科学通报 | 地球物理学、空间物理学和大地测量学如何支撑人类文明？

从司南辨向到北斗组网，从地震监测到深空探测，人类认识地球、利用地球并走向深空的跨越，都离不开地球物理学、空间物理学和大地测量学的支撑。三门学科以数学、物理学、地质学等为基础，研究地球内部、近地空间与行星宇宙，是理解地球系统运行、保障现代社会安全、拓展人类活动边界的重要学科。

1.地磁场为什么能为生命筑起屏障？

2.地震为何仍然难以准确预测？

3.太阳风暴为什么会影响卫星、通信和电网？

4.深地资源开发与深空探测又将怎样塑造人类未来？

近日，符慧山等人在《科学通报》发表“地球物理学、空间物理学和大地测量学与人类文明”一文，从重塑人类认知、驱动工业发展、保障并拓展生存空间三个维度，系统梳理三门学科对人类文明进程的贡献，并面向深地、深海、深空和地球系统科学展望未来发展使命（图1）。

图1 地球物理学、空间物理学和大地测量学对人类文明的贡献

一、科学背景：解读地球与空间环境的三门基础学科

地球物理学、空间物理学和大地测量学是地球科学的重要分支。它们以物理学理论为基础，结合多尺度观测、精密测量与数值模拟，揭示地球、行星及星际空间的结构、过程与演化规律。

1. 地球物理学：聚焦地球内部及表层物理场，通过地震波、电磁场、重力场等手段探测地下结构，是油气矿产勘探、地震与火山监测预警、气候变化研究的重要基础。

2. 空间物理学：关注太阳风、磁暴、电离层、极光等太阳-地球空间环境过程，为空间天气监测预警以及航天、通信、导航系统的安全运行提供科学支撑。

3. 大地测量学：致力于精确测定地球和行星的形状、重力场及其动态变化，持续监测地壳形变、海平面变化和全球时空基准，是北斗、GPS等全球导航系统的基础学科之一。

二、核心观点：三重维度重塑人类文明进程

（一）颠覆固有认知，改变人类世界观

三门学科不断打破人类对天地的直观想象，推动人类从“以地球为中心”的传统视角，走向从地球系统乃至宇宙尺度认识地球的现代科学图景。

1.揭示地磁场：理解生命赖以存在的无形屏障

古人借助指南针辨向远航，现代科学则进一步揭示了地磁场的起源与作用：地球外核对流产生磁场，能够抵御太阳风高能粒子的直接冲击，维持地表宜居环境。同时，太阳爆发引发的磁暴、极光以及对通信、卫星和电网的扰动，提示人类地球并非孤立系统，而是始终处于太阳活动影响之中。

2.认识地球圈层：改变“地球内部静止不变”的传统观念

基于地震波传播信息，科学家相继发现莫霍面、液态外核和固态内核，建立了地壳-地幔-外核-内核的圈层结构模型。大陆漂移、海底扩张和板块构造理论的形成，则证明大陆持续漂移、碰撞与裂解，山脉、裂谷和地震都是地球内部动力过程的外在表现。

3.精密丈量地球：推动地球科学走向定量化

GPS、InSAR和卫星重力测量等技术，使科学家能够从全球尺度连续观测地球动态变化，实时捕捉冰川消融、海平面上升和地壳微小位移等变化。由此，地球科学从经验判识走向精密量测，为气候变化研究和地震孕育过程研究等提供了大量实测数据。

4.从深空回望地球：认识行星演化与地球宜居性

1957年首颗人造卫星发射，人类首次获得稳定的太空视角；阿波罗登月任务拍摄的“蓝色弹珠”影像，则让人类直观感受到地球的脆弱与独特。通过比较火星、金星等行星的演化历史，科学家进一步认识到地球宜居环境的稀缺性，也建立起宇宙尺度下理解地球的新世界观。

（二）赋能现代产业：支撑工业文明持续升级

从能源开发到重大工程，从精准导航到全球通信，三门学科已经深度嵌入现代工业体系，成为社会运行和产业升级的底层支撑。

1.探测深地资源，支撑能源与材料供给

应用地球物理探测技术显著提升了油气和矿产资源勘探效率，支撑石油工业和制造业原材料供给。同时，也服务于地热、地下水等资源开发，以及核电站选址和核废料安全处置。面向新能源产业，锂、钴、稀土等战略金属的探测与开发同样离不开地球物理方法创新。

