模拟地球,模拟地球运动是验证什么学说

领先全球!国之重器“寰”如何模拟万年后地球,地球奥秘尽在掌握?

大家有没有想过，如果有一个实验室可以模拟地球的一生，你会用它来做什么呢？是看看恐龙到底长什么样子？还是见识一下欧洲大航海时代的波澜壮阔？又或者是窥探一下千万年后的地球？

还别说，你的这些想法在不久的将来很有可能实现。今天就带大家走进一个全新的国之重器“寰”。

2021年，中国科学院大气物理研究所将为我国贡献一个“地球系统数值模拟装置”，这个装置的名称就叫“寰”。

其实在此之前，美国就做过相关实验了，所研究的项目也是地球模拟，不过过程好像并不顺利。

1991年9月，美国在亚利桑那的沙漠中建立了一个“生物圈2号”的生态实验室。8名科学家参与了此次实验，目的就是在这个完全密封的环境中研究出动植物以及空气土壤等对大自然空气调节的影响，更好的了解地球生态规律。

不过这次实验最终以失败告终，原因有很多，在此就不一一赘述了。不过这次试验让世界认识到，如果人类继续肆意破坏地球的生态环境，未来将寸步难行。

既然把科学家放进去实验不行，我们干脆就来一个数字化模拟的地球。于是乎，我国最近新发布了一则关于“地球系统模拟装置”的新闻，那么它到底是怎样的呢？

在了解“寰”之前，我们先来看看它是怎么来的。

2016年签署的《巴黎协定》中提出，将一个模拟的“地球”放到实验室后，里面所有的变化都由地球系统模拟装置计算，最终观察在不同二氧化碳排放量的情况下，“地球”的自然系统有什么反应，以达一个适合地球未来生态环境的气温标准。而这里所说的“地球”并不是我们生活的这个蓝星，而是一个用各种数学物理公式组成的“数字化地球”。

科学家们认为，地球上所有的有机物甚至无机物，包括空气、江河湖海、山川冰雪、繁衍生息的生命体等等世间万物都可以被简单的分为五个圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。

人们生活在地球上感受着每个圈层所带来的变化，同时也能够总结出一些自然变化的规律，并且可以用数学公式将它们表现出来。

“地球系统模拟装置”就是因此而来，将地球数字化以后，只要将某一时刻的数据输入进去，就可以观察到那个时候地球发生的事情。再通过超级计算机对其进行大规模的计算，人类就可以得到地球演化的规律，甚至可以重现过去、模拟现在、预测未来。

说了这么多，中国的“寰”又能做到哪些呢？

其实我刚开始听到这个名字的时候也很纳闷，这个“寰”是什么意思呢？

虽然官方并没有给出起名的原因，难道又是网友众筹？当然，寰这个字代表了广大的地域，意指五湖四海。这个名字也说明了它的作用，模拟“五湖四海”不就是模拟“地球”嘛。

与美国相比不同的是，我国的模拟系统不需要“真人”走进去实验，只需要科学家们在后台动动手指，输入数据就可以了。

不过事实当然不会像我说的那么简单，“寰”不是只需要建造一个地球模拟系统，还需要空间分辨率高达3公里的区域高精度环境模拟系统，庞大的数据库和资料可视化系统，还有很多基础设施配置，所以其背后的工作量是极大的，并不是动手就能解决的。

“寰”将坐落于北京怀柔，它利用了最新的技术水平，以模拟地球为核心进行多维度发展，未来建成后会成为我国地球系统科学研究的模板。

虽然我国在这个方面起步较晚，“寰”还是使用了我国自主研发的数值模拟软件系统，具有完整的模拟生态过程，分辨率达到世界领先水平。并且在多个方面充分考虑了地球各个圈层相互之间的作用。未来还将进一步模拟“天气、冰川、地块”等等的变化情况。

换句话说，“寰”除了可以为我们模拟地球以外，还能够准确预测天气、冰川融化、地震甚至火山爆发。

不过“寰”的内部数据再怎么厉害，可它毕竟是一个模拟系统，没有一个好的超级计算机与之匹配也是不行的。

我国科学家专门为“寰”研发了国产超级芯片和高性能计算机，它的能力强大到离谱，其一分钟的算力就相当于全球72亿人同时使用计算机不间断计算4年之久。特制的“硅立方”数据库则拥有80PB的存储空间，大约可以放下13个国家图书馆的所有数据。

