第一章 绪论主要内容提要-行星地球

第一章 绪论 主要内容提纲

一、行星地球科学课程简介

1. 课程的性质、开设本课程的目的。

2. 课程讲述的主要内容、学时分配。

3. 课程课堂教学的形式与课程的要求。

二、行星地球概述

1. 地球物理环境的传统分类。

地球的物理环境传统地被分成三个部分:固体的地球(The solid Earth)、地球的水圈(The Hydrosphere)、地球的大气圈(The atmosphere)。生物圈与固体地球、水圈、大气圈三个部分之间的存在着不可分隔的内在作用,在地球上起着同等重要的作用,地球实际上可分成四个部分(固体的地球、水圈、大气圈和生物圈)。

2. 地球的水圈。

地球也被称为“Blue Planet ”,地球上的水多于其它任何一个星球,这使地球成为唯一。陆地表面71%被水覆盖,水是不断连续地运动和转化的,从海洋——大气圈——陆地——海洋。水体存在方式不同,其作用方式也有比较大的差别,按照水体存在的方式可以将水圈划分为:海洋、河流、地下水、冰川、湖泊等五种主要类型。

水圈中大部分水以液态形式储存于海洋、河流、湖泊、水库、沼泽及土壤中;部分水以固态形式存在于极地的广大冰原、冰川、积雪和冻土中;水汽主要存在于大气中。三者常通过热量交换而部分相互转化。

水圈内全部水体的总储量为13.86亿立方公里, 其中海洋为13.38亿立方公里, 占总储量的96.5%。分布在大陆上的水包括地表水和地下水,各占余下的一半左右。在全球水的总储量中,淡水仅占2.53%,其余均为咸水。河流、湖泊、冰川及地下水,这一部分的水数量虽然占很小的一部分,但它不仅对地球的生命来讲起着非常重要的作用,还塑造和创造了各种不同的地形。

3. 大气圈(如果地球没有大气圈,地球将会有怎样的风景?)。

大气层与地球表面之间、大气层与宇宙空间之间连续的能量交换所产生的一系列作用称作天气。大气圈给生命提供了必不可少的空气,保护我们避免太阳的

热和射线的危害。如果地球没有大气圈,地球表面会是怎样的一种景象呢?

如果地球没有大气圈,地球表面会象月球一样,许多作用不会发生,没有风化和剥蚀作用。地球的表面会类似于月球现在的表面,大约有30亿年一直没有变化过。

4. 固体地球的圈层构造。

地核、地幔、地壳。

5. 地球生物圈存在的意义。

三、地球科学研究的内容

1. 科学就是探求关于自然问题的答案,去找到为什么它们是以这样的方式存在的。地球科学探求关于地球问题的答案。地球科学研究的内容极为广泛,是地球和宇宙空间邻近星球的所有其它科学的综合,它涉及地质学、海洋学、气象学和天文学等。

地球科学要回答的问题如宇宙的终极命运如何?地震是如何发生的?为什么有的地方发生地震,而有的地方则没有地震发生?有的地方发生剧烈的地震,而有的地方则发生轻微的小地震。地球上那些风景如画的山脉如何形成的?南极为什么没有熊?

传统地球科学(地质学)研究的二大领域是:(1)地球的物质组成,(2)地球的演化历史。

2. 地球科学是六大基础科学之一,它与其它科学之间的关系。

(1)海洋学(Oceanography )

海洋学是一个没有严格界限的科学,它涉及到与海洋有关的所有其它一切科学。海洋学综合了化学、物理学、地质学和生物学,它包括研究海水的运动和组成、海岸的形成、海底地形和海底生命。

(2)气象学(Meteorology )

气象学研究大气圈、天气和气候的形成过程的科学。和其它科学一样,气象学也涉及到与其它科学的综合研究。

(3)天文学(Astronomy )

天文学是研究地球以外的、宇宙中其他星球的科学。地球与宇宙中所有的其它星体有不可分隔的联系,对宇宙的研究有助于解决地球起源的问题。研究太阳系中其它成员的一些特征有助于我们研究地球本身的起源问题。

3. 地球科学发展的三个阶段。

人类生存在地球上,它生活的环境和从事生产所需要的物质资料都离不开地球。远古时代我们的祖先便试着了解地球,因而有了Geology (地质学)这门学科,它与Geography (地理学)、Geometry (几何学)、Geomonphology (地貌学)等都是关于大地的论述。地质学真正成为一门独立的科学是在18世纪后半叶。

