气地球大气中的氧气主要来自光合作用，这影响全球气候例如，海洋浮游植物通过产生二一过程从约27亿年前开始显著改变地球大气成甲基硫（DMS）影响云的形成；森林通过蒸腾作分，使地球从还原性大气转变为氧化性大气用影响局部降水；土壤微生物产生的温室气体影响大气成分这一变化被称为大氧化事件，是地球历史上最重要的生物地球化学事件之一，为复杂生命的进生物圈还通过改变地表反照率（如森林与草原的化创造了条件不同反照率）影响辐射平衡，是气候系统的活跃组成部分生物圈与岩石圈的相互作用主要通过生物风化、土壤形成和沉积作用微生物分泌的酸性物质加速岩石风化，释放养分；植物根系物理破碎岩石并吸收矿物质；生物遗骸形成沉积岩如石灰岩，成为碳储存的重要方式地球的岩石圈岩石圈是地球最外层的坚硬壳层，包括地壳和上地幔最上部它的厚度在不同区域有很大差异，海洋区约70公里，大陆区约150公里岩石圈下方是软流圈，物质可以缓慢流动，为岩石圈板块的运动提供了可能岩石圈分为7个主要板块和多个小板块，它们在地球表面漂浮并相互作用这些板块以每年2-15厘米的速度移动，看似缓慢，但在地质时间尺度上足以改变大陆形状和位置板块之间的相互作用是地震、火山等地质活动的主要原因，也塑造了地球表面丰富多样的地貌板块构造理论理论提出1960年代板块构造理论由多位科学家共同发展完成，其中魏格纳的大陆漂移学说是重要前身这一理论革命性地改变了地球科学，成为理解地球动力学过程的统一框架，被誉为20世纪地球科学最重要的突破之一科学证据海底扩张的发现是关键证据，科学家在大西洋中脊发现了对称分布的磁异常条带，证明了海底在不断更新古地磁研究显示大陆曾有不同位置，全球地震和火山分布沿板块边界集中，进一步支持了这一理论板块边界类型汇聚边界两个板块相向移动，可形成俯冲带或造山带发散边界板块分离，如大洋中脊，新地壳形成转换边界板块平行滑动，如加利福尼亚圣安德烈亚斯断层这些不同类型的边界产生不同的地质结构和活动影响与应用板块构造理论解释了山脉形成、大陆分布、地震火山活动等现象，也有实际应用，如资源勘探、地震预测和风险评估板块运动历史研究揭示了超大陆周期，如约3亿年前的盘古大陆和未来可能形成的新超大陆地震与火山地震现象地震是地下岩石突然断裂释放能量产生的震动全球每年记录约50万次地震，其中强震约100次地震强度用震级或烈度表示，震级描述释放的能量（如里氏震级），烈度描述特定地点的破坏程度火山活动火山是地壳中岩浆通道的开口，全球约有1,500座活火山，其中约50-70座每年喷发火山喷发释放热量和物质，排出的火山灰可影响全球气候虽然危险，火山也带来肥沃土壤和地热能源等益处分布规律地震和火山主要分布在板块边界，特别是环太平洋火山带（又称火环，囊括了全球约75%的活火山和90%的地震中洋脊系统也是地震和火山活动频繁区域了解这些分布规律有助于风险管理和防灾减灾地球系统科学整体视角物质能量交换地球系统科学将地球视为一个复杂的相各圈层之间通过复杂的物质循环和能量互作用系统，而非孤立的组成部分，强流动相互联系，如碳循环、水循环连接调整体性和系统思维多个圈层时间尺度反馈机制地球系统过程发生在不同时间尺度，从系统内部存在正反馈（放大变化）和负瞬时气象变化到漫长地质演化，共同塑反馈（抑制变化）机制，调节地球状态造地球特性碳循环860Gt大气碳储量主要以二氧化碳形式存在，是现代气候变化的关键因素38,000Gt海洋碳储量海洋是最大的活跃碳库，每年吸收约四分之一人为碳排放75,000,000Gt岩石圈碳储量主要存在于碳酸盐岩和有机沉积物中，是最大但最缓慢的碳库10Gt人类年排放量主要来自化石燃料燃烧和土地利用变化，正在改变全球碳平衡氮循环大气氮储量大气中含有约

3.8×10^15吨氮气（N₂），占大气组成的78%这些氮气分子中的三键结构使其化学性质稳定，大多数生物无法直接利用大气氮是地球上最大的氮库，为生物可利用氮的最终来源固氮作用每年约有

