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天文学研究方向范文1
【关键词】南极陆地系统科学 中国南极研究战略 南极陆基科考成果
【中图分类号】P728.2 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/ki.rmltxsqy.2017.11.005
南极洲是行星地球上具有最极端环境的地理单元，也是人类最后发现的大陆。广袤的冰雪、严酷的自然环境、神奇的自然景观、吸引着现代人类的目光。随着科学认知能力的提高，人们已经知道南极对全球气候环境变化和对人类的未来生存关系密切。目前，已有28个国家在南极洲建立了70多个科学考察站，开展了大量的科学研究。南极洲还具有丰富的自然资源，因此，它不仅是科学研究的国际舞台，也涉及国际间外交、军事等诸多领域。进入二十一世纪以来，随着航天、遥感等新技术的迅速发展，以及空天作战等新观念的出现，极地距离我们已经不再遥远，甚至成为有关国家安全的新疆域。因此，当前中国极地科学的战略思考就显得格外重要了。
与发达国家和一些南半球国家相比，我国开展南极考察相对较晚。我国于1984年开始组织南极考察，在国家海洋局的领导下，无数中国极地科学家不畏艰险，胼手胝足，使得我国极地研究获得许多令人振奋的高水平科研究成果。先后在南极建立了中国南极长城站、中山站、昆仑站、泰山站，在北极建立了中国黄河站。先后有“向阳红10号”“极地号”“雪龙号”等科学考察船承担了极地科学考察任务，建立了数十个不同研究方向的极地科学研究实验室，成功组织了33次南极考察和7次北极考察，形成了较为完善的组织管理、后勤支撑保障体系。从考察规模和科研成果来看，中国已经成为极地考察的大国。 中国南极陆地系统科学的进展
以南极陆地为基础的陆基考察是中国南极考察最先开展的研究领域，内容涵盖大气与气象、冰川、高空大气、天文与陨石、地质与地球物理、古环境、现代环境监测、大地测量与制图以及极地人体医学等九个方面。
上世纪八十年代初，为学习外国南极考察研究的经验，我国陆续派出科学家到各国南极考察站参与实地考察，开展了实地观测、采样，并以合作或者独立方式实地进行了研究工作，他们是中国南极陆基考察研究的先驱者。
随着中国南极中山站的建成，中国南极陆地系统科学考察与研究活动快速发展起来，研究领域也从初期的亚南极环境，滨海与海岸带环境逐渐向内陆扩展。一大批涉及国际南极科学研究最前沿的项目得以开展，并取得令人瞩目的进展。其中，秦大河横穿南极的雪冰环境研究，普里兹―格罗夫大地构造演化研究，格罗夫山的古气候环境研究，南极陨石回收与研究，无冰区古生态环境的地球化学研究，东南极冰盖起源与初期过程研究，冰穹A的天文观测与研究，极区等离子体云的形成过程与机制研究等领域，均获得了国际一流的科学成果。目前，中国南极陆基研究相关论文在国际科学刊物上发表的数量已居世界前列。在改革开放和经济腾飞的年代，南极泰山站顺利建成，固定翼飞机投入使用，新的考察船指日可待，相信中国南极陆基科学考察必将以更快的速度向前发展。本文集中介绍33年来我国南极陆基科学考察的研究现状和主要科学成果。
