2024年“科学探索奖”获奖人介绍｜天文和地学领域

代表性成果

在宇宙早期，星系通过暗物质晕内纤维网状的气体“内流”驱动恒星形成。气体流又通过“宇宙网”，与星系际介质相连。星系不断对星际介质进行重元素増丰。但观测上，我们并没有足够的证据来证实此图像。蔡峥所带领的团队，率先建立了甚大星云（Enormous Lyman Alpha Nebula, ELAN）样本，并利用其中最亮的ELAN，对星系周气体动力学进行了详细研究。这些工作，证明了已富含重元素的星系周“循环冷气体内流”（recycling inflow）是驱动早期宇宙大质量星系形成的关键机制，为人们理解宇宙大质量星系的形成和增长提供了清晰的观测图像。

未来研究方向

将利用积累的甚大星云(ELAN)样本，详细理解星系际介质（IGM）和星系周气体（CGM）的性质（如空间分布、重元素分布、气体动力学）及其与星系之关联，并探秘宇宙早期气体内流和重元素增丰过程。此外，我国目前还非常缺乏先进的天文观测设备，蔡峥将全力推进我国主导的大型巡天望远镜(MUST)的建设，在已有基础上，努力早日为我国建成自主的国际第五阶段光谱巡天望远镜。

代表性成果

上地幔软流圈低黏度层和下地幔顶部高黏度层分别支配着板块的水平漂移和深部俯冲，在板块运动中扮演着重要角色，深刻影响着地球内部物质循环和能量交换，以及地表宜居环境的形成等，然而它们的成因却一直成谜。针对软流圈的成因，虽然一系列研究显示水极大地降低了上地幔主要矿物橄榄石的黏度，因此认为水导致了软流圈的形成，但这一结论基于了水饱和条件下的实验研究工作，而上地幔处于非饱和状态。费宏展通过高温高压实验在非饱和条件下测定了水对橄榄石黏度的影响规律，结果表明水的影响极小，即水对软流圈的形成作用有限。针对下地幔高黏度层，费宏展测定了下地幔标志性矿物布里奇曼石的颗粒生长速率，结果显示在下地幔顶部布里奇曼石的颗粒尺寸随深度显著增加，这一变化导致800 -1200公里深度范围内黏度跳变了1-2个数量级，从而揭示了高黏度层的成因。费宏展的研究从地幔矿物流变学性质角度分别约束了上地幔低黏度层和下地幔高黏度层成因，将有助于认识地球内部运行模式尤其是板块的水平漂移和俯冲机制。

未来研究方向

将通过高温高压实验技术深入研究地球内部410和660公里部分熔融层的黏度，明确其动力学效应。地幔过渡带是地球内部界于上地幔和下地幔之间的一个圈层，它的主要矿物瓦兹利石和林伍德石水含量远高于上地幔和下地幔主要矿物的水溶解度，因此在地幔过渡带与上、下地幔的分界面410和660公里深度附近的矿物相变伴随着脱水熔融，形成部分熔融层。该部分熔融层深刻影响了板块俯冲与滞留、地幔对流模式、地球内部水循环、板块内部火山作用等一系列动力学过程。关于410和660公里部分熔融层的黏度和动力学效应的研究可以为上述动力学过程提供重要实验依据，进而更好地回答“地球内部如何运行”这一地学前沿问题。

代表性成果

星系是构成宇宙的基本单元，研究不同类型星系在宇宙学时标上的形成和演化历史及其背后的物理机制，是现代天文学的核心内容之一。彭影杰通过多波段巡天观测，原创提出了利用连续性方法研究星系形成和演化的理论框架，揭示了导致星系恒星形成熄灭的“质量熄灭”机制及其解析形式，并阐明了星系质量方程的成因及背后的物理机制。在此基础上，他参与提出并进一步改进了星系气体调节模型。利用该模型，他提出了通过观测星系恒星中重元素含量来示踪星系熄灭过程的新方法，并由此确认了低红移星系死亡的主要机制是相对缓慢的“窒息”过程。该方法被广泛应用于当前和未来的星系巡天观测计划中，成为研究星系熄灭的标准方法之一。通过观测和计算盘星系及其吸积气体的角动量随时间的演化，他提出了星系盘增长和角动量熄灭理论，该理论随后得到了诸多观测和星系宇宙学模拟的验证与支持，成为解释星系熄灭机制的重要理论之一。这些成果推动了对星系形成和演化的理解，尤其在揭示星系如何逐步从活跃的恒星形成阶段过渡到熄灭状态方面具有重要意义，为未来的星系观测项目和星系宇宙学模拟提供了有效的工具和理论指导。

