引 言
全球变化（Global Change）是指整个地球系统及其支撑生命的环境，在生物过程影响下，尤其是在人类活动参与下，所发生的一系列变化。
研究全球变化，目的在于了解、控制为生命提供生存环境的整个地球系统中，物理、化学和生物过程之间相互作用和发生在该系统里的变化，以及人类对这些变化的影响方式。全球变化包括几千年乃至几百万年的长期变化和几十年乃至几世纪的近期变化；而研究的重点，特别着重于最近几十年乃至今后数百年间，地球上生命支撑系统已经发生的和可能发生的变化，认识产生这些变化的自然与人为的因素，科学地对未来可能威胁人类赖以生存的环境的各种危害作长时段的预测，并在此基础上研究制订有效的对策，把因全球变化带来的危害降到最低限度。
一、全球变化研究的内容、方法和技术
全球变化观点是地球环境演变和几十年来地球科学、生物科学与空间技术发展的必然产物。研究全球变化的想法则首先由国际大地测量与地球物理学联合会前任主席伽兰特（G. Garland）于1982年国际科学联盟理事会（ICSU）第19届全会举办的纪念国际地球物理年25周年大会上提出的。他的见解很快被采纳，自1983年起陆续召开了几次关于全球变化的学术讨论会。
全球变化研究涉及的范围很广。它探讨产生各种时间尺度（长达几千年、几万年，甚至几百万年以上；短到几天，甚至不到一天）的全球变化的根源，也就是说，研究在内部能源（主要来自地球内部深处的放射性和固有热量）和外部能源（主要来自太阳的各种辐射）两者联合驱动下，由岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及日地空间组成的整个地球系统里所发生的各种物理过程、化学过程租生物过程之间的相互影响，与这些过程关联的上述五大组成部分之间的交互作用，进而辨别造成各种全球变化的人为原因和自然原因。在经历时间尺度长短不一的各种全球变化里，中介尺度即几十年到数百年的一类全球变化最为瞩目，在全球变化的自然因素和人为因素中，后者的研究更为迫切。这是因为当前所面临的一些重要的全球变化问题，诸如全球性的气候异常，大气中二氧化碳含量的增长所产生的“温室效应”，臭氧层的破坏、酸雨、水质污染，土地沙漠化等等都严重威胁着人类的生存。而且此类全球变化多与人类的各种活动，包括人口性、社会、经济、科技的活动等密切相关。因此，在全球变化研究的近期工作计划里，它们被列为重点课题。
从全球变化的实情来看，必须采用“地球系统科学”的新方法进行研究。这个新方法的基本点，是把地球看作为时空尺度极宽的范围内，相互作用着的多个圈层组成的有机联合体，即由多个子系统构成的大系统，而不是各个圈层的简单集合。这意味着各种学科领域的科学家们，必须打破传统的学科界限，联合起来工作。
空间技术是研究全球变化所必需的主要实测手段，它包括利用飞机、高空气球、人造地球卫星、航天飞机、空间站等携带各种现代仪器设备，诸如特种照相机、摄谱仪、扫描仪、辐射计等，从高空在可见光、红外和微波各个波段对地球表面绝大部分甚至全部进行观测，以获得大量测量数据和检测发生在全球范围内的各种现象。
全球变化研究既是一项基础研究，又有十分明确的应用目标。其研究成果一方面将深化对整个地球系统的演变的认识，另一方面将可直接为世界各国社会和经济发展的决策服务，从而对国计民生产生深远的影响。
二、地球内部的变化
地球内部的变化属于自然变化和长期变化，然而它对中、短期全球变化有影响。所以也需要研究。