《南极大陆地质地球物理调查与研究》包括我国在南极不同地域的考察研究。1980年，张青松等人开展了早期地理、地质研究，随后开展了东西南极过渡带地质的研究和西南极岛弧火山岩和火山作用的研究。随着中山站的建立，我国地质学家在其所在的拉斯曼丘陵及附近区域考察研究和矿产资源调查，同时对东南极西福尔丘陵东南侧分带状冰碛物进行了统计分析，对威尔克斯地温德米尔群岛冰碛物及典型基岩进行了研究、1998年，中国开展了首次格罗夫山多学科综合科学考察，获得丰硕成果。在地球物理观测与研究方面开展了地磁研究、古地磁研究、重力研究、地温特征和岩石热物理性质研究，以及地震观测研究。取得的成绩如：建立了乔治王岛菲尔德斯半岛地层序列；准确测定了乔治王岛巴顿半岛地层年代；构建了横贯南极山脉主要地质构造特征―双构造层基底；建立了中侏罗世岩浆活动及古生物特征；北维多利亚地难言岛地质构造特征；识别出拉斯曼区域500Ma高级变质事件并阐明其构造意义；首次报道了南级洲的硅硼镁铝矿；提出早期1000Ma中压麻粒岩相构造变质事件；拉斯曼丘陵及邻区的各类岩石开展了系统的锆石同位素年龄研究；识别出早期石榴石+斜方辉石+堇青石+钾长石组合；系统划分了格罗夫山地区的花岗岩质岩石类型和侵入时代；格罗夫山地区只存在单一高温麻粒岩相变质事件；格罗夫山地区冰碛岩中的大洋俯冲和大陆碰撞相关的岩石学证据；格罗夫山地区主要经历了3期构造变形；碎屑锆石原位U―Pb年龄测定及矿物化学成分测试；建立了埃默里冰架东缘―西南普里兹湾地区的地质事件序列；建立了格林维尔期雷纳造山带从增生到碰撞的构造过程；确定了泛非期变质演化轨迹并探讨了普里兹造山带的性质；西福尔丘陵附近年龄达35亿年的古太古代古老地块的揭示；威尔克斯地温德米尔群岛的冰下地质研究提示区域地|构造历史；南极内陆地球物理研究等。
《南极古气候环境与古生态地质学研究》包括：张青松于上世纪八十年代初在澳大利亚凯西站和戴维斯站进行的多学科综合考察。长城站和中山站建成后，张青松、谢又予、崔之久等7名专家先后对乔治王岛和拉斯曼丘陵进行了考察，探明了乔治王岛中―新生代古生物古生境，以及植物群孢粉组合特征等，还进行了无冰区地貌发育与晚更新世以来环境演变研究。
南极无冰区生态地质学是以海洋生物粪土层为过去生态环境信息记录的新载体，应用第四纪地质学、元素和同位素地球化学、沉积学、矿物学、构造地质学等经典的地质学方法与生态学、古气候学、动植物学、微生物学、有机地球化学以及高新技术等多学科交叉的方法，运用微观的生物地球化学记录，结合海平面升降、构造变动等地形地貌典型特征的现场调查，来探索宏观的生态、气候与环境变化的主题。目前，南极无冰区生态地质学已成为地球系统科学和全球变化科学这两个新兴科学前沿领域一个新的研究方向。极地生物对气候环境变化的应在全球变化研究中日益受到重视。南极企鹅、海豹和磷虾的数量在过去几十年发生了显著变化。为理解这些变化的驱动机理，区分自然和人类因素尤为重要。研究人类涉足极地之前的生态变化将有助于把近来人类引起的变化放在更长时间尺度框架内去解读。对极地沉积物中保存完好的脊椎动物骨骼、毛发、羽毛等生物遗迹和粪土沉积物的分析，可以利用生物地球化学标志物查明自然和人类活动对千年来极地海洋脊椎动物的影响并有助于区分二者的作用。此外，海鸟海兽在极地海陆环境中扮演重要的传输者角色，它们从海洋转移大量营养物质和污染物到陆地，从而对陆地生态系统产生重要的影响。
在格罗夫山综合考察中，综合冰川地质地貌的风蚀与冰蚀特征，极寒冷荒漠土壤的形成年代，沉积岩转石的沉积环境分析、沉积岩和土壤中的孢粉组合的古气候环境及年代分析，以及原地生成宇宙成因核素等多种方法手段的研究结果，可以详细描述格罗夫山地区上新世早期以来冰盖进退的历史过程。东南极大冰盖形成以后并非稳定演化至今。在上新世早期以前，东南极内陆冰盖曾经出现过大规模的消融，即东南极大陆冰川的前缘至少曾经退缩到格罗夫山地区，距现今冰盖边缘400公里。当时的冰盖规模甚至不到现今的三分之一。之后，东南极冰盖又迅速膨胀，到距今2.3Ma时，冰面至少超过现今高度约400米。以后冰面缓慢平稳下降，至1.6Ma时，东南极冰盖进入第四纪振荡期，但重新上升的冰面再也没有超过现今高度的100米以上。