未来研究方向

计划通过大规模星系巡天观测，结合数值模拟与生成式AI技术，精确测量星系暗物质晕的性质及其恒星形成历史等关键物理参数，构建精确星系系统。在此基础上，通过气体调节模型，将原创的连续性框架融入宇宙学的基本理论中，推导出星系演化中关键物理过程的解析形式，构建出简明且自洽的全解析框架，用于描述和解释从暗物质晕到星系气体及恒星形成与演化的全过程。这些研究对揭示宇宙不同阶段星系形成与演化的物理过程，理解暗物质晕与恒星形成之间的关系，以及破解星系熄灭的关键物理机制具有重要意义。本研究的成果将有助于解决星系宇宙学中的核心问题，推动星系形成与演化模型和理论的发展，并为未来的大型观测仪器制定观测计划、指导仪器项目设计，提供更多有价值的预言。

代表性成果

限定了工业革命之前大气硫酸盐气溶胶粒子的物理化学性质。使用全球气候模型未来气候变化时，一部分不确定性来源于工业革命之前自然排放的气溶胶性质无法确定。其中大气硫酸盐气溶胶物理化学性质是影响预测最大的不确定性因素之一。彭永波在创新和优化碳酸盐岩晶格硫酸根分步提取流程和分析测试方法基础上，通过对自然风化碳酸盐岩进行分步提取，识别出工业革命之前大气硫酸盐气溶胶信号，并厘定了其同位素组成的端元值。他发现在工业革命之前中国北方和美国西南部内陆地区的大气硫酸盐气溶胶在云水中具有较高的pH值，且由于空气更干净和气溶胶粒径较粗导致这些内陆地区比现今降水更少。将来，可以通过收集更多不同大陆地区的硫酸盐同位素数据，明确影响大气硫酸盐气溶胶的形成途径，并将其纳入全球气候模型中，有助于减少全球气候预测的不确定性。

鉴定了最古老的冷泉碳酸盐岩的成因。目前，最老的冷泉碳酸盐岩是大约6.3亿年前我国三峡地区陡山沱组底部方解石，而它的成因一直悬而未决。这些方解石的成因对于我们了解“雪球地球”全球大冰期之后海洋中的硫酸根浓度，大气二氧化碳和氧气的浓度以及海洋的物理空间状态至关重要。彭永波在厘定现代冷泉碳酸盐岩特有的高维度同位素特征的同时，对照研究了陡山沱组底部这些具有极低无机碳同位素值的方解石，明确它们是当时微生物硫酸盐还原作用耦合的甲烷厌氧氧化过程的产物。它们形成时，地球刚从“雪球地球”全球大冰期中挣脱出来，海洋和大气的物理化学状态仍然处于剧烈的动荡期。根据¹⁷O负异常的重晶石、碳同位素负异常的方解石、盖帽白云岩的地球化学和岩石学特征，结合地壳均衡回弹计算和冰后海水动态分层模型，可以把海洋硫酸根浓度突然增加与¹⁷O负异常事件的发生时间限定在冰川开始融化后的5万年时间内。对认识地球各个圈层面对极端事件如何相互作用和响应有重要帮助。

未来研究方向

普遍认为地球上的生命起源于海洋，后来移居到陆地上。生物登陆改变了地表能量、气候、水循环、碳循环、土壤的形成与保持等多个方面，重塑了地球表层环境。然而，因为缺乏有效的追溯生物登陆的地化指标和化石记录，生物登陆并建立生态系统的起源过程和驱动机制尚不清楚。彭永波认为火成岩上发育的古土壤剖面上，从火成岩往上到风化的古土壤，如果有生物活动并作用过，磷酸根的氧同位素应该就会升高，从而可作为生物登陆和活动强度的直接指标。他计划研发全新一代变革性同位素测试技术来测试磷酸根氧同位素，追溯生物登陆的时间和演化历史，还可以作为生命标志物尝试寻找地外生命。同时，拓展稳定同位素测试的广度和维度，比如无机有机小分子的团簇同位素，位置特异同位素，单体分子同位素等，服务国家战略和深空探测的重大需求。

