第八章：地球系统的结构、功能概念2010

信息交流的变化——地球信息科 （四）信息交流的变化 地球信息科 学的诞生
地学领域形成了由测绘、摄影测量与遥 感、地图学、地理信息系统、计算机图形学、 卫星定位技术、专家系统及现代通信技术类等 的有机结合的又一跨学科研究领域发展。
方法手段的变化——高新技术的应 （五）方法手段的变化 高新技术的应 用
第八章 系统结构和功能
一、系统的基本概念
1. 系统：由相互联系、相互制约的若干部分结合 由相互联系、 由相互联系 在一起组成的具有特定功能的整体。 在一起组成的具有特定功能的整体。 系统的特点： （1）整体性：具有整体的结构、整体的状 态、整体的行为、整体的功能。 整体大于部分 之和。 （2）多元性：多样性的统一，差异性的统 一。
系统科学方法 系统科学的基础理论，国内称它为系统学。 系统科学的基础理论，国内称它为系统学。它 研究一般系统的结构、 研究一般系统的结构、功能与其进化的一般规 律。 从系统观点出发，探讨整体与要素、 从系统观点出发，探讨整体与要素、要素与要 整体与外部环境之间的相互联系， 素、整体与外部环境之间的相互联系，并运用 系统、信息、 控制、反馈、稳态、功能、 系统、信息、熵、控制、反馈、稳态、功能、 结构、涨落等范畴，刻画系统的性质及其进化 结构、涨落等范畴， 都是研究一般系统的方法。这些方法， ，都是研究一般系统的方法。这些方法，包括 结构方法、功能方法、历史方法等， 结构方法、功能方法、历史方法等，可以应用 于一切领域的系统研究，因此， 于一切领域的系统研究，因此，是系统科学的 一般方法。 一般方法。
组成系统结构的要素不同，系统的功能也不同：如电灯是用 电加热灯丝，达到白炽程度而发光才能照明，提高耐久程度 则是改进普通灯泡的关键之一。爱迪生最初研制成功的碳丝 灯泡，只能连续点燃40小时；采用耐热金属钨丝代替碳丝， 又在灯泡中充入惰性气体氮代替真空，灯泡寿命大为延长。 按结构功能的观点看，这是由于组成灯泡系统结构中的要素 改变了，因而使灯泡的功能得以提高。 组成系统结构的要素相同，但结构不同，其功能也不同 一般人最熟悉的莫如炭黑、金刚石和石墨。虽然都由碳原子组 成，但碳原子的结合不同，性质迥然不同。碳黑是一种无定 形粉末，金刚石的碳原子分布均匀，结合紧密，是一种无色 透明、外形为八面体的硬质晶体。石墨体的碳原子层之间的 间距大，结合力弱，形成一种软质鳞片状晶体，其强度、塑 性和韧性几近于零。
世界气候研究计划（WCRP） 世界气候研究计划（WCRP） 国际地圈生物圈计划（IGBP） 国际地圈生物圈计划（IGBP） 全球环境变化的人类因素计划（HDP） 全球环境变化的人类因素计划（HDP） 国际岩石圈计划（ILP） 国际岩石圈计划（ILP） 深海钻探计划/大洋钻探计划（DSDP/ODP） 深海钻探计划/大洋钻探计划（DSDP/ODP） 全球海洋生态系统动力学研究（GLOBEC） 全球海洋生态系统动力学研究（GLOBEC） 世界大洋环流实验计划（WOCE） 世界大洋环流实验计划（WOCE） 国际减灾十年计划 国际生物多样性计划
2. 结构：组分及组分之间关联方 结构： 式的总和，称为系统的结构。在 组分不变的情况下，往往把组分 的关联方式就称为结构。
系统的基本特征是整体性，但系统为什 么能够保持它的整体性，这又必须与外部环境相互联系和作用过程 的能力称为系统的功能。系统功能体现了一个 系统结构与外部环境之间的物质、能量和信息 的输入和输出的变换关系。 功能是一个过程，这一范畴揭示了系统外部作 用的能力，因而是由系统整体的运动表现出来 ，而首先是由系统的结构所决定的。因为系统 的结构是系统保持整体性以及具有一定功能的 内部依据，探讨系统的结构与功能的关系，是 理解系统基本性质的重要环节。
二、地球系统科学特征
（一）研究内容的变化——为社会发展服务 研究内容的变化 为社会发展服务
（1）物理过程---化学过程—-生物过程---人类 活动的影响。 （2）解决人口资源环境问题。
（二）研究形式的变化——多学科的综合性研 研究形式的变化 多学科的综合性研 究
（三）组织形式的变化——国际化与合作研究 组织形式的变化 国际化与合作研究
三、地球系统科学的研究步骤
（一）现象的观测和数据的积累 （二）对数据进行分析和解释 （三）建立概念模型和数学模型 （四）验证模型
四、地球系统科学的方法论
（一）全球与区域信息获取 （二）海量信息处理和分析 （三）地球系统模型 局部描述与整体描述相结合 确定性描述与不确定性描述相结合 系统分析与系统综合相结合 数学模型 基于计算机的模型
北京大钟寺有口大钟，造于明代永乐年间，至今 560多年，音质悦耳、幽雅感人，音响更是纯厚 绵长，钟声可传出四、五十公里，“有异它钟” 。但这些仅是大钟输出的信息，要弄清大钟为什 么有这样好的性能，还必须进一步弄清它的结构 机理，可是大钟的建造没有详细记载留传下来。 直至解放后，我国声学家才用精密超声声速仪精 确测定大钟各处厚度，计算出实际重要为46.5吨 。经化验分析，大钟合金成分是铜80.54%，锡 16.4%，铅1.12% 和少量其它金属。这口钟的合 金结构比例合适，使钟既经得起重敲，音响又好 ，被公认属于造钟的最佳比例。世界上记载有许 多大钟，但不一定好，如1733年俄国铸造的“皇 钟”重193吨，正是由于合金比例及结构的错误 ，敲第一响就震裂了。可见一个系统的成分与结 构，对人类的实践有着重要的指导意义。