东南极兰伯特地堑两侧新生代沉积物具有相对丰富的孢粉化石，对这些地层的孢粉研究不仅可以提供年代学证据，还可以恢复当时的古植被和古环境，是研究气候环境变化及东南极冰盖历史演化的直接证据。研究者根据北查尔斯王子山的主要露头采集的样品进行孢粉鉴定及组合分析，恢复了该区中新世以来古气候环境和古生态的演化过程。
《南极大气观测与气候研究》包括我国开展南极大气科学考察取得的显著进展。1985年和1989年中国在南极建立了南极长城气象站和中山气象台。1993年在中山站安装国际标准的臭氧光谱仪，开始了大气臭氧总量和紫外辐射的观测，并延续至今。在国际极地年期间，在中山站建成了大气本底站，开始了温室气体长期观测。2002年以来，在中山站到泰山站和昆仑站的断面上，先后安装了6套由卫星传输资料的自动气象站，获取的资料在国内外研究中已得到应用。中国南极大气科学研究是近30年来在我国有较大进展的科学领域，对南极地区近代气候的变化规律、大气边界层物理和海冰气相互作用冰雪、能量平衡过程、温室气体的本底特征和臭氧洞形成过程、南极考察气象业务天气预报系统、南极大气环境对东亚环流和中国天气气候的影响等方面开展了一系列的研究，取得了很多国内外有影响的研究成果，加深了南极气候在全球变化中作用及其对我国天气气候和可持续发展影响的认识。代表性成果包括：长城站、中山站和昆仑站气候特征；海冰反照率；长城站、中山站天气预报；南极海冰变化与大气环流的关系；南极臭氧洞变化及其趋势；南极臭氧洞的垂直结构；地面臭氧本底特征；二氧化碳的本底特征；一氧化碳本底浓度；南极近地层湍流参数；大气边界层结构；中山站对流边界层高度；东南极冰盖边界层结构；南极苔原温室气体通量；南极海冰对我夏季天气的可能影响；南极温度变化与绕极流；南极大气模拟；南极大气模拟等。
《南极站点生态环境监测与研究》包括中国科学家在潮间带群落动态生态学的系列演替，南极生物的生态分布，生物生产力，食物链等方面获得的大量数据和丰富的研究成果。中国的吴宝玲、魏江春、俞建銮、张坤诚、黄凤鹏等生物学家对南极生物学的考察和研究，除在其他国家的科学站上进行了一些工作外，主要是在南极长城站和南设得兰群岛地区进行。研究内容包括：潮间带生物、藻类区系、底栖动物、冰雪生物、陆生植物、飞行生物等领域，同时也注意到人类活动对南极生物的潜在威胁，认识到保护南极的生物资源与环境已成为刻不容缓的任务。赵俊琳副教授于1986至1989年在长城站和中山站区进行了环境地球化学考察与研究。我国南极生态环境科学重要研究进展包括：南极地衣物种资源收集及生态功能分析；微生物群落分布与结构特征；潮间带生态系结构与功能；冰藻群落及环境相关性研究；近岸海洋环境及浮游生物群落变化特征；污染物分布及人类活动影响等。
近年来，国际南极生态系统研究已逐步向更为系统和全面的方向发展。SCAR于2012年提出的“南极生态系统恢复与适应临界值”国际研究计划（Antarctic Thresholds-Ecosystem Resilience and Adaptation （AnT-ERA）Implementation plan， 2012），旨在分子、种群和生态系统三个层面促进对南大洋、淡水和陆地生态系统变化的了解；2013年，SCAR提出了“南极生态系统”国际研究计划（Antarctic Ecosystem，AntEco），重点关注过去和现在的南极所有环境类型中的生物多样性状况（State of the Antarctic Ecosystem Implementation Plan，2013）。