1.7亿吨大气氮通过生物固氮转化为生物可利用形式这一过程主要由具有固氮酶的微生物（如根瘤菌）完成，它们能打破氮气的三键结构闪电放电也能固定少量氮，形成可被植物吸收的硝酸盐人类活动影响人类活动极大改变了全球氮循环，每年通过化肥生产（哈伯法）固定约

1.2亿吨氮，接近自然固氮量此外，燃烧化石燃料、种植豆科植物、废水排放等也向环境中增加了大量活性氮生态影响过量的活性氮导致水体富营养化、土壤酸化、生物多样性减少等问题在某些生态系统中，氮已从限制因子变为过剩元素然而在一些地区，氮肥仍是提高农业产量的关键平衡氮的益处和危害是全球性挑战气候系统系统定义气候系统是由大气圈、水圈、冰冻圈、陆地表面和生物圈相互作用形成的综合系统这些组成部分通过复杂的物理、化学和生物过程相互影响，共同决定了地球的气候状态气候系统的变化涉及多种时间尺度，从季节变化到冰期-间冰期循环能量平衡地球气候系统的能量主要来自太阳辐射，地球接收的太阳辐射约70%被吸收，其余被反射回太空为维持能量平衡，地球向太空辐射长波红外线，辐射量与吸收的太阳能相当大气中的温室气体吸收部分地表辐射，使地表温度高于无大气情况自然温室效应温室效应是地球气候系统的自然过程，由大气中的水汽、二氧化碳、甲烷等气体引起没有这些气体，地球平均温度将降至-18°C,不适合现有生命形式自然温室效应使地球维持约15°C的宜居平均温度，是生命繁荣的关键条件地球的气候带热带赤道至南北纬

23.5度温带南北纬

23.5度至

66.5度寒带南北纬

66.5度至极点地球的气候带是由太阳辐射分布不均导致的热带地区接收的太阳辐射最多，因此全年高温多雨，昼夜温差大于季节温差热带地区包含热带雨林、热带草原和热带沙漠等多种生态系统，生物多样性极其丰富温带地区四季分明，气候变化显著温带包括地中海气候、温带海洋性气候、温带大陆性气候等多种类型温带地区人口密集，是世界主要的农业和工业区域寒带地区太阳辐射较少，终年寒冷，生长季节短，形成了苔原和冰原等特殊生态系统地球气候带的分布受到洋流、地形等因素影响，实际分布比理论模型更复杂海洋与气候热容量海洋覆盖地球表面71%的面积，其热容量约为大气的1000倍这意味着海洋能储存大量热能，极大地缓冲气温变化全球变暖中，超过90%的额外热量被海洋吸收，减缓了地表温度上升速度海洋的这种热惯性使气候变化表现出一定的滞后性洋流系统全球洋流系统包括表层洋流和深层环流表层洋流主要由风驱动，如墨西哥湾流为西欧带来温暖气候深层环流（又称大洋传送带）则由水密度差异驱动，将热量从赤道向极地输送，耗时可达千年洋流变化可引起重大气候事件，如冰期转变厄尔尼诺现象厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是最显著的年际气候变化之一厄尔尼诺期间，太平洋东部变暖，改变全球大气环流，影响全球降水格局它可导致南美洪水、东南亚和澳大利亚干旱、北美异常温暖冬季等ENSO预测对全球农业和防灾有重要意义海平面变化过去一个世纪，全球海平面以约3毫米/年的速度上升，主要原因是冰川融化和海水热膨胀预计到2100年，海平面可能上升40-80厘米，威胁沿海城市和低洼国家海平面上升不仅增加洪水风险，还可能导致咸水入侵地下水，影响淡水供应地球的自然资源矿产资源金属矿产非金属矿产与能源矿产金属矿产是工业发展的基础材料，包括非金属矿产包括食盐、钾盐、磷灰石等，铁、铜、铝、锌、铅等常用金属和金、它们在农业、化工和建材行业有重要应银、铂等贵金属铁是使用最广泛的金用磷是农业生产必需的营养元素，全球属，全球年产量约20亿吨，主要用于建筑磷矿主要集中在摩洛哥和中国钾盐主要和制造业中国、澳大利亚、巴西和印度用于化肥生产，主要储量在加拿大和俄罗拥有世界最大的铁矿储量斯铜是电气工业的关键金属，全球储量约

