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第1章　绪论1

1.1　人类面临的全球性重大问题1

1.1.1 人口爆炸1

1.1.2　土地荒漠化1

1.1.3 资源趋于枯竭2

1.1.4　“温室效应”与全球增暖2

1.1.5 臭氧屏蔽的破坏2

1.2　地球系统全球化3

1.3　地球系统科学与可持续发展3

1.4　地球系统科学与传统地球科学4

1.5　地球系统科学特征5

1.5.1 思维方式的变化——整体性研究思维5

1.5.2 研究对象的变化——展望全球与预测未来5

1.5.3 研究内容的变化——为社会发展服务5

1.5.4 研究形式的变化——多学科的综合性研究6

1.5.5 组织形式的变化——国际化与合作研究6

1.5.6 信息交流的变化——地球信息科学的诞生6

1.5.7 方法手段的变化——高新技术的应用6

1.6　国内外研究现状7

1.6.1 当代地质学的发展趋势7

1.6.2 地球系统科学的组织、机构和计划7

1.6.3　地球系统科学的重要会议10

1.6.4 地球系统科学在中国的发展11

1.6.5 地球系统科学理论构建12

第2章　地球系统科学研究方法13

2.1　地球系统科学研究思路13

2.1.1 研究目标与目的13

2.1.2　研究基本思路13

2.1.3 理论基础与特点14

2.1.4　研究领域14

2.2　地球系统科学基本概念15

2.2.1 基本概念15

2.2.2 地球系统的系统、结构、层次15

2.2.3 地球系统的环境、行为、功能17

2.2.4　地球系统的状态、演化、过程19

2.3　地球系统科学基本框架20

2.3.1 地圈-生物圈系统动力学20

2.3.2 气候系统动力学和气候变化预测21

2.3.3 大陆系统动力学21

2.3.4 日-地系统21

2.3.5 人-地系统动力学22

2.3.6　现在应起步的前沿领域22

2.4　地球系统科学时间尺度23

2.4.1 几百万年至几十亿年23

2.4.2 几千年至几十万年23

2.4.3　几十年至几百年23

2.4.4　几天至几个季度23

2.4.5 几秒至几小时24

2.5　地球系统科学研究步骤24

2.6　地球系统科学方法论24

2.6.1 系统方法的哲学基础24

2.6.2　还原论与整体论相结合24

2.6.3　定性描述与定量描述相结合25

2.6.4　局部描述与整体描述相结合25

2.6.5 确定性描述与不确定性描述相结合25

2.6.6 系统分析与系统综合相结合26

2.6.7 模型与原型26

2.6.8 数学模型26

2.6.9　基于计算机的模型26

第3章　地球系统科学理论基础28

3.1　地球系统的连续动态系统28

3.1.1 线性动态地球系统28

3.1.2 非线性动态地球系统29

3.1.3　轨道、暂态、定态31

3.1.4　地球系统的稳定性34

3.1.5 吸引子与目的性40

3.1.6 周期运动与回归性43

3.1.7 地球系统的分岔46

3.1.8　地球系统的突变51

3.1.9　连续混沌52

3.1.10　过渡过程特性55

3.2　地球系统的离散动态系统56

3.2.1 离散映射与离散动力学56

3.2.2 离散混沌58

3.2.3 几种自动器网络模型62

3.2.4　遗传算法67

3.3　地球系统的随机性70

3.3.1 随机过程与随机涨落70

3.3.2 随机网络模型74

3.4　地球系统的自组织77

3.4.1 自组织与他组织77

3.4.2 两种有序原理80

3.4.3 自组织理论86

3.4.4 自组织的几种形式89

3.5　地球系统的简单巨系统92

3.5.1 简单系统与简单巨系统92

3.5.2 熵——简单巨系统的基本概念95

3.5.3 数学模型98

3.5.4　地球系统演化的分析方法104

3.6　地球系统的复杂巨系统108

3.6.1　关于复杂性109

3.6.2 把复杂性当作复杂性处理110

3.6.3 开放的复杂巨系统112

3.6.4 从定性到定量综合集成方法116

3.6.5 综合集成研讨厅体系117

第4章　地球系统科学子系统与学科分支121

4.1　行星系统121

4.1.1 太阳系概况121

4.1.2 太阳系在宇宙中的地位123

4.1.3 行星的轨道运动124

4.1.4　行星的基本物理性质127

4.1.5 行星的结构129

4.1.6 卫星和环系的一般特征130

4.1.7 地球系统科学与地震132

4.2 地核和地幔系统138

4.2.1 地震资料与内部结构139

4.2.2 地球内部的物质成分及其状态141

4.3　岩石圈系统144

4.3.1 大陆漂移、海底扩张和板块构造145

4.3.2　地质过程148

4.3.3 陨击坑和冲击变质作用150

4.3.4 地球的年龄和地质年代表153

4.4　水圈系统155

4.4.1 海洋的成分156