随着认识能力的提高、探测手段的进步和资料知识的丰富,地质学的研究内容也在不断地扩大和更新。蒸汽机的使用使采煤量大大增加了,工业革命要求矿业和冶金业迅速发展,推动了大面积的区域地质调查。

(1)第一阶段 至20世纪中期,基础地质学已形成了三大分支系统: ①研究地壳的组成和物质成分;②研究地壳或地质作用的发展历史;③研究地壳的变动和动力地质作用。应用地质学则形成了两大分支系统:①研究各种矿产的生成、运移、富集的规律,可称经济地质学;②直接服务于各种工程建设的工程地质学和水文地质学。这个阶段的地质学研究的对象主要是陆地,揭示的只是地球表层(以上部地壳为主)的发展过程。一系列分支学科的出现标志着地质学的欣欣向荣。

(2)第二阶段是20世纪60年代开始出现的板块学说使地质学进入了一个全新的发展时期。地质学的研究内容大大拓宽了,可通俗地用“上天、入地、下海”六个字来比喻。“上天、入地、下海”即:来自宇宙(地外)的陨石、地幔岩石圈乃至外地核、海洋都是地质学的研究对象。地质学发展的主要特点:由自身的分科走向综合,地质学与其它学科的交叉渗透。

(3)第三阶段是近半个世纪来,由于过分加速的城市化和沙漠化,人类的生存环境正受到日益严重的威胁,环境地质已成为人们所关注的一个研究领域。人口的急剧增长和资源的过量开采造成若干资源能源迅速枯竭,可持续发展已成了迫在眉睫的问题。

在新千年,地质学的核心问题是解决资源和环境问题。城市空气污染、酸雨、臭氧层空洞和温室效应己对环境造成重大威胁。其他的环境问题还包括由侵蚀引起的肥沃土壤的流失,有害废弃物、污染物的堆积,水资源的枯疾;而且这些方面的环境问题还在继续地恶化。在大多情况下,随着人口的增加,有较多的人聚集的地方或试途耕作不适宜的土地时,形成自然灾害的威胁将变得更为严峻。

4. 地球科学的目标是防灾与索宝。

四、科学研究的一般规律(科学研究方法介绍)

所有科学研究都是基于自然界具有统一的运动规律和可预测性这一假定基础上。科学研究的全部目的是去发现自然界的基本规律,然后在一定的事实或条件下用这些基本知识去预测会发生什么和不会发生什么。

1. 收集资料(Collecting Facts)

新的科学理论的形成包含在一些基本的逻辑思维过程中。科学家通过观察和测试来收集资料,确定自然界正在发生的事件,这些资料对科学研究是必不可少的,并且是形成科学理论的“跳板”。

2. 假设(Hypothesis)

当完成资料收集,解释自然现象的基本原则系统就形成了。观察者试途去解释事物怎样或为什么以这样的方式出现,人们所提出的一个最初的、没有被验证的对事物规律的解释被称为“科学假设 ”。

对同一的观察资料常会有几种不同的假设或模型,如太阳系的起源、生命起源问题就有多种假说等。如果一个假设正确,将会发生或被观察到什么,并且可以设计一条路径或方法来验证从假设所得到的预言的精确程度。如果一个假设不能得到验证,不论这个假设是如何有趣,它都不是科学有用的。

3. 验证假设

验证假设方法通常有进行观察、开发模型、做实验。推翻一个假设前,可以进行多次重复试验,或设计新的实验来验证;试验越多则越好;科学的历史是抛起假设的过程(最著名的例子就是“地心说”)。

4. 理论(Theory )

(1) 如果一个假设能经受住多次严格的实验认证,假设便可以提升为具有了一个科学理论的特征。

(2)一个科学理论必须是被科学家很好地验证过、被科学家广泛接受的、并认为能很好地解释一定的观察事实的。

(3)一个科学理论仅仅是解释现有事实是不够的,理论应具有预测(预见)的能力。当一个理论能够经受更多试验的论证时,那么它就具有较高水平的可信度。

并不存在一个固定的探寻科学知识的路径,然而,很多科学研究(观察)遵循以下的步骤:观察收集资料→科学假设→验证假设→科学理论,即①通过观察

和测量收集科学事实;②提出一个或多个假设来解释这些事实;③进一步观察和实验来验证这些假设;④在严格试验的基础上来接受、修改或废弃假设

有一些科学的发现是属于纯理论的,能经得起严密的验证;还有一些科学进步完全是在实验过程中意外获得的,这些科学发现并不是纯在的幸运,正象Louis Pasteur所说的“In the field of observation , chance favors only the prepared mind .”


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