8.3能源矿产如煤、石油和天然气形成于古代亿吨，主要分布在智利、秘鲁和中国随生物残骸，目前仍是全球能源供应的主稀土元素虽然在地壳中含量不算极低，但着电动车和可再生能源发展，铜的需求预体不过，随着清洁能源转型，其重要性很少形成可开采的富集矿床它们在现代计将持续增长可能逐渐下降高科技产品中不可或缺，如永磁体、催化剂、电池和激光材料中国拥有全球最大的稀土储量和产量，这一资源分布不均衡造成了复杂的国际关系和供应链挑战能源资源地球的生态系统地球的生态系统是生物与其物理环境相互作用形成的功能单元陆地生态系统包括森林（覆盖陆地约30%）、草原（约40%）、荒漠（约33%）、苔原和高山系统等水生生态系统包括淡水（湖泊、河流、湿地）和海洋系统（近海、珊瑚礁、深海等）生物多样性热点地区集中了地球约60%的物种，却仅占陆地面积的

2.3%这些区域如马达加斯加、安第斯山脉、加勒比地区等，面临严重的栖息地丧失威胁生态系统提供的服务价值估计每年超过120万亿美元，包括食物生产、水净化、气候调节和文化价值等，远超全球GDP总和，但这些价值经常被忽视森林生态系统生态服务功能碳吸收、水源涵养、生物多样性保护主要森林类型热带雨林、温带森林、寒温带针叶林全球分布覆盖陆地约30%，约

40.6亿公顷森林是地球最复杂的陆地生态系统，全球森林面积约

40.6亿公顷，但分布极不均匀俄罗斯、巴西、加拿大、美国和中国拥有最大的森林面积，合计占全球森林的一半以上热带雨林尽管仅占陆地面积的7%，却容纳了超过50%的陆地物种，生物多样性极其丰富全球森林每年吸收约26亿吨碳（占全球人为排放量的约30%），是应对气候变化的天然解决方案然而，森林砍伐以每年约1000万公顷的速度持续，特别是在南美和非洲热带地区森林丧失不仅导致生物多样性减少，还加速了气候变化各国正通过重新造林和森林保护措施来应对这一挑战海洋生态系统珊瑚礁生态系统珊瑚礁被称为海洋中的热带雨林，覆盖面积不到海洋的

0.1%，却容纳了约25%的海洋物种这些充满活力的生态系统每年为沿海社区提供价值数千亿美元的旅游、渔业和海岸防护服务然而，气候变化导致的海水升温和酸化正威胁着全球珊瑚礁的生存深海生态系统深海是地球上最大的栖息地，却也是最不为人所知的区域在完全黑暗的环境中，生物依靠化能合成而非光合作用获取能量热液喷口周围发育出独特的生态系统，支持着管虫、盲蟹等特化生物深海生态系统恢复速度极慢，对人类活动如深海采矿特别敏感表层生态系统海洋表层是初级生产力最高的区域，微小的浮游植物通过光合作用提供了超过50%的地球氧气这些微生物是海洋食物网的基础，支持着从浮游动物到鲸鱼的各种生命海洋环流和上升流区域特别富有生产力，支持着世界上最丰富的渔场，为人类提供主要的蛋白质来源人类与地球人类历史现代人类（智人）出现于约20万年前，在近5万年间扩散到全球各大洲与地球45亿年的历史相比，人类仅是最近的访客，但我们的影响却远超其他任何物种农业革命约12,000年前，人类开始从游牧采集转向定居农业这一转变使人口密度迅速增加，促进了城市和文明的发展，也开始对自然景观进行大规模改造工业革命18世纪中期始于英国的工业革命，使人类能够利用化石燃料能源大幅提高生产力这一变革导致人口爆炸式增长，并开始对大气、水体和生态系统产生全球性影响人类世概念许多科学家认为地球已进入人类世，一个人类活动成为主导地质和生态力量的新时代这个概念反映了人类对地球系统的深远影响已达到前所未有的规模人类活动对地球的影响温室气体排放土地利用变化人类活动每年排放约400亿吨二氧化人类已改变地球约75%的冰川覆盖以外1碳，主要来自化石燃料燃烧和工业生的陆地表面，农业用地占陆地面积近产，导致大气中温室气体浓度达到至少40%，城市区域快速扩张，导致栖息地80万年来的最高水平丧失和景观破碎化生物多样性减少污染人类导致的栖息地丧失、过度捕捞、气各类污染物影响空气、水和土壤质量，候变化和引入外来物种，使地球正经历包括塑料（海洋中约有

