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1、地理科学与 全球变化研究的方法导论,高全洲 （地理科学专业，国土资源与环境学系） ,地理科学导论第四讲 2011年10月,本次课程大纲,一、地理科学的学科定位 二、地理科学的研究对象及研究方法 三、地理环境演变过程的驱动力 四、人类活动、环境演变、全球变化 五、对过去环境的认识：气候和环境演变的替代性指标 六、成为杰出地理学者的策谋,07 理学 0701 数学 0702 物理学 0703 化学 0704 天文学 0705 地理学 0706 大气科学 0707 海洋科学 0708 地球物理学 0709 地质学 0710 生物学 0711 系统科学 0712 科学技术史 0713 生态学 0714
2、 统计学,13个大门类学科: 哲、经、法、教、文、史、理、工、农、医、军、管、艺,一、地理科学的学科定位,地理学的三个二级学科： 地理科学 资源环境与城乡规划管理 地理信息系统 （早期的划分方案：地貌学、自然地理、经济地理）,每个二级学科的侧重点不同,一、地理科学的学科定位,二、地理科学的研究对象及研究方法 地理科学研究对象的特殊性 其他自然科学研究对象：自然界物质的各种类型、状态、属 性及运动形式。 地理科学的研究对象：人类活动与自然环境之间的辨证关 系，或者“人-地关系”。 社会科学的研究对象：人类社会的现象、发展规律。,哲、经、法、教、文、史、理、工、农、医、军、管、艺,二、地理科学的研
3、究对象及研究方法 地理科学研究方法的综合性,07 理学 0701 数学 0702 物理学 0703 化学 0704 天文学 0705 地理学 0706 大气科学 0707 海洋科学 0708 地球物理学 0709 地质学 0710 生物学 0711 系统科学 0712 科学技术史 0713 生态学 0714 统计学,二、地理科学的研究对象及研究方法 地理科学研究方法的综合性,哲、经、法、教、文、史、工、农、医、军、管、艺,所以，地理科学是理科。,三、地理环境演变过程的驱动力 （冥古宙、隐生宙、显生宙、人类活动、近代技术革命）,1. 石头的风化 2. 水的流动 3. 各圈层的分异演化：大气圈、岩
4、石圈、水圈、生物圈,三、地理环境演变过程的驱动力, 全 新世（Holocene）和人类世（Anthropocene） “Holocene”，Lyell，1833：人类逐渐走向历史的舞台，“人与自然”开始对话-文明的开始。 旧石器时代（第四纪开始-全新世之前的漫长岁月）; 那时人们的生产生活如何？ 元谋猿人 生活的年代距今有170万年； 蓝田猿人 生存于5060万年以前； 北京猿人 距今约60万年前； 山顶洞人 18865420年前。,三、地理环境演变过程的驱动力,新石器时代（10-5ka BP or 2ka BP）; 陶器、纺织、农业和畜牧业，定居生活。 青铜器时代（4-5ka BP）; 最早
5、进入青铜时代的是两河流域和埃及等地，开始于5ka BP,中国的青铜时代为夏、商、西周和春秋战国时代。发达的农业和手工业，并且汉字也已经发展成熟。 铁器时代 （3ka BP-） ,三、地理环境演变过程的驱动力, 古代农业文明的兴衰 四大农业文明中心： 黄河流域中游 两河流域 Indus河流域 尼罗河流域 它们有那些得天独厚的条件？为何而兴？为何而衰？,三、地理环境演变过程的驱动力,工业文明 工业文明的依托是什么？ 工业文明的特点是什么？（相对于农业文明） 1. 生产力水平极大提高 2. 多人集中劳动 3. “燃烧的岁月”,三、地理环境演变过程的驱动力,工业革命以来： 人口数量激增（牲畜数量也快速