代表性成果

近地空间科学研究和服务保障，依赖精确、可靠、实时、连续监测。薛向辉以光量子操控和探测技术为基础，以突破经典测量的极限为目标，实现了近地空间环境要素高精度、高灵敏测量。基于系列红外单光子精密测量关键技术，在首次1000km高度中性大气亚稳态氦原子全季节测量，技术综合性、探测高度、探测能力均处于国际领先水平；利用弱光、小口径望远镜实现大气要素参数远距离昼夜连续探测，获取最高时空分辨风场观测。上述观测系统为研究近地空间动力学过程的传播、演化以及耦合过程提供了宝贵的实验数据，并在气象、环保、高价值目标保障等领域开展示范应用。

未来研究方向

将发展近地空间环境感知新技术，突破近地空间关键区域风场主动光学遥感探测瓶颈，探索风场驱动下近地空间物理全链条耦合机理。这对理解外部驱动和内部耦合作用下，近地空间环境不同时空尺度演化机理具有重要意义，助力建立和完善日地系统空间天气链锁变化过程的科学认知，可服务于近地空间环境预报服务，提升近地空间环境灾害性事件监测与预警能力。

代表性成果

地形海陆分布放大气候系统对太阳辐射的响应。地质历史时期的古气候变化往往和生命-人类演化联系在一起。与现代气候研究不同，古气候研究需要在地形-海陆分布和太阳辐射改变的条件下认识大气海洋的运动规律，更加关注气候中的慢反馈过程，例如海平面波动。数值模拟是古气候研究的重要手段之一。张仲石发展了新生代（过去6500万年以来）古气候模拟的工具和方法，开展了大量的模拟试验。结果揭示，即使太阳辐射的波动相同，不同的地形-海陆分布条件也可以加剧或减弱全球和区域气候的振荡幅度。这种作用不仅出现在非洲，亚洲、甚至出现在海洋温盐环流当中。阐明地形-海陆分布影响气候的放大作用有助于进一步完善天文旋回理论。海平面上升改变大气海洋环流。伴随全球变暖，全球平均海平面正加速上升。今天全球平均海平面与上个世纪初相比高出约20厘米。一般认为小幅度海平面变化产生的影响集中在沿海地区。

张仲石利用古气候模拟技巧，发展了在全球范围内一致升高海平面的模拟方法；并利用古气候末次间冰期试验进一步检验了方法的可靠性。结果揭示，一旦考虑海平面上升，末次间冰期试验模拟结果和记录重建之间的偏差显著减少；全球平均海平面上升，即使只有几十厘米，也可以显著改变大气海洋环流，并对全球大部分地区产生影响。海平面上升对气候系统产生的反馈，虽然发生缓慢，但其作用将愈加重要且不能忽视。进一步揭示全球平均海平面上升的气候效应将加强沿海和内陆地区对全球平均海平面上升的关注。将深入研究新生代海平面波动的气候效应，包括百万年时间尺度、万年时间尺度以及未来年代际到季节时间尺度。海平面波动很有可能影响了新生代气候的稳定性并调节了南北半球气候的不对称演化。新生代海平面波动气候效应的成果，将进一步揭示全球平均海平面变化作用于气候的反馈过程以及未来海平面上升影响气候的关键区域与作用机理。

未来研究方向

将深入研究新生代海平面波动的气候效应，包括百万年时间尺度、万年时间尺度以及未来年代际到季节时间尺度。海平面波动很有可能影响了新生代气候的稳定性并调节了南北半球气候的不对称演化。新生代海平面波动气候效应的成果，将进一步揭示全球平均海平面变化作用于气候的反馈过程以及未来海平面上升影响气候的关键区域与作用机理。