1.5亿吨）、农第六次大规模物种灭绝，灭绝速率是自药、重金属和新型污染物如微塑料和药然背景的100-1000倍物残留气候变化生物多样性丧失倍100-1000当前灭绝率相比自然背景灭绝率40,000+受威胁物种IUCN红色名录记录68%野生动物减少1970年以来的平均降幅77%栖息地退化陆地自然生态系统的面积损失环境污染空气污染全球约91%的人口生活在空气质量未达世界卫生组织标准的地区空气污染每年导致约700万人过早死亡，相当于全球死亡人数的

12.5%主要污染物包括颗粒物、氮氧化物、硫氧化物、臭氧等，来源于燃煤发电、交通工具、工业生产和农业活动水污染全球约20%的地下水受到污染，约20亿人无法获得安全饮用水主要水污染物包括工业废水、农业径流含肥料和农药、生活污水和塑料等富营养化导致的水华现象已成为全球性问题，每年形成约400个海洋死区，面积超过

24.5万平方公里塑料污染每年约800万吨塑料流入海洋，相当于每分钟一卡车塑料垃圾如果不改变当前趋势，到2050年海洋中的塑料重量可能超过鱼类微塑料已在全球各地发现，从深海沟到珠穆朗玛峰，甚至在人体血液和胎盘中也检测到塑料平均降解需要数百年化学污染全球有超过35万种注册化学物质，但仅少数经过全面安全评估持久性有机污染物POPs如多氯联苯和农药可在环境中长期存在并富集在食物链中新出现的污染物如全氟化合物PFAS已在全球范围内广泛检出，影响野生动物和人类健康可持续发展目标2015年，联合国193个成员国通过了17个可持续发展目标SDGs，作为2030年前全球发展的蓝图这些目标涵盖了社会、经济和环境三个维度，承认这些领域的相互关联性环境相关目标包括气候行动目标

13、海洋生命目标14和陆地生命目标15，以及清洁水和卫生设施目标

6、负责任的消费和生产目标12等尽管取得了一些进展，但大多数目标的实施速度不足以在2030年前实现新冠疫情进一步放缓或逆转了某些领域的进展，特别是在减贫和教育方面中国在减贫、清洁能源和基础设施建设等方面取得了显著成就，但在生态环境保护方面仍面临挑战中国的生态文明建设和美丽中国倡议与SDGs高度契合，显示了国家推动可持续发展的决心地球观测技术卫星遥感系统地面监测网络全球目前有1000多颗地球观测卫星在轨全球气象站网络包括超过10,000个地面运行，提供从可见光到红外、微波等多站点，提供温度、降水等基本气象数种波段的观测数据美国的陆地卫星据全球海洋观测系统GOOS包括浮Landsat计划始于1972年，是最长期的标、潜标、科考船等设备，监测海洋温地球观测项目，提供了近半个世纪的地度、盐度、洋流等参数表变化数据FLUXNET等通量观测网络监测生态系统大数据和人工智能技术正革命性地改变中国的高分卫星系列、欧洲的哨兵卫星与大气间的碳、水、能量交换地震台地球观测数据的处理和分析方式云计系列等都提供了高时空分辨率的观测能网监测全球地震活动，GPS站点网络测算平台如Google EarthEngine使研究人力这些卫星不仅监测陆地，也观测海量地壳运动这些地面网络提供了卫星员能够快速处理海量卫星数据机器学洋、大气和冰冻圈，构建了全方位的地无法获取的详细数据习算法帮助从复杂数据中识别模式和趋球观测网络势，极大提高了数据利用效率卫星遥感应用气象预报与灾害监测土地利用变化监测海洋与大气监测气象卫星对台风、飓风等极端天气系统进卫星图像通过时间序列比较，可精确量化卫星测量海表温度、海冰覆盖、海平面高行实时追踪，提供风速、气压和降水等关森林砍伐、城市扩张和农田变化全球森度和海洋颜色，提供全球海洋状态的综合键参数这些数据被输入数值天气预报模林观测倡议每年发布全球森林变化数据，视图这些数据对理解气候变化影响、监型，显著提高了预报准确性，使预警时间为森林保护和可持续管理提供科学依据测厄尔尼诺现象和评估海洋生态系统健康从几小时延长到几天热红外传感器能够城市规划者利用高分辨率影像监测城市发至关重要大气成分卫星测量温室气体、探测森林火灾和火山活动，帮助及时响应展，评估绿地覆盖和城市热岛效应臭氧和气溶胶等，为空气质量监测和气候自然灾害研究提供关键数据地球系统模型模型发展历程地球系统模型从1960年代简单的大气环流模型发展而来早期模型主要模拟大气物理过程，后逐步加入海洋、陆地和冰冻圈组件21世纪初开始整合生物地球化学循环，形成完整的地球系统模型计算能力提升使模型分辨率从几百公里提高到几十公里，复杂度也大幅增加预测能力与不确定性现代模型能较准确预测大尺度气候趋势，如全球平均温度变化对降水、极端事件和区域尺度预测仍存在较大不确定性不确定性来源包括模型结构差异、参数化方案选择、自然变率和未来排放情景假设多模型集合方法能评估预测的可靠性范围，是当前处理不确定性的主要手段耦合模型的应用耦合模型将大气、海洋、陆地、冰川等子系统动态连接，模拟它们的相互作用这些模型是IPCC气候评估报告的科学基础，为制定减缓和适应政策提供支持模型还应用于季节预测、极端事件归因分析、古气候研究和地球系统临界点研究等领域，拓展了我们对地球系统的认知未来发展方向高分辨率模拟是主要趋势，将使模型能解析对人类社会重要的小尺度过程人工智能与机器学习正被整合进模型中，提高效率和精度量子计算可能在未来彻底改变模拟能力模型将更多关注人类系统与自然系统的耦合，更好地支持社会经济决策，实现从预测地球到为地球决策的转变地球的未来预测与情景气候变化情景IPCC第六次评估报告使用五种共享社会经济路径SSP1-5作为主要情景框架SSP1可持续发展和SSP5化石燃料发展分别代表低碳和高碳的发展道路在最乐观情景下，全球有可能将升温控制在