通过前面的介绍我们可以知道，我们生活的地球是由每个圈层紧密联系组成的复杂的生态系统，每个圈层中都包含着它们各自的物理、化学和生物过程，因此地球模拟系统最重要的就是真实性。只有足够真实，才可以准确描述各个圈层中的所有过程，才可以达到我们所想象的“模拟过去、窥探未来”。

地球模拟装置作为一个国家综合国力的体现，各国科学家都在经历开发属于自己的研究模式。比如最近的第六次国际耦合模式比较计划，全球有33家机构参加，提供了大约112个气候模式版本。

也就是说，现在世界上对于气候模拟模式的争夺是十分激烈的，但它们也仅仅是模拟气候，只有美国、中国、日本等少数国家可以提供地球系统模拟。看到没有，中国两个大字赫然在内，也就是说，我国的地球模拟系统已经位居世界前茅。

而本次中国所研发的地球系统模式CAS-E *** 就是地球模拟实验室“寰”的核心软件，与其他软件相比，CAS-E *** 对全球植被、生产力等等数值的模拟要优秀很多。

大禹认为，虽然现在我们的“寰”还没有正式出世，但如此多的数据对比已经证明了我们的国之重器是十分强大的。

不过投入了如此多精力的“寰”，不可能只用来看看恐龙长什么样子吧？那么它在未来的生活中都有什么作用呢？我就给大家来分析一下地球模拟的实用性。

我国早早就确立了“碳中和”的发展方针，不止是大规模的节能减排、发展新能源，同时在不断地植树造林，进行碳捕集和封存。目的就是为了将二氧化碳的排放量和吸收量维持在平衡，从而实现“碳的零排放”。

而要完成这些步骤，我们不能仅凭一些数据来进行简单计算，这个时候地球系统模拟装置就派上用场了。

“寰”可以全面考虑地球目前的各个组成部分，尤其是生态系统中的演变对气候的影响。这一点就和我们开头所说的美国“生物圈2号”相似。都是模拟了一个环境来研究气候变化，不过“寰”的研究范围更广而已。

除此之外，大家有没有发现最近全球变暖导致的极端天气事件在不断增加。台风、暴雨、干旱和忽冷忽热的气温，甚至有些时候，我们隔壁城市在下暴雨而我们却是大晴天。这种突然并且变化强烈的天气就是全球变暖的问题。

我们不能控制这些极端天气，但是我们可以做到预测，就像天气预报一样。

不过大家都知道，天气预报几乎不可信，但是“寰”所配备的高性能计算将为它的数据计算提供了强硬的支持，有了超高的计算能力，就可以提升模式的空间分辨率。也就是说，“寰”可以准确预测极端天气和气候事件，并且利用其精细且完善的模式，更全面的捕捉天气信号，为我国对极端灾害天气的防御再增加一道围墙。

而且随着世界的发展，城市化问题所带来的污染愈加严重。“寰”建成后，将进行高精度的大气污染分类，模拟大气中的化学成分排放、金属模拟，从而达到追踪污染源头的作用。

也就是说，“寰”可以通过模拟来找到到底是哪家在排放污染物质，如果可以早一点建成，那福岛附近也不会出现核污水了吧。

总而言之，“寰”将会促进我国全面的科学发展，大到探寻地球秘密，小到治理环境污染，不过它的出现必将让我们在全球气候问题上拥有更多话语权。

今年，我国科学院已经宣布了“寰”即将建成，这不仅是我们的一项“大国重器”，还会给全人类带来更多生态环境方面的研究。

“寰”的特殊性让它可以模拟地球演变 历史 ，开头我们所说的恐龙时期、大航海时代甚至几万年后的地球都有可能在“寰”身上实现，让我们一起期待它的闪亮登场。

模拟地球运动是验证什么学说

通过模拟地球运动实验，可验证以下假说是否合理。1、地球不动，太阳围着地球转。2、太阳不动，地球围着太阳转。3、太阳不动，地球自转。4、地球围着太阳转，同时自转。实验后发现这四种假说都能使地球上的某一区域出现昼夜交替的现象。