一直追溯到38亿年前的长期全球变化，铭刻在地球的各种岩石上。海洋里的地质记录是相当完备的，但只能追溯到2亿年前，即现存最老洋底形成的时候，陆地上的地质记录虽不够详尽，但可追溯到38亿年前。尤其是过去200万年的第四纪记录，说明了洋底和大陆的岩石相互补充地保存了地球系统的信息。例如，洋底的沉积核可用于验证在最近冰后期地球轨道参数的变化如何影响气候的变迁，而在大陆上的岩石分布可用于确定以前大冰期和小冰期时冰川、沙漠和植被覆盖的原有范围。因此，研究包括沉积核在内的岩石和其他有关的地质记录，是了解地球的演变历史和长期运行的地球系统过程的钥匙。化石则是研究生物进化的钥匙，揭示了生物的进化过程绝非一条简单的线条那样连续、平滑，而是被几次引起许多物种突然灭绝的突变事件所间断。关于这些突变事件的起因，至今尚有争议，有人认为是天体如小行星、彗星等的冲击，ft有人认为是火山爆发所引起的。总之，都认为经不住这些异常事件影响的物种消失了，而且在这些事件过后，新的物种突然出现在一个相对它们来说能适应的环境里。这两种情况，可能显著地改变了生物进化的过程，这是达尔文进化论所未能解释的。因此，研究化石记录所揭示的这些突变事件的因果，有助于了解地球上生命的进化过程和相应的生命赖以生存的环境。
内外驱动力始终贯串地球系统的长期过程，在内能驱动下发生的过程有：在地球内部深处进行的地核－地幔过程和靠近地表进行的板块构造过程，在外能驱动下发生的过程，有土壤的形成和演变等。地貌便是在内外驱动系统作用下形成的，例如洋脊、盆地、山脉和高原，研究地貌的变化，可以揭示内外两大驱动系统的相互作用。
地核 - 地幔紧密耦合。地核通过两种直接方式影响地幔：地核向地慢底部提供热量和对地幔有一个力矩作用，前者驱动了地幔深处的热对流，后者则引起了地球自转速率或日长和地球自转轴在空间指向的变化。在地幔里发生的热传输、物质的对流、化学变异和再混合等的特性及其相互关系，是认识地球系统怎样“工作”和它在漫长的年代里怎样演化的关键。地幔的密度变化引起了地球重力场和应力场的扰动，从而产生形变和物质流动，地震观测证实某些“密度驱动流”，在几千万到上亿年的时间尺度范围内传输着地幔里的热量和迁移着地幔里的物质。
关于地壳的结构及地壳运动的解释，历史上曾提出过各种不同的假说。现今为大家普遍接受的，是板块构造学说。它是在1912年德国A. 魏格纳（A. Wegener）提出的“大陆漂移说”和1961年美国赫斯（H. Hess）等提出的“海底扩张说”的基础上发展起来的一种新的大地构造理论。大量地震资料和古地磁等研究为板块构造提供了有力的证据，近年来，更利用甚长基线干涉测量（简称VLBI）和人造卫星激光测距（简称SLR）新技术实测出了现代板块运动，所得结果表明，板块间相对运动平均速率大约为每年几厘米，其测量误差1厘米左右。
地球绕自转轴不停地自西向东自转是十分复杂的物理运动过程，在空间尺度上，受宇宙天体（如日、月）、地球表面（如风、冰川）、地球内部（如地核、地幔）多种因素的影响；在时间尺度上，呈现出从几天到地质年代跨度的各种变化。利用VLBI和SLR等新技术可高精度测定地球自转速率的变化、地球自转速率变化还与厄尔尼诺现象（南美东太平洋沿岸海域表面水温异常升高）有关。厄尔尼诺现象都是发生在地球自转年际变化由加速变为咸逨之后的时期，当赤道海温增高，地球自转速率减慢；当海温降低，地球自转速率加快。
利用VLBI和SLR等新技术也可精确测定地极移动 · 近年来，用这些新技术还证实了地极长期漂移，其速度为每年0.0037″，方向为西经45°。产生长期极移的机制有待深入探讨，它可能是地球内部或表面物质分布的变化和不平衡，引起了整个地球相对自转轴有一种长期的扭动。