1.5-2°C内；而高排放情景下，本世纪末温度可能上升4-5°C，带来严重后果人口预测联合国预测全球人口将从目前的79亿增长到2050年的97亿，2100年约为100亿，但增长速度正在放缓非洲将是人口增长最快的地区，而欧洲、东亚等地区人口将减少城市化趋势将继续，预计到2050年约68%的人口将居住在城市人口结构老龄化将成为多数国家面临的挑战资源与技术资源消耗预计将继续增长，但效率提升和循环经济可能减缓增长速度能源系统将经历深刻转型，可再生能源成本持续下降使清洁能源比例大幅提升新兴技术如人工智能、生物技术和量子计算可能带来变革性影响，解决一些当前难题，同时也可能带来新的伦理和治理挑战地球保护与管理国际环境公约保护区系统《巴黎协定》（2015年）是应对气候全球保护区网络覆盖约17%的陆地和变化的全球框架，承诺将全球温升控8%的海洋，但分布不均且管理有效制在2°C以内，并努力限制在

1.5°C性存在差异30×30目标提出到《生物多样性公约》及其《昆明-蒙2030年保护30%的陆地和海洋，需特利尔全球生物多样性框架》要各国共同努力其他有效的区域保（2022年）旨在到2030年保护30%护措施（OECMs）和原住民领地正的陆地和海洋区域《蒙特利尔议定日益被认可为保护的重要补充形式，书》成功保护臭氧层的经验，为国际体现了保护理念的多元化环境合作提供了重要范例环境治理体系环境治理涉及从全球到地方多个层次，包括联合国环境规划署、各国环境部门和地方政府公私合作伙伴关系、企业环境责任和公民社会参与是现代环境治理的重要组成部分实现协同治理、打破部门壁垒是提高环境治理效能的关键，需要创新制度设计和激励机制中国的地球科学研究主要研究机构中国科学院地质与地球物理研究所、大气物理研究所、南海海洋研究所等是国家级地球科学研究重镇中国地质大学、南京大学、北京大学、中山大学等高校拥有国家重点实验室，开展前沿研究中国地质调查局、自然资源部、中国气象局等部门所属研究机构承担大量应用研究工作重点研究项目深部地球探测计划（SinoProbe）探索中国大陆深部结构中国生态系统研究网络（CERN）长期监测生态系统变化全球变化研究国家重大科学研究计划关注气候变化科学问题透明地球计划利用大数据技术整合地球系统观测数据海斗深渊项目探索深海环境国际合作中国积极参与国际大科学计划，如政府间气候变化专门委员会（IPCC）、全球环境基金（GEF）等中国与美国、欧盟、俄罗斯等开展广泛双边合作，设立联合研究中心一带一路科技创新行动计划推动与发展中国家地球科学合作，共建观测站网和数据共享平台创新成果青藏高原隆升与亚洲季风研究获得国际认可中国大洋钻探计划取得南海形成演化等重要发现墨子号量子科学实验卫星支持地球科学研究风云系列气象卫星提供全球气象服务中国学者在地震预测、矿产资源评价、生态系统管理等领域取得显著进展青少年与地球科学地球科学教育参与科学探索职业发展地球科学教育培养青少年的科技馆、自然博物馆、地质地球科学领域提供多样化的系统思维和环境意识，让他公园等场所提供互动式学习职业路径，包括科研、资源们理解地球系统的复杂性和体验各类科学营、野外考勘探、环境保护、气象预脆弱性中国正加强中小学察活动让青少年直接接触自报、防灾减灾、地理信息系地理、生物等学科中的