《南极考察人员生理心理适应性研究》包括我国南极医学研究历程与新成果。随建站初期的起步发展，迄今已对长城、中山和昆仑站的454名考察队员进行了系统的生理和心理的适应性研究，获得了不同环境、考察时间和任务下的我国队员生理心理适应模式，为考察队员的选拔、适应、防护、站务管理和有关政策制定等提供科学依据，并探讨了南极特殊环境下生命科学的一些问题。2014年研究在国际权威期刊“分子精神病学”（Molecular Psychiatry， IF：15.14）上，它为揭示人类表型变化与机制之间的联系提供了新的方法。具体研究内容包括：早期生理、心理适应性、劳动卫生和营养膳食等多学科综合研究；长城站、中山站和昆仑站不同环境因子对考察队员的影响及其机制研究；长期居留南极中山站和长城站对越冬队员生理和心理的影响；南极冰穹A低氧复合高寒环境对考察队员的交互作用（昆仑站）；高原低氧易感冰盖考察预选队员筛查选拔冰盖考察队员；模拟高海拔低氧环境进行深入低氧应激机制研究等。
今后，南极医学将进一步围绕国家需求开展各项工作。继续开展长城站、中山站和昆仑站的不同环境因子对考察队员生理和心理的影响及其机制研究，将前期研究成果尽快转化为应用，逐步建立南极生理心理健康监测、评估和维护体系，使研究来源于考察队员，使成果服务于南极考察队员医学防治。以南极越冬站模拟空间站，开展南极越冬与长期驻留空间站的生理心理类比研究，建立和验证空间站医学心理学健康监测和维护技术，使南极医学和航天医学成果相互转化应用。以南极为天然实验室，开展大气细颗粒物PM2.5对人体呼吸和心血管等系统的影响及其机制，为我国大气污染防治提供科学数据资料。
《南极测绘及其遥感应用》领域包括了中国南极测绘考察过程和研究新成果。我国完成了东西南极站区附近的大地测量基准建设，在南极中山站、长城站建立了导航卫星跟地面跟踪站、常年验潮站以及绝对重力点。从1992年开始开展了南极航空摄影测量工作，获得了拉斯曼丘陵和菲尔德斯半岛地区航空影像图和航测地形图。完成了南O遥感参数的现场采集、合作目标的布设、现场标定等工作，并开展了遥感测图、冰流速和冰雪变化等研究。测绘和编制了覆盖南极近30万平方公里的各类地图400多幅，命名了300多条南极地名。具体内容有：南极板块运动与冰川运动监测研究；南极冰川和冰架运动监测；南极航空测量技术研究；卫星遥感制图和特殊冰貌分析；多源遥感数据冰流速、冰架、海冰变化监测；卫星测高技术用于冰盖高程及其变化探测；基于卫星重力的南极冰雪物质平衡估算；基于GNSS技术的南极电离层和对流层研究；南极地理信息系统与应用和极地信息化服务等。我国南极GIS的发展目前处在空间数据、应用模型和网络服务的集成阶段，还在逐步建立可互操作的南极空间信息基础设施，为南极制图、考察管理、科学研究、科考决策提供空间数据资源。随着对“数字地球”认识的不断加深，未来南极GIS的研究也将向“数字南极”的方向发展，从目前对极地空间数据和属性数据的可视化表现，向异构数据库互操作集成和基于知识的极地智能专家系统发展。通过多学科交叉、新技术应用，开展全球尺度的系统性、集成性研究已成为国际趋势。全球及南极环境监测研究，需要在卫星遥感，现场地面观测网络，机载平台观测，模型、同化和再分析系统，数据管理系统等方面不断探索，不断利用新技术和新方法，减少现有研究的不确定性，增强定量监测南极冰雪环境变化的能力。
《南极冰川学考察与研究》领域包括我国南极冰川学考察与研究逐步经历的学习、自主建设及快速发展阶段，目前已经初步形成了涵盖雪冰物理、雪冰化学、卫星遥感等多学科综合发展体系。长城站、中山站、昆仑站和泰山站的建成，逐步完善了冰川学考察后勤支撑体系，为进一步开展深冰芯等冰川学考察研究奠定了重要基础。目前我国已经在昆仑站实施深冰芯钻探，取得数百米宝贵的冰芯。我国南极冰川学一系列重要成果的获得及研究队伍的建设，使我国成为世界南极冰川学研究中的一支重要力量。具体的新进展有：东南极冰盖演化及其气候效应；南极冰盖物质平衡与海平面变化；南极雪层温度研究；南极雪冰稳定同位素研究；南极雪冰化学研究；Dome A深冰芯科学工程（深冰芯钻机系统研制，深冰芯钻探场地建设）等。在不远的将来，还将开展系列综合调查计划，如中山站―DomeA断面以及航空地球物理调查计划；冰架与海洋相互作用―埃默里冰架热水钻研究计划等。