6、增加） 城市化（百年十倍） 消耗化石燃料（再过几代人用完了！） CO2排放（280ppm, 390.02ppm（2011.8）, 2-3ppm/year），还有CH4等。估计在未来5万年中，地球气候才能回归自然！（200年的影响，需要50000年的恢复！） SO2排放（是自然源的两倍多） 人为固N多于自然过程，并用于农业生产 淡水、物种、化学毒物、臭氧层空洞、原子能,三、地理环境演变过程的驱动力, 人类世（Anthropocene）：人类主宰了自然环境的演变 人类对地球上发生的地质过程、生态过程的影响是深刻的、空前的、全方位的。 （ Anthropocene 的开始时间：工业革命开始、1784
7、瓦特，这也是大气CO2、CH4浓度开始明显升高的开始）,三、地理环境演变过程的驱动力, 全球变化 地球上所有地理圈层的变化：化学的、物理的、生物学的性质，变得和以前不一样了！ 全球变化对人类的影响是什么？ 人类起源时的自然环境是人类最适宜的生存环境 地理学的“地带性”学说 在人-地关系中，人类的根本利益是什么？ 地质历史中，旧物种灭绝、新物种诞生经常发生 人类自己改变了自己生存的环境,四、人类活动、环境演变、全球变化 追求能源、食物以及享受，已经几乎毁掉了地球。尽管过度渔猎和开采正被制止，但其长期影响已经威胁到世界生态系统和人类的生存。 2009年7月份美国新闻周刊盘点了11大环境灾难，它们不
8、像飓风或者地震那样，很多灾难其实本来都能够避免。,1.海岸线侵蚀 当季节发生变化时，会引起冰帽融化和再生，但是永久冻结带的侵蚀持续时间更长。由于全球变暖导致岸边富含沉淀物的冻土融化，海水更容易侵蚀海岸和陆地，北极地区的海岸线正处于危险之中。,美国阿拉斯加州东北部的波弗特海岸受到气候变化影响。,2.切尔诺贝利 1986年乌克兰切尔诺贝利核电站发生的泄露事故，是人为造成的最大核灾难。放射性物质泄露，导致50人死亡，数千人在此后数年患上各种癌症死亡。当地食物和水源受到的影响，几十年来依然没有消除。,3.拉夫运河 多年来，化学品处理公司将有毒肥料掩埋在尼亚加拉瀑布的旁边。尽管1978年卡特总统下令重新
9、掩埋废品，并重建当地社区。但有毒物质已经渗入地下，曾经的“爱之河”带给人们的是疾病和痛苦。,4.煤炭毒泥 在美国有600多座火力发电站，几乎所有的发电站都有大量煤灰。2008年12月，由于一座大坝坍塌，大量煤灰淤泥从田纳西州金斯顿石化厂溢出，致使10多亿加仑有毒淤泥流入一个社区。尽管只有几个家庭被毁，但煤泥中含有的汞、砷等有毒物质，已经渗入水源和土地中，足以杀死所有生命。,5.雨林开荒 在过去十年间，巴西亚马逊雨林遭到的破坏大大增加，农民和伐木者的滥砍乱伐每年毁掉了上万平方公里雨林。世界上50%的野生动植物、40%的氧气来自这里。,6.工业采矿 无论在发达国家还是发展中国家，工业采矿都是经济的
10、驱动力之一，但人类为此付出的环境代价也异常巨大。开采矿后土质松软，可能导致生态系统的平衡被扰乱，矿区很难再恢复。比如，印度奥里萨邦苏金达谷堆积了印度95%的亚铁矿，导致那里成为世界上污染最严重的地区。,7.过度渔猎 在过去20年间，人类可食用的各种鱼类数量都在大幅下降。北极和地中海地区的需求增长和供应下降，导致金枪鱼和北极鳕鱼群体崩溃。2009年过度捕鱼文件报告称，海洋生态系统的关键联系被切断，已经影响人类生存。,8.石油钻探 世界上最严重的石油泄露事件发生在1991年波斯湾战争期间，当时萨达姆故意向波斯湾倾倒了100万加仑石油，导致那里的鸟类和鱼类灭绝。但石油泄漏造成的损失不能凭借石油泄漏的
11、多少衡量。早在1989年，美国埃克森瓦尔迪兹号油轮在阿拉斯加东南部搁浅，1100万加仑石油尽泄海中。但由于那里地处偏远，影响没有波斯湾的那次大。,9.有害气体 1984年，在印度Madhya Pradesh附近一家杀虫剂厂大量有毒气体泄露，导致10000多人死亡。此次工业灾难造成的影响，几乎难以衡量。,10.引水灌溉 20世纪60年代开始，咸海开始干涸，今天，实际上它已经消失，只剩下淤泥。几十年前，苏联政府曾引咸海水进入沙漠灌溉棉花，但却在当地引发温室效应。现在那里地下水都很少，居民们呼吸的空气中几乎没有水分子。,11.海洋污染 世界海洋包含几个大回旋，保持着海洋水循环。当垃圾被冲入海洋后，经