地球然环境公民科学项目如鸟统应用等随着社会对可持科学内容，并发展相关综合类调查、水质监测等让青少续发展的重视，地球科学人实践活动课程年参与真实科学数据收集才需求将持续增长科普资源优质纪录片如《地球脉动》《蓝色星球》激发青少年对自然世界的兴趣中国科普作家如刘慈欣、吴军等创作了众多地球科学相关科普作品互联网平台和应用程序提供丰富的交互式学习内容个人行动与地球保护日常环保选择减少一次性塑料使用，选择可重复使用的水瓶、购物袋和餐具节约能源和水资源，关闭不用的电器和水龙头，选择高能效电器减少食物浪费，适量购买和准备食物，尽可能使用剩余食材选择低碳出行方式，如步行、骑行、公共交通或拼车社区环保参与加入本地环保组织或志愿者活动，如社区清洁、植树造林、湿地保护等参与社区花园、屋顶绿化等城市绿化项目，增加生物多样性支持当地农产品和可持续生产的商品，减少运输碳排放分享环保知识和经验，影响身边人共同行动科学素养提升关注权威科学机构发布的环境信息，辨别虚假信息了解全球环境问题的科学背景和解决方案参与公民科学项目，为环境监测和研究贡献数据理性看待环境问题，避免极端环保主义或环境虚无主义，保持行动的可持续性绿色消费与生活方式践行减量、重用、回收、修复的原则，延长物品使用寿命选择环保、节能、耐用的产品，关注产品生命周期环境影响了解自己的碳足迹，找出减排重点领域培养与自然连接的习惯，增强环境意识和保护动力地球科学的前沿问题地球深部结构与动力学气候系统临界点生物多样性保护创新地球深部仍是人类探索的最后疆域之一科学气候系统可能存在多个临界点，一旦越过可面对严峻的生物多样性危机，科学家正探索革家正努力揭示地核与地幔的精细结构、核幔边能触发不可逆转的巨变亚马逊雨林转变为稀新性保护策略基因组学技术用于保护濒危物界动力学过程以及地磁场起源与反转机制大树草原、西南极冰盖快速消融、大西洋经向翻种，生物声学监测帮助实时跟踪生态系统健洋钻探、地震层析成像和高压实验技术的进步转环流停滞等都是潜在的临界点事件研究这康，卫星技术实现大尺度生物多样性观测原正帮助我们逐步揭示这些深层奥秘，理解地球些临界点的位置、机制和预警信号，是当前气位与移地保护相结合、基于自然的解决方案、内部热、化学和动力过程如何驱动地表现象候科学最紧迫的任务之一，对人类社会应对气生物多样性与气候变化协同治理等整合方法正候变化具有重大意义成为研究热点总结与展望系统整体性人地关系地球是一个复杂、互联的整体系统，各圈层之间人类已成为改变地球系统的主导力量，我们的未通过物质循环和能量流动紧密相连来与地球健康密不可分科学使命可持续发展4地球科学肩负着理解地球系统、服务人类福祉和平衡经济发展与环境保护是当代最大挑战，需要保护地球家园的重要使命科技创新与社会转型通过本课程的学习，我们已经对地球的基本特征、结构组成和系统相互作用有了全面理解地球作为一个有机整体，其各个圈层之间的物质循环和能量交换维持着地球的稳定运行和生命的繁荣人类活动已经深刻改变了地球系统的多个方面，从气候变化到生物多样性丧失，我们正面临前所未有的环境挑战然而，随着科学认知的深入和技术创新的加速，人类也拥有了更多解决这些问题的工具和方法通过跨学科合作、国际协作和个人行动，我们有能力创造一个可持续的未来，实现人与自然的和谐共生。