樊京芳，金瑜亮

①北京师范大学，北京 100875；②中国科学院理论物理研究所，北京 100190；③中国科学院大学，北京100049

1991年，诺贝尔奖委员会给物理学家de Gennes的颁奖词里提到“复杂性”(complexity)一词。复杂系统科学经过30年迅速发展，研究对象已经超过单纯的物理体系，涵盖了从玻璃到气候、地球等广泛复杂系统。2021年的诺贝尔物理学奖颁发给3位在复杂系统科学方面获得杰出成就的科学家，说明该领域的研究已经获得学术界的重视，甚至有可能引发自然科学的变革，标志着一个新纪元的开端。

1 地球系统科学

地球作为一个复杂的自适应系统，从组成结构上看主要包括大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈5大圈层。同时，各个圈层之间和内部具有高度的非线性相互作用和反馈回路(图1)[1]。实际上每个圈层本身也可以被视为一个独立的复杂体系，并可以进一步分解为更专业的子系统。然而，随着对地球系统多组分之间物理、化学、生物以及人类相互作用的日益了解，人们意识到应该将地球系统作为一个整体看待。这些研究和其结果产生出一门新的学科——地球系统科学。正如汪品先院士所言，“地球系统科学不应当理解为各门地球科学的叠加，而是探索其圈层相互作用，整合其各种学科，将地球作为一个完整系统来研究的学问”[2]。

图1 地球复杂系统示意图[1]

地球系统科学是一门基于观测的实验学科，依赖于技术、仪器和全球合作。全球尺度上长期连续的观测仅仅有60年左右的历史，最早可以追溯到1957年10月4日苏联成功发射世界首颗人造卫星之时。……