模拟地球运动的实验是为了验证什么学说

化学起源学说。

米勒通过模拟地球实验验证了化学起源学说的之一步。

地球的运动分为公转和自转，地轴绕着地轴做旋转运动，叫做地球的自转。

大国重器“寰”：模拟地球 推演未来

地球模拟实验室

“寰”计算机硬件平台“硅立方”展示图

地球模拟实验室“寰”于2021年将在北京市怀柔科学城初步建成。

2021年，由中国科学院大气物理研究所牵头的国家重大 科技 基础设施地球系统数值模拟装置“寰”（EarthLab）即将建成。这是我国的又一项大国重器，通过超级计算机进行大规模的数值计算，能够重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。这一大国重器也将在碳中和、气候变化等研究中发挥重要作用——2020年12月24日，中国科学院大气物理研究所成立全国首家从事碳中和基础研究的科研机构，这一设施必将为我国实现碳达峰、碳中和提供科学路径和 科技 支撑。

什么是地球系统模拟实验室

地球系统模拟装置，又称地球模拟实验室。《巴黎协定》中提出的无论是1.5 还是2 温升目标，均是基于地球系统模拟装置计算出来的。简单来说，就是将模拟的“地球”放进实验室里，看看在不同二氧化碳排放量造成的全球变暖下，“地球”上自然系统的响应程度如何，最终确定一个合适的温升目标。注意，这里所说的“地球”并不是一个真实的地球，而是一个基于各种物理数学方程的数字化地球。

地球上气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不断演化的生命体……这些纷繁万物，可以简单地归为五大圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。千百年来人们感受着各个圈层中物候变化的同时，也在对自然界的经验进行总结。基于科学的进步，我们已经能够总结出一部分自然变化的物理规律，并用数学公式将其定量地表述出来。进一步将这些数理方程编写成计算机代码，就得到了对应于各个圈层的代码 *** ，也就是我们常说的模式。例如大气模式本质上就是大气运动方程、连续方程、热力学能量方程的代码 *** 。

由于自然界中万物息息相关这一特性的复杂性，人们无法一次性将所有圈层的数理方程囊括在一个代码 *** 里。为了简化问题的求解，人们首先构建起描述单个圈层的模式，再通过“耦合器”将各个独自运行的模式有机地联合在一起。耦合器就像一个庞大工厂的交换车间，其中进行着各圈层间的物质、能量交换，从而把大气、海洋、陆面等模式耦合起来，在更大程度上模拟出自然界的演变过程。

得到了这个数字化的“地球”后，输入某一时刻的观测数据，在超级计算机进行大规模的数值计算，我们就能够推演地球不同圈层的变化，由此重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。

“寰”的优势

我们已经知道，现实中的地球是一个各圈层紧密联系的复杂系统，各个圈层中包含了许多物理、化学和生物过程，因此一个地球系统模式包含的圈层数目以及描述各个圈层中自然过程的完整度直接影响着其模拟结果的真实性。国际上数值模式的发展正处于从气候系统模式向地球系统模式的过渡阶段，前者仅考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑了碳氮循环、生物地球化学过程等，对各分系统之间的耦合要求也相对更高。

作为综合国力的体现，各国科学家都在积极研发自己的数值模式。例如，正在进行中的第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）就有来自全球33家机构的约112个气候模式版本注册参加，其数量为历次之最。虽然目前国际上已有如此多的数值模式，但它们绝大多数仍是气候系统模式，仅有美国、欧洲、日本、中国等少数国家和地区提交了地球系统模式，其中就包括了由中科院大气物理研究所牵头研发的地球系统模式CAS-E *** 2.0。值得一提的是，CAS-E *** 正是地球模拟实验室“寰”的核心模式软件。CAS-E *** 2.0在CMIP6对比试验中表现优异，对全球植被指数、总初级生产力等指标的模拟位居世界前列。

“寰”坐落于北京怀柔科学城，是一个以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软硬件相适应，规模及综合技术水平位于世界前列的专用地球系统数值模拟装置。“寰”的建设内容不仅包括主要的地球系统模式数值模拟系统，还有区域高精度（空间分辨率1-3公里）环境模拟系统，超级模拟支撑与管理系统、支撑数据库和资料同化及可视化系统，面向地球科学的高性能计算系统，以及配套的土建设施。“寰”建成后可为我国的地球系统科学研究提供新的范式。

作为全球地球系统模拟装置的后起之秀，“寰”采用了具有我国自主知识产权的数值模拟软件系统，有完整、自洽和严谨的 *** 动力、物理、化学和生态过程，分辨率达到世界先进水平。并且在进行多圈层耦合时充分考虑了各个圈层之间的相互作用，在不远的未来，“寰”还将进一步耦合空间天气、大陆冰川和固体地球模块（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等），地球系统模拟将扩展到临近空间和固体地球领域。

