Фундаментальное научное исследование Земли предусматривает теоретические и экспериментальные направления для получения новых знаний о земных процессах.
Существует много вопросов решение которых приведет к созданию единой модели Земли. Работа по исследованию Земли, вероятно, опирается на численное моделирование как инструмент интеграции данных наблюдений и лабораторных исследований в системные процессы. Однако прогресс в технологии может помочь нам изменить эту ситуацию.
Для решения проблем в науках о Земле требуются методы в непрерывных и дискретных динамических системах, стохастические процессы, гомогенизация (неоднородность распределения химических веществ), свойства динамических систем, обратные задачи и количественная оценка неопределенности.
Вопросы по изучению и исследованию планеты Земля
- Вопросы о формировании Земли и планет-сестер: общепризнано, что планеты произошли из общего туманного облака, но мы до сих пор не знаем, почему химический состав планет отличается. Эти вопросы требуют дальнейшего изучения материалов Солнечной системы, таких как метеориты, лунные породы или другие внесолнечные тела.
- Зарождающаяся стадия эволюции Земли-первые 500 миллионов лет все еще окутаны тайной. В этот период произошло столкновение с другой планетой, в результате чего обломки образовали Луну, а сама Земля расплавилась до своего ядра. Это время, когда атмосфера и океан, вероятно, развивались. Сохранились ли где-нибудь скалы этого периода, которые позволили бы нам понять самые ранние «темные века»?
- Один непреходящий вопрос, который бросает вызов нашей цивилизации, касается происхождения жизни. Прорывы в молекулярной биологии дают гениальные модели элементарной жизни. Но геология должна теперь дать ответы о том, когда, где и как возникла жизнь на Земле. Марс мог бы стать целевой планетой, где осадочные породы, предшествовавшие земным породам, сохранили бы самые ранние формы жизни.
- Недра Земли всегда были предметом споров. Известно, что мантия и ядро находятся в постоянном конвективном движении. Конвекция ядра генерирует магнитное поле, а конвекция в мантии способствует глобальной тектонике. Мы все еще не в состоянии построить прогностические модели, чтобы знать, как этот механизм развивался и будет развиваться в будущем.
- Как и жизнь, тектоника плит, по-видимому, уникальна для Земли. Как развивалась тектоника плит и как она связана с изобилием воды, океанов, континентов и самой жизни? Ставятся вопросы о формировании тектоники плит, термохимической эволюции мантии и ядра, роли воды в тектонике и климате, динамике континентальных корней, внутренних и окраинных областях, динамике землетрясений, геологии границы ядро-мантия и происхождении изменяющегося магнитного поля Земли.
- Макроскопические процессы, такие как тектоника плит и конвекция мантии, управляются микроскопическими свойствами материалов Земли на атомном уровне. Понимание свойств материалов необходимо для построения прогнозных моделей и планетарных процессов.
- Климат Земли умудрялся поддерживать свою температуру в узком диапазоне на протяжении всей ее 4,5-миллиардной истории, делая жизнь возможной. Были короткие промежутки, когда климат переходил в крайности. Исследование Земли и геологических архивов по внезапным климатическим изменениям поможет нам лучше сдерживать эти явления.
- Необходимо лучше понять связи геологии и биологии. Вопросы включают в себя: какова была роль жизни, формирующей атмосферу? Как выветривание и эрозия сформировали земную поверхность? Как геологические события привели к массовым вымиранием?
- Может ли исследование Земли предсказать землетрясения и извержения вулканов? Несмотря на некоторые впечатляющие успехи, достигнутые в изучении вулканов, ученые до сих пор не знают, можно ли предсказать возникновение землетрясений с точки зрения точного места и времени.
- Наши знания о потоке жидкости как в подповерхностных, так и в поверхностных средах все еще находятся в зачаточном состоянии. Нам не хватает превосходных прогностических математических моделей, которые могли бы рассказать нам, как эти естественные системы будут вести себя в ответ на поток жидкости. Вопросы включают в себя, как быстро они текут, как они транспортируют растворенные и взвешенные материалы и как они влияют на химический и термический обмен со средой.
К этому списку можно было бы добавить изучение альтернативных земель (внесолнечных планетных недр и их поверхностей). Это исследование будет по существу рассматривать тепловую эволюцию суперземель, основанную главным образом на спектрах. Эти выводы будут иметь последствия для того, имеют ли эти внесолнечные планеты тектонику плит и атмосферу (богатую C02 или нет).