三、大气的变化
大气变化包括自然因素和人为因素两个方面。前者如厄尔尼诺现象的出现，对全球气候的短期变化会产生重大影响。例如，1982~1983年间出现了一次较大的厄尔尼诺现象，引起了全世界一系列灾害性气候，给澳大利亚和非洲带来了旱灾，给美国西部带来了灾，给法属波利尼西亚群岛则带来了旋风，有1300多人丧生，造成80亿美元的经济损失。在我国也随之出现了南涝北旱的灾情。另据我国气象学家分析，当年上海地区发生的一些气候异常变化也与这次厄尔尼诺有较密切联系。后者由于世界人口的激增，人类活动的频繁，现代工业的发展，矿物燃料的广泛应用等，对大气甚至整个地球系统产生了严重影响。
人类活动对大气的影响。主要有三：
第一，温室效应。由于人类大量使用煤、石油和天然气等矿物燃料（占所需能源的97%以上），大气中不断地以前所未有的速度增加了二氧化碳等气体的含量。目前，全世界每年排放的二氧化碳总量达53亿吨或每天达1400万吨，主要来自于美、日、德、英等几个发达国家。大气中二氧化碳浓度已达到338 ppm（百万分率）。它对太阳的短波辐射是透明的，而地面增暖后放出的长波热辐射却被其阻止，不能散发到太空，于是地面温度不断升高，即温室效应。有人估算，如任其发展，到下世纪30年代，大气中的二氧化碳含量将比世界工业化之前增长一倍，于是全球平均气温将比现在升高1.5~4.5°C，这可能给人类社会带来一系列后果，也有人把温室效应引起的后果称为一场灾难。因此，当前世界各国采取各种措施限制二氧化碳的排放量。如1988年30多个国家在多伦多会议上提出，到2005年，二氧化碳排放量力争比1988年减少20%。
但是也有人指出，气温变化的历史记录和温室效应理论并不相符。例如，在1940~1965年期间，尽管人类消耗燃料和砍伐树林的数量史无前例，可是气温却低于1880~19姑年。他们认为大气中二氧化碳浓度增加与全球气温升高两者之间并不存在必然的因果关系。
第二，臭氧层的损毁。大气中的臭氧绝大多数集中在平流层中的高度为10~50公里的范围内。臭氧层虽厚达数十公里，但很稀薄。然而它阻挡或吸收太阳的强烈紫外线，是地球的天然屏障。经计算，如果臭氧浓度下降1第，紫外线辐照则增加1.5~2.0%，可是、70年代据英、美科学家研究，臭氧层正在遭受排入大气里的氟氯烃类物质（简称CFCs，商品名为氟利昂）的破坏，自30年代以来已在工业上被广泛使用的氟利昂，大量地排入大气中（现今氟利昂的全球年产量达百万吨），它们在对流层停留数年后将进入平流层，于是在强烈的紫外线辐照下分解，释放出氯原子，氯原子参加循环反应，催化臭氧分解。由于氟利昂在大气中的寿命可长达100年左右，所以1个氯原子能分解10万个臭氧分子。
美国环境保护局估计，如果让氟利昂以目前的速度排放下去，到2075年，臭氧浓度将会下降40%。19舫年，英国科学家在南极洲上空首次发现了臭氧空洞。以后，在北冰洋上空也发现类似的情况。目前臭氧空洞尚只出现在南北两极上空，时间都在冬、春季节。近几年来科学家们通过地面模拟试验、计算机模型分析及地面和高空探测，已基本上能解释臭氧空洞的成因及其区域性和季节性。
臭氧层损毁对人类和动植物的危害是多方面的。强紫外线辐射如无阻挡地透入活组织，它的高能量能破坏蛋白质或核酸的化学键，所以对生物组织具有极大的破坏能力？且可引起突变，是皮肤癌的主要诱因。强紫外线还会危及眼球，影响视力；抑制免疫系统的功能，破坏人体的抵抗力，加速老化：它还将影响植物的光合作用，使农作物减产；破坏海洋食物链。此外，氟利昂还加强温室效应。
