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占地球半徑一半以上的地幔，是地球本身最大的圈層。三維空間里的地幔環(huán)流，雖然速度緩慢，卻是在長時間尺度上地球系統(tǒng)變化的決定因素。板塊“飄移”，無非是地幔環(huán)流的表層現(xiàn)象；板塊俯沖，也只是環(huán)流中的一段。由于地幔環(huán)流的緩慢性質(zhì)，對表層系統(tǒng)的影響動輒會有數(shù)百、數(shù)千萬年的遲到效應(yīng)，比如俯沖下去的板塊并不迅速消失，還會在長時期里影響地面的構(gòu)造運動。岡瓦納大陸早已瓦解消散，而當(dāng)年岡瓦納——太平洋邊緣俯沖下去的板塊，白堊紀(jì)時處于澳大利亞的下方，造成當(dāng)時澳洲大陸的升降與全球趨勢相反；而早年處于岡瓦納大陸中心的南非一帶，至今還處在隆升狀態(tài)。已經(jīng)從地球表面消失的板塊“陰魂不散”，通過重力場仍然影響著現(xiàn)代升降運動，這是應(yīng)用高分辨率地震層析成像技術(shù)后的發(fā)現(xiàn)，也是大陸動力學(xué)研究的重點之一。
即便是離我們最遠(yuǎn)的地核，也通過地磁場影響著地球表層。現(xiàn)在的地核分固態(tài)的內(nèi)核與液態(tài)的外核兩部分，外核內(nèi)的對流正是產(chǎn)生地磁場的原因，即所謂“地核發(fā)電機（Geodynamo）”。迄今為止，人類只能通過地球物理的手段結(jié)合試驗?zāi)M來認(rèn)識地核，知道無論外核內(nèi)部，或是核幔界面和內(nèi)外核界面，都存在著物質(zhì)對流，內(nèi)核還以每年一毫米的速度在增大；地核引起的地磁場強度，也不斷地發(fā)生變化。由于地磁場是太陽風(fēng)和低頻宇宙射線的屏障，因而地核的變化對于空間氣候有著重要影響。對地球表層環(huán)境至關(guān)重要的，是萬年至百萬年尺度上的磁極倒轉(zhuǎn)和漂移。近來已經(jīng)證明地磁場在轉(zhuǎn)換期間減弱,如果失去地磁場對宇宙射線的屏蔽，就有可能造成生物的絕滅。但是迄今為止無論是磁極轉(zhuǎn)換的原因，還是轉(zhuǎn)換的環(huán)境后果，依然屬于學(xué)術(shù)上的“懸案”。地球深部的研究，比表層更為困難。
總之，地球系統(tǒng)科學(xué)決不能局限于表層系統(tǒng)，在長時間尺度上尤其如此。正是在表層與深部的結(jié)合上，醞釀著新的突破。除深部之外，地球低層大氣之外的日地空間也有類似的情況。原先不在視域之內(nèi)的磁層、電離層和中高層大氣，隨著人類社會空間與通信技術(shù)的發(fā)展都變得與我們休戚相關(guān)，已經(jīng)成為地球系統(tǒng)中不容忽略的部分。
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