4.4.2 海洋温度和洋流156

4.5　大气圈系统157

4.5.1　地球大气的成分157

4.5.2　地球大气的性质和结构分层157

4.5.3　地球磁场、磁层和辐射带163

4.6　生物圈系统165

4.6.1 生物圈的组成165

4.6.2 生命的特征166

4.6.3 生命的起源、演化和生物圈的形成168

4.6.4 人类的由来172

4.6.5 生物圈系统及其平衡173

4.6.6 生物圈对地球外部圈层的作用175

4.7　地球系统科学学科分支177

第5章　地球系统科学技术179

5.1　全球定位系统（GPS）179

5.1.1 GPS发展历史179

5.1.2 GPS技术180

5.2　遥感（RS）187

5.2.1 遥感概述188

5.2.2　遥感的历史189

5.2.3 遥感技术190

5.3　量子遥感201

5.3.1 量子遥感理论提出的背景201

5.3.2 量子遥感概念的发展202

5.3.3 量子遥感研究对象及内容203

5.4　地理信息系统（GIS）208

5.4.1 GIS概述208

5.4.2 GIS的组成213

5.4.3 GIS的功能214

5.4.4 国家基础地理信息数据库220

5.5 GIS与RS集成的军事应用220

5.5.1 军事需求220

5.5.2 研究背景221

5.5.3 军事应用——预警机224

5.6　生态系统观测研究网络224

5.6.1　全球观测系统225

5.6.2 生物观测网络225

5.6.3 中国生态系统网络（CERN）228

5.7　地球物理技术232

5.7.1　地球物理发展领域233

5.8　地球化学技术238

5.8.1 陨石学238

5.8.2　大陆地壳组成242

5.8.3　地幔地球化学243

5.8.4　地球化学动力学244

5.8.5 同位素地球化学245

5.8.6　表生地球化学246

5.8.7　遥感地球化学248

5.8.8 持久性有机污染物（POPs）的环境地球化学249

5.9　计算机技术251

5.9.1　科学数据共享251

5.9.2　计算机模拟技术255

第6章　地球系统科学研究示范——青藏高原大陆各圈层统一相互作用259

6.1　青藏高原国内外研究现状概述259

6.1.1 高原的隆升机制260

6.1.2 高原隆升史263

6.1.3 隆升机制的进一步探索264

6.2　各圈层统一相互作用的物质组成265

6.2.1 青藏高原地层分区265

6.2.2 区域构造-地层格架265

6.3　青藏高原雅江-班公怒江缝合带的热红外遥感267

6.3.1 温度的反演268

6.3.2 野外地表层钻孔测温与数据处理268

6.4　青藏高原山地各圈层力学系统描述270

6.4.1 力学模型270

6.4.2 青藏高原大陆碰撞力学模型272

6.4.3 青藏高原山地各圈层力学系统描述273

6.4.4 青藏高原碰撞隆起的力学描述275

6.4.5 青藏高原碰撞隆起的数值模拟279

第7章　地球系统科学数字表达——数字地球285

7.1　提出背景285

7.2　研究方法286

7.2.1　研究思路286

7.2.2　基本概念286

7.2.3　研究对象286

7.2.4　研究内容286

7.2.5　研究任务288

7.2.6　作用和意义288

7.3　数字地球原型288

7.4　地球系统场理论基础289

7.5　数字地球物理模型289

7.5.1　地球的自转与参考系289

7.5.2　地球的形状290

7.5.3 地球的速度分层及其研究方法290

7.5.4　地球的电磁性质及其研究方法290

7.5.5 地球的密度分布及其研究方法291

7.5.6　地球的热学性质及其研究方法291

7.5.7　光学模型机理特征291

7.6　数字地球力学模型291

7.7　数字地球数学模型292

7.8　数字地球信息模型292

7.9　数字地球信息获取技术与模拟293

7.10　数字地球空间信息基础设施293

7.11　数字地球技术方法294

7.11.1 地理信息的互操作及Open GIS规范294

7.11.2 数字地球的核心技术295

7.11.3 数字地球空间数据Metadata295

7.11.4　数字地球的新技术295

7.12　数字中国296

第8章　地球系统科学与可持续发展298

8.1　可持续发展理论基础298

8.1.1　理论起源298

8.1.2　理论特点300

8.1.3 可持续发展与协同学300

8.1.4 区域可持续发展301

8.1.5 可持续发展在中国302

8.2　可持续发展的定量化研究——指标体系303

8.2.1 可持续发展的指标体系的研究303

8.2.2 可持续发展的指标体系的应用304

8.3　地球系统科学与可持续发展305

8.4　中国的问题解决之道307

8.4.1 人口与资源、环境的可持续发展307

8.4.2　人口与经济、社会的可持续发展308

参考文献310