虽然目前对臭氧减少的危害程度，及其确切的有害后果尚有一些争议，但采取“等着瞧”的态度并非明智，在这种情况下，世界各国都采取了一系列控制氟利昂使用的措施，并多次制定了国际联合行动。尤其是1989年通过的“深护臭氧层赫尔辛基宣言”，明确提出要尽可能快，但不能迟于2000年禁止使用受控的氟利昂。于是促进了当前国内外对氟利昂代用品和替代技术的研究。
第三、酸雨，即大气中不同来源的酸性物质转移到地表面的过程，据估计，近期世界上每年有2~2.5亿吨含二氧化硫和氮氧化合物的气体排放到大气之中，从而导致酸雨沉降，而且雨水中的酸性浓度越来越大，酸雨的危害有：溶解石灰石和大理石，甚至金属结构的建筑物；降低水域的PH值，影响生物生存；毁坏土壤肥力，有害于作物和树木生长；形成酸性更大的酸雾，对植物危害更大；直接影响人体健康。
国际上对酸雨造成的上述危害性的认识是一致的，但在危害程度的估计、危害的机理等方面仍有不同意见。
酸雨的另一可恶性，是借助于风行云移，能长途跋涉，远距离迁移，似乎没有不可逾越的界线和鸿沟，难怪1977年秋联合国会议上承认酸雨是一个全球性污染问题。酸性大气污染物还成了一些发达国家“输”向邻国的新的“出口品”，成为一个新的国际问题。
现今对酸雨形成和输送过程的认识有了相当大的进展。国外流行的观点认为，酸雨主要形成在云中，雨滴在云内生长过程中已经酸化，但在我国贵阳和重庆等重酸雨地区，其雨水的严重酸化主要发生在从云底降落到地面的云下过程中。
总之，温室效应、臭氧层损毁、酸雨污染一起已成为破坏全球性生态环境的三大元凶。
四、水体的变化
地球上的水，主要是通过蒸发或蒸腾，冷凝和降水作用连续不断地循环的。
但由于世界人口的不断激增，工业、农业和交通运输业等的迅猛发展，水体在其循环过程中遭受到的污染越来越严重。各种各样的污染物从多方面来。例如，下水道排泄的营养物和化学肥料的流失；农田流失的杀虫药剂和除草剂；街道和公路上流下来的油、油脂和各种化学制品；空气污染降下来的化学物质；从垃圾填坑处和垃圾堆中渗漏出来的化学制品；工业生产过程中的化学制品；运输过程中的污染物；废余热。
我国水污染的情况也很严重。据对全国53000公里河段调查，水污染已不能作灌溉用水的占23.3%；符合用作饮用水和渔业用水的只占14.1%；对47个城市地下水水源的调查，其中有43个城市地下水遭到污染。
所以，净化水质是当务之急。目前世界上不少国家正在采取以下措施保护水资源：
第一是强化水资源管理，如在我国已于1988年7月颁布了《中华人民共和国水法》，水管理工作从此有法可依。但尚须进一步完善水法。
第二是建立污水处理工厂。城市污水经过处理，重新作为工业用水和生活用水的水源，以及用于农林牧渔等方面。
第三是利用生物监测和净化水质。
五、土地的变化
在土地的变化中，以土壤的风化与侵蚀最具代表性。本来这两种作用都是十分缓慢的自然变化，可是，由于人类的种种活动，例如，在农田里大量施用化肥农药，在草原上过度的放牧 · ，加剧了它们的变化。当前，土壤侵蚀和土地沙漠化已对世界农牧业构成威胁，也成了重要的环境问题。
据报道：美洲大陆自从垦殖以来，土壤表层沃土已损失了大约1/3；美国有一半的国土受到侵蚀危害，每年损失土壤达30亿吨，由于肥分流失而退化的土地达1.2万平方公里；苏联也有2/3的耕地受到雨水的侵蚀；我国土壤流失也相当严重，每年约50亿吨，其中黄河流域就占16亿吨之多。总合起来，全世界每年约有240亿吨土壤流失。土壤严重侵蚀导致水土大量流失的后患是肥美的良地变成土壤贫瘠、水分缺乏、旱涝灾害频繁的不毛之地，其严重性，有人曾形象地比喻为“动脉出血”。