除了软件的支持外，如果没有相适应的计算机硬件相匹配，那所有的试验都将是纸上谈兵。全球尺度的模拟实验，是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程，“寰”采用的国产芯片为超复杂的地球系统模式提供了超给力的算力支持。专为“寰”研制的“面向地球科学的高性能计算机系统”具有不低于15PFlops的计算峰值，其1分钟的算力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算4年。整个系统共有3000多个水冷计算节点，相互之间采用HDR InfiniBand高速 *** 连接，带宽高达100Gbps。此外，“硅立方”数据库拥有80PB的存储空间，可以装下约13个国家图书馆的馆藏数据，用来保存各个圈层的观测及模拟资料。

大国重器，剑指何方

在“碳中和”路线下，我们将大力发展新能源及各种节能减排技术，减少碳排放，同时通过植树造林、碳捕集与封存等“固碳”途径，促进对大气中温室气体的吸收，最终使得CO2的排放量等于吸收量，即实现碳的“净零排放”。

对温室气体核算、未来升温预估均需要包含完整圈层的地球系统模式的模拟研究作为支撑，而这正是“寰”的优势所在。“寰”能够更全面地考虑地球系统的各个组成部分，特别是与地球生态系统和生物地球化学过程的相关模拟及其与气候系统的相互作用，在此基础上建立起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的清晰关系，从而减少1.5 温升目标与碳排放量关系间的不确定性。

除此之外，在全球变暖的气候背景下，过去三十年间有关极端天气事件及其对人类生活影响的报道不断增加，这些事件包括强台风、高温、暴雨、干旱、和寒潮。这样的极端天气事件的空间尺度是几公里，时间尺度在几小时内。要想准确捕捉这些天气过程，就需要提高模式的空间分辨率，但也意味着必须承载随之增加的庞大计算量。配备高性能计算机硬件的“寰”建成后，给准确极端天气和气候事件提供了可能。利用更加精细和完善的地球系统模式，“寰”能够捕捉更全面的预测信号，以提高我国防灾预警水平、增强防灾减灾能力。

随着我国城市化进程的推进，多种污染问题随之产生。大气污染问题涉及地球系统复杂排放过程，包含全球和区域传输过程以及城市尺度动力过程，这给大气污染模拟研究提出了重大挑战。合理并完整模拟再现这些过程，是研究大气污染和进行大气污染治理的关键前提。“寰”具有区域高精度大气污染模式分系统，能够模拟大气中化学成分的排放、扩散、化学转化等过程。不仅如此，“寰”具备重金属模拟能力、耦合源识别与追踪技术，能够做好污染物的“溯源”分析，从而提高大气污染预测水平，让“美丽中国”生态文明之路行稳致远。

总之，“寰”的诞生将显著提升我国地球科学的整体创新能力，在我国解决防灾减灾、环境治理、可持续发展和生态安全等重大科学问题中发挥重要作用。

放眼全球，美、日、欧等发达国家已建有软硬件结合的面向地球系统的专门模拟装置。如美国国家大气科学中心（NCAR）凭借其长时间世界领先的数值模拟装置，发展了性能优异的地球系统模式，因此这些国家主导了 *** 间气候变化专门委员会（IPCC）气候变化预估试验的设计和评估报告的撰写。

变化正在发生，未来已经到来。国之重器“寰”的问世，将使我国在地球模拟科学特别是在全球气候变化学术领域不再处于被动地位，在应对全球气候变化问题时，我们将能够掌握更多的话语权！

（作者：陈可鑫、赵寅，均系中国科学院大气物理研究所博士，图片均由该所提供）

怎么同时模拟地球的自转和公转

通过圆盘乒乓球可以同时模拟地球的自转和公转。

用一个圆盘来模拟地球的公转轨道，用乒乓球来模拟地球，有黑色橡皮筋固定在乒乓球上来模拟太阳，即可同时模拟地球的自转和公转。

自转的旋转中心的地轴，周期是1恒星日，公转的旋转中心是太阳，轨道是椭圆，周期是1恒星年。

如何模拟地球悬浮在宇宙中?

模拟地球悬浮在宇宙中，你需要先准备一个空载体，并且可以调整它的高度和质量。然后，你可以将该空载体放置到一个真空容器或其他保护环境中，上方悬挂一系列弹簧，模拟地球对引力的反作用来悬浮，最后通过一定的操作来模拟悬浮效果。