极区是太阳风能量进入地球空间的入口，因此成为开展日地空间物理观测和空间天气监测最理想的地区。我国开展的《南极高空大气物理学观测与研究》内容包括：我国在南极长城站开展的电离层和地磁观测，在中山站建立了国际先进的极区高空大气物理观测系统，观测要素涵盖极光、电离层和地磁，并与北极黄河站构成了国际上为数不多的极区共轭观测对。以极区观测为基础，我国在极光、极区电离层、极光和粒子沉降、极区等离子体对流、空间等离子体波、空间电流体系和极区电离层―磁层数值模拟等方面取得了一系列研究成果，主要进展包括：首次观测到极盖区等离子体云块的完整演化过程；发现中山站电离层F2层的磁中午异常现象；首次得出日侧极光多波段强度综观统计特征；首次观测到极区电离层对流和日侧极光随SC的瞬变效应；在外极隙区发现Pc2离子回旋波的激发；建立了极区电离层的三维时变模型，较好地解释了南极中山站的“磁中午异常”现象和极盖区等离子体云块的形成与演化过程。具体研究内容有：极区电离层；极光和粒子沉降；极区等离子体对流；空间等离子体波的源区与传播特征；极区地磁与电流体系；极区空间天气；极区电离层―磁层数值模拟等。
《南极陨石研究与天文学观测》包括我国第十五次南极科学考察中，首次在格罗夫山发现4块陨石，随后的6次格罗夫山考察共回收陨石12065块，跃居世界第三。大量南极陨石的发现，为我国陨石学和比较行星学提供了极为珍贵的其他天体样本，也为我国月球和火星等深空探测工程科学目标的制定和实现发挥重要作用。在陨石回收管理方面，我国成立了“南极陨石专家委员会”，建立完备的陨石收藏、调用、研究成果的管理制度。我们还成立了南极陨石分类小组，组织多个中科院、大学的科研机构参与陨石的基本分类定名工作，迄今已完成陨石分类样品总数达2436个，并得到国际陨石学会陨石命名委员会的批准。科学家对其中一些珍贵的陨石样品如火星陨石、灶神星陨石、原始球粒陨石中的太阳系外组分进行了深入研究，取得了一批高水平的研究成果。
从2007年开始我国在昆仑站逐步建成的冰穹A天文观测基地，台址监测获得了大气湍流、透过率、天光背景等关键天文台址参数。分析表明，冰穹A具有优越的光学/红外和太赫兹观测条件，是目前上最好的天文台址，提供了准空间的天文观测环境。冰穹A的天文选址活动被《自然（nature）》《科学（Science）》《美国国家地理（National Geographic Magazine）》等国际主流媒体进行了全方位的报道。在冰穹A开展的中小口径望远镜巡天观测也已在天文学研究取得重要阶段性进展。特别是通过变星搜寻确定了一批太阳系外行星候选者，等待后续观测确认。在相接双星的结构和活动研究上，首次观测到来自该类天体的系列剧烈耀斑爆发和长寿黑子。这些研究成果都发表在如《皇家天文学会月报（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）》《天体物理杂志（The Astrophysical Journal）》及《天体物理杂志增刊（The Astrophysical Journal Supplement）》等国际顶级天文学术期刊上。