土地沙漠化是另一个令人担忧的问题，现今，它仍在发展中，不仅发生在干旱及半干旱地带，也蔓延到部分半湿润地带。尤其是在非洲，沙漠化发展迅速。据美国国际开发署估计，沿着撒哈拉沙漠南缘，有大约65万平方公里的范围以前一度是富饶的放牧地，在过去50年内已经变成了荒漠。又据1977年联合国专门召开的世界沙漠化会议的统计，全世界已受沙漠化威胁和将受沙漠化影响的土地达3800万平方公里。全球因沙漠化失去的土地，每年都高达600万公顷。我国每年也有1500多平方公里的土地沙漠化。目前世界上150多个国家和地区，至少2/3受到沙漠化的影响。如果沙漠化继续这样发展下去，预计到本世纪末，光因沙镌化损失的耕地就将占现有耕地的1/3。
沙漠化防治必须本着生态效益与经济效益相统一的原则，把开发利用与治理保护寓于一体。其主要对策可有：大规模植被，减少放牧到牧场能够维持牧草正常生长，增加土壤的含水量以及减轻人口增长对沙漠化土地的压力，改革沙漠化地区农村能源结构。沙漠化土地的整治是一个复杂的系统工程，需要在整体上综合考虑。除此之外，为了保护土地，需要提高土壤防侵蚀技术，合理使用无机化肥，尽可能利用生物防治代替农药等。
六、生物世界的变化
生物，包括植物、动物和微生物，从生物进化的角度和广义上来说，人类作是生物世界中的一员，所以生物是我们这个星球上最突出的标志。科学家们在探索全球变化中，特别注意有生命的生物世界的变化，因为这个变化直接涉及到主宰世界的人类本身。
森林与人类的生活密切有关。森林能净化空气，把人类和动物呼出的二氧化碳废气转化成为人类需要的氧气，今天人们的衣着、住房、交通、医药等等都直接或间接与森林有关，然而，目前森林的受毁现象仍在世界范围内出现，而且还在加剧。
特别是热带雨林保护问题。热带雨林是人类的宝贵财富。国际上许多科学家纷纷提出：在热带妬林里，拥有数百万种未被人们认识的植物和动物新种；药剂师的配方中，有许多药物来自热带雨林里的野生植物和野生动物；而热带植物又是治癌药物的主要天然仓库；热带雨林里的基因储存也十分丰富，将为基因工程的发展起重要作用。令人遗憾的是，热带雨林在遭到严重毁灭。据不完全统计，现世界上每年竟要砍伐掉25万平方公里（差不多相当于英国国土面积）原始热带雨林！一个世纪以前，地球上热带雨林的总面积相当于整个欧洲的两倍，而现在已减少了一半，如果说，昔日的冰川是热带雨林的主要威胁者，那么，今天的人类就成了热带雨林的更大破坏者。如果这种情景再继续下去，在今后的20~30年内，所有热带雨林将被人类毁尽。
野生动物是人类的另一项极为宝贵的自然资源。其更重要作用在于：野生动物在生态系统中作为一个主要组成部分——消费者，参与物质和能量转换、分配和循环过程，充实和改变环境，使整个生态系统得到更新和发展，因而维持地球上生态的平衡。
令人痛心的是，世界野生动物资源正在加速锐减。据估计，从1600—1900年的300年中，地球上大约有75种鸟兽灭绝，即平均每4年有一种灭绝；进入本世纪以后，增加到每年有一种灭绝；而现在，平均每天可能有一种鸟或兽从地球上消失。一些科学家分析后预告，现在如果再不采取行之有效的保护措施，在今后甜年内，现今世界上存在的动物种类的20%就将灭绝，向人类告别。
为此，世界上许多国家正在制订和执行各种保护：森林和野生动物资源的法规条例。