12、常被大回旋另一头的鸟类和鱼类吞下。世界上最大的循环垃圾堆在北大西洋地区，那里几乎成为死区，没有任何生命能够存在。,五、对过去环境的认识：气候和环境演变的替代性指标,歌曲外婆的澎湖湾 也是黄昏的沙滩上，留下脚印两对半。 那是外婆拄着杖，将我手轻轻挽。,地质证据：,场景反演：,现代的气候和环境性质可以用仪器来观测； 那么，如何了解没有观测仪器和文字记录的古代气候和环境？,发生在过去的地貌过程、成土过程、生态过程、水文过程、经济文化活动等，可能在（深海、湖泊、洞穴、陆相，等）沉积物中保留下证据。 这些过程和活动的发生受气候和环境条件的制约，因此，它们留下的证据就能够从物理、化学、生物学等方面揭示相关
13、地表过程发生时期的气候和环境特征（“将今论古”的原则）。 替代性气候指标,常用的替代性气候指标有： 沉积物的粒度组成（粒径、磨圆度、分选度等） 碳、氧同位素组成 化学元素 粘土矿物和其他的矿物 碳酸盐 孢粉 大的动植物化石 历史文献,（一）氧同位素地层学 （二）古海洋生态学 （三） CLIMAP计划 （四）冰筏沉积 （五）风沙和黄土沉积 （六）树木年轮 （七）珊瑚及珊瑚礁 （八）植物的孢子及花粉,（一）氧同位素地层学基本原理 (Oxygen Isotope Stratigraphy) 海洋中生活着大量的有孔虫(foraminifera)、硅藻(diatoms)、颗石藻(coccolithoph
14、ores)和放射虫(radiolarian )等；这些海洋生物的外壳主要是由碳酸钙组成的。 水中的O (H216O，H218O) 与生物壳体中的O (CaC16O3, CaC18O3)达到同位素平衡。 H2O CaCO3, 海水中的O同位素组成受蒸发动力因素控制，由于质量较轻， H216O 分子总是优先发生蒸发（海水蒸发陆地降水大陆冰盖） 同位素分馏效应（海水与陆地冰盖之间）。 海洋生物具有海水的O同位素“基因”。 如此，冰期、间冰期（冷暖）交替在海洋生物的介壳中得到记录。 当介壳中的18O含量较多时，反映了这些海洋生物生长在寒冷的冰期；反之，则生活在温暖的间冰期。 厚层的海洋沉积物记录了海洋
15、（全球）气候的变化历史。, Emiliani (1955) 率先研究了第四纪深海沉积物中的O同位素记录。根据18O的波动变化，将数十万年以来（通过年代测定）的O同位素记录划分为一系列阶段（MIS，Marine Isotope Stages）：Stage1, Stage2, Stage3, 奇数阶段代表温暖的间冰期（冰后期），反映全球冰量的减少（low ice volume）；偶数阶段代表寒冷的冰期，反映全球冰量的增加（large ice volume）。 Urey & Emiliani found 1 change (18O) corresponded with 4.5C temperatur
16、e change,古地磁定年的基本原理,根据全球许多已经测定的深海O同位素记录，古海洋学家和古气候学家得到一条综合的深海O同位素曲线，被称为SPECMAP。 这条SPECMAP曲线在最近13万年以来最完整。,（二）古海洋生态学,除了海洋生物的同位素记录外，它们的生态特征也能揭示气候和环境的变化。 如上述的底栖有孔虫、硅藻、放射虫和颗石藻等。 例如，海水温度可以影响 底栖有孔虫壳的旋转方向 性：左旋或右旋。,螺旋结构是生物界的普遍现象，从分子到动物都有这种美丽的“生命曲线” 如：DNA、核糖核酸（RNA）、多肽、蛋白质、淀粉等分子也都具有螺旋结构。 有一种有孔虫（厚壳新方球虫）对气候变化特别敏感，当气候变暖时它为右旋壳，而气候变冷