中国南极昆仑站天文台将主要面向21世纪最重要也是最迫切的重大科学问题――暗物质和暗能量、高红移宇宙、恒星与星系的形成和演化以及系外行星和生命起源等。“十二五”期间提议建设的望远镜已经具备可以与国际上尚在计划中的其他巡天望远镜（如欧洲的EUCLID空间望远镜）相匹敌的观测功能，在某些重要方面（如2～4m深度巡天和太赫兹波段观测）甚至具有超越国际上计划中的下一代望远镜的功能，将对天文学和基础物理的众多前沿领域产生重要影响。红外和太赫兹巡天将发现的大量新天体和新现象也将成为其它大型地面望远镜和空间望远镜的重要研究对象，为中国天文学家提供许多宝贵的天文观测目标，在下一轮国际天文研究的竞争中取得优势。 对中国南极陆地系统科学战略的思考
虽然我国进入南极相对较晚，但是起点高，发展速度快。中国科学家已经从最初竭力跟随发达国家科研主流，发展到在多数科学领域与他们“并肩跑”，甚至有些领域到达“领军跑”的态势。我们应当继续培育并扩大我国南极科学研究在这些领域的优势，慎重选择并积极参与当前国际最有影响力的大科学主题，持续集中投入力量，尽快在更多领域能够站在科学高点。只有处在科学制高点，才能够在“南极研究科学委员会”等国际舞台上有更多话语权，更好地维护国家民族在南极的重要权益。展望未来，中国南极陆地系统科学考察一定会在冰穹A的深冰芯钻探、昆仑站的天文观测研究、甘伯采夫透冰地质钻探、格罗夫山冰下湖钻探、爱莫里冰架钻探、南极无冰区古气候环境的地球化学研究、南极天地然震观测，南极地质演化与矿产资源调查等领域取得令人瞩目的新成果。
尽管对南极的自然资源的调查与勘探工作十分有限，但科学家们已经初步了解到南极的确拥有丰富的资源。考虑到国际形势变化日益加快，演化方向难以预料，因此我们国家应当做到对于南极资源心中有数，以备不时之需。同时，对于南极环境现状的基本数据，例如站区环境本底值等，也要尽快并尽量详细地掌握。
从一个长期从事南极考察的科研人员角度，笔者特别体会到，国家对南极考察研究提供稳定的科研投入是多么重要。只有稳定的经费支持，我们才能维系稳定的科研队伍，不间断地获得高水平科研成果，才能培育出老中青配制合理的稳定科研队伍，在与国际同行的竞争中保持稳定的活力，更好地发挥已有优势，更快地克服关键的短板，进一步提高我国南极科学研究的效率。
综观目前我国南极考察的现状，最大的瓶颈在于后勤保障能力不足。科学家赴南极现场的名额十分有限，即便到了南极，许多野外科学活动也无法执行，处处掣肘。因此，从国家层面尽快加强我国极地考察的后勤保障能力，是当前发展我国极地事业的当务之急。如果在未来5到10年内，我们能够增加新的极地考察破冰船，增加数架固定翼飞机和直升机，建设高水平的无“或少”排放考察站，增加雪地车和雪地摩托车数量，中国极地考察事业将以前所未有的规模和速度迅猛发展，尽快从目前的极地大国向极地强国转变。
虽然中国在南极科学研究领域取得了丰硕的成果，但在国际南极研究科学委员会（SCAR）和南极条约体系（ATS）的各种国际会议上似乎很少听到中国人的声音，因而在国际极地事物中缺乏国家的影响力和决策力。分析原因，其一是我国参加南极活动较晚，其二则是英语不属于我们的母语，许多中国代表在会场上的迅速理解、反应和及时表达都相对困难些。此外，还有一个以前没有注意到的现象，就是那些当前在南极国际舞台上极为活跃的发达国家代表，基本属于具有一定科学背景，以前做出过一定科学贡献的科学家。他们现在已变成以外交活动为主的职业“科学外交家”了。这些人无形中成了大型国际科学合作项目的倡导者和组织者，并最终成为国际南极科学活动的领导者。针对这种情况，建议我们也应当有意识有计划有针对性地培养一批有一定科研背景的中国“南极科学外交家”，逐渐在国际极地组织中担任高级职务，在大型国际合作科学计划中成为领导者。这样就可以更好地扩大我国的国际影响力，使我国南极的科学贡献在国际舞台上有更及时更有效表现，同时也更好地展示中国作为一个负责任大国在南极的积极形象。