2.建立时空基准，推动定位导航革命

从古代司南到现代电子罗盘，再到北斗、GPS、格洛纳斯等全球卫星导航系统，大地测量学不断提升人类定位、定时和导航能力。统一时空基准广泛服务于自动驾驶、物流运输、应急救援和国防建设，已经成为现代社会高效运转的基础设施。

3.服务重大工程，提升基础设施安全韧性

高铁、地铁、三峡工程、港珠澳大桥等重大基础设施建设，地球物理探测和大地形变监测查明地下岩层、断层分布及地壳运动风险，从而规避地层塌陷、活动断裂等工程隐患，提高工程安全性和使用寿命。

4.拓展全球通信，连接现代“地球村”

空间物理学揭示了电离层对无线电波传播的影响，为短波通信和无线电广播奠定科学基础，推动跨洋远距离信息传输，也促进了全球经济、文化与社会联系的加深。

（三）守护生存安全：从防灾减灾走向深空探测

面对地震、火山、滑坡、空间天气等自然风险，以及深空探测和地外生存的长期需求，三门学科共同构成了人类安全保障体系的重要科学支柱。

1.天地一体化监测，完善自然灾害预警体系

地震预警系统利用电磁波传播速度快于地震波的原理，可在破坏性震动到达前争取数秒至数十秒预警时间；GNSS、InSAR等技术则能够连续监测火山形变和滑坡位移，为火山喷发、山体滑坡等灾害预警提供关键观测依据。

2.监测地下核爆，服务全球安全治理

地震学能够区分天然地震与地下核试验产生的波形特征，全球地震监测台网可快速定位异常震源并估算爆炸当量，为核试验监测、国际条约履行和国家安全提供重要技术支撑。

3.预警空间天气，保障航天活动和地外探索

太阳风暴可能损伤卫星、干扰通信导航并威胁航天员安全。SOHO、DSCOVR等空间探测器能够提前数小时监测太阳活动和太阳风参数，为航天任务、中国空间站以及地面关键基础设施提供空间天气预警。嫦娥探月、天问探火等深空探测任务则进一步揭示行星磁场、内部结构和辐射环境，为未来地外生存探索积累科学基础。

三、面向未来，助力人类可持续发展

当前，能源紧缺、气候变暖、地质灾害频发和深空竞争加剧等问题交织出现。论文指出，地球物理学、空间物理学和大地测量学将在以下六个方向持续发挥关键作用。

1. 深化基础与交叉研究：融合人工智能、量子计算和地质学等新方法，构建地球系统动力学模型，推进“透明地球”“数字地球”和“深时地球”研究，揭示圈层耦合和行星宜居性的关键机制。

2. 攻关绿色能源勘探：面向页岩油气、天然气水合物、深层地热等资源开展探测与开发，同时关注月球氦-3等地外资源评估，服务“双碳”目标和国家能源安全。

3. 支撑城市与生态治理：服务城市地下空间开发，监测地表沉降和基坑位移，长期追踪海平面上升、水土流失等过程，为生态保护和城市安全提供决策依据。

4. 完善防灾减灾体系：建设高密度、天地一体化监测台网，提升地震、滑坡、磁暴等灾害的智能监测与预报能力，守护人民生命财产安全。

5. 加速深空探测布局：依托嫦娥、天问等任务，推进月球科研站、火星宜居性研究，并进一步探索木星、土星系统，揭示太阳系形成与演化过程。

6. 突破前沿关键技术：发展地下高精度成像、全链条空间天气预报和高精度测绘等技术，打通从观测、模拟到预测的全流程瓶颈。

结语

回望人类文明史，地球物理学、空间物理学和大地测量学推动了人类文明的多次跃迁：看清地球内部结构，理解近地空间环境，并从宇宙尺度重新审视地球家园。它们改变了人类世界观，支撑了工业文明发展，也不断拓展着人类安全生存和活动的边界。面向未来，应对气候变化、化解能源危机、减轻自然灾害风险、探索星际生存，都离不开这些学科的持续发展。随着跨学科融合和关键技术突破不断推进，三门学科将继续为人类文明可持续发展注入基础而深远的科学动力。

文章信息

符慧山, 赵亮, 李志伟, 王一博, 李忠海, 黄周传, 程惠红. 地球物理学、空间物理学和大地测量学与人类文明. 科学通报, 2026, 71(19): 4448-4456

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