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海洋学教学培养学生地球系统科学思想

[摘要]为了培养学生的地球系统科学思想,为国家和社会提供高层次的地球科学人才,广东海洋大学海洋科学专业开设了古海洋学本科课程。该课程以“天地一体”“海气相互作用”“海陆相互作用”“天人合一”四方面作为主要案例,通过多媒体课件、视频、课堂讨论和辩论等多种授课形式,让学生深刻理解地球大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和人类圈作为地球系统的组成部分,是如何通过复杂的机制相互作用,并且表现出何种非线性关联。在学习地球各圈层的相互作用的案例中,让学生深刻体会地球系统的思想,学会辩证地研究复杂性问题。该课程的目标是通过学习和训练,使学生具有较好的地球系统视野和思辨能力,在将来的工作岗位上面对重大气候、海洋、环境问题时,能做出更好的科学决策。

[关键词]古海洋学;气候系统;地球系统科学;地球圈层;非线性

一、天地一体——天文因素与地球变化

古海洋学有别于传统地球科学的一个最大特点就是其并不把研究目光局限于地球。我们立足于地球,头顶着星空,地球作为宇宙的一个微小存在,不可避免地要受到太阳辐射、星体间万有引力、星际物质撞击等各种天文因素的影响。虽然这些因素在一个人的生命尺度里似乎看不出变化,但放在地球历史尺度上来看,则有不可忽略的变化,并对地球系统产生决定性的影响。关于地球历史气候和海洋变化的一个重要理论,就是用来解释地球曾经出现冰期-间冰期旋回的“米兰科维奇”理论。该理论认为驱动地球发生冰期-间冰期旋回的根本原因,在于地球表面接收太阳辐射总量,以及辐射随纬度和季节分布的变化。而导致这些辐射变化的天文因素,在于地球公转轨道的偏心率、地轴倾角大小和地轴倾角进动(岁差)等的周期性变化。在讲到米兰科维奇理论的时候,需要对太阳系行星运动的轨道以及各行星之间的相互作用等天文知识有初步了解。首先从天文学知识切入,向学生讲解地球绕太阳运动的轨道并不是永久不变的,地球受到月球以及太阳系其他行星的引力作用,其公转轨道的偏心率、地轴倾角和地轴倾斜方向会发生10万年、4万年、2万年左右的周期性微小变化,这些微小变化会引起太阳辐射能量在不同纬度和季节的分布发生相应的周期性变化,然后通过北半球高纬度冰盖覆盖等一系列正反馈和负反馈作用,导致地球冰期-间冰期旋回的巨大变化。在讲解该部分知识时,将播放太阳系行星运动的视频,让学生对地球轨道的变化有感性认识,然后板书和学生一起推导地球某个纬度单位面积接受太阳辐射量与地轴倾斜角直接的关系公式。通过该公式的推导,让学生体会太阳系的微小变化会在地球上产生巨大的气候影响,并影响到生物进化、人类文明的进程,认识到“天”和“地”是密切关联的整体。在学习几十亿到几亿年行星尺度的海洋变化时,涉及的一个重要假说就是地球大陆板块分离和聚合周期与太阳系在银河系中的位置有关。地球的大陆板块分离和聚合大概有2亿~3亿年的准周期,正好与太阳系在银河系的公转周期一致。该假说认为很有可能就是当太阳系运行至银河系星际物质较密的区域,地球遭遇陨石撞击的可能性变大,从而驱动了板块的运动。在讲解这部分知识点时,将播放关于墨西哥尤卡坦半岛陨石坑的纪录片片段,利用巨大陨石撞击地球的视频,让学生感受星际物质对地球环境和气候的巨大改变。这个知识点也能让学生深刻认识到,地球上的各种变化脱离不了天文的影响,天文和地球因素是一个系统里相互影响的整体。

二、牵一发而动全身——海气相互作用

在组成地球的各个圈层中,海洋和大气都是流体,其物质的运动速度和复杂程度远远大于固体地球,也是对地球气候产生最大和最直接影响的圈层。长期以来,海洋科学和大气科学是分属于独立的学科,对于海洋与大气之间的相互作用不够重视。但在古海洋学学科中,古气候的变化与海洋的变化有着密不可分的关系,洋流的变化一定与大气环流有关,并且对其产生反馈作用。例如,在讲解2万年前末次冰盛期到全新世早期的多次全球变冷事件的时候,首先通过多媒体课件,复习在海洋学导论课程中学过的温盐环流和大洋传送带理论,让学生知道温盐环流的根本动力是大气环流。然后通过展示格陵兰冰芯和其他气候记录,通过课堂提问和讨论的形式,和学生一起探索在冰消期的变暖过程中,曾经发生过几次北半球突然变冷事件以及变冷的幅度,而其中最为显著的就是新仙女木事件。在新仙女木事件时期,北半球高纬度平均温度在短短50年内波动幅度达7°C。为了增加学生对这种巨大变化的感性认识,课堂播放灾难电影《后天》的片段。然后通过课堂思考和讨论的形式,让学生清晰地认识该过程中的太阳辐射—冰川消融—温盐环流—北半球高纬度冰雪覆盖—全球气候等大气和海洋要素间的复杂逻辑关系,体会作为地球系统的组成部分,海洋和大气有着非常密切的相互作用。“海-气”相互作用的另外一个典型例子就是“厄尔尼诺-南方涛动”(ENSO)。厄尔尼诺是指东、西太平洋海表温度变化的异常,属于海洋的现象,南方涛动是东南太平洋和西太平洋大气压强跷跷板式的波动,属于大气的现象,但两者是通过沃克环流密切联系。在古海洋中,厄尔尼诺-南方涛动对全球很多地区的干旱-洪涝以及植被演化都产生了很大的影响。在学习该知识点时,让学生反复练习推导,当南北半球信风、南北赤道流、秘鲁上升流、东太平洋海温、西太平洋暖池海温、沃克环流等大气或者海洋中的某一过程发生变化时,在全球其他地区的大气或海洋中会产生怎样的一系列后果。最具代表性的例子就是秘鲁沿海水温异常升高,会导致上万公里以外的东南亚降雨减少而出现严重干旱。一个是海洋现象,一个属于大气过程,但在地球系统科学里,却将全球的海洋、大气、陆地都系统地联系在一起,任何变化都是“牵一发而动全身”,真正体现了地球系统科学思维的魅力。

三、沧海桑田——海陆相互作用

广东海洋大学海洋与气象学院具有“广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室”,通过物理、化学和地质手段研究热带近海的海气相互作用和海陆相互作用。在本课程的教学过程中,我们会以本学院的研究成果为例,体现地球历史过程中的“海陆相互作用”。例如,介绍本学院教师利用长链烯酮、正构烷烃、碳氮同位素等指标,重建了末次冰盛期以来南海北部的海表温度、陆源和海源有机质变化历史。在2万年前末次冰盛期的时候,全球海平面大概比现在低120米,南海北部的大部分陆架区都暴露成为陆地,珠江、红河等大型河流的入海口也比现在前进200多公里。台湾海峡和马六甲海峡都变成了陆地,只剩下吕宋海峡与太平洋相连,南海变成内海,面积也大大减小,这些变化使得南海的洋流发生了非常显著的变化。冬季风的增强,通过径流和风力搬运到南海的陆地沉积物显著增加,整个海洋生态结构和生产力都发生了巨大的变化,并被记录在海洋沉积物中的有机标志物和同位素中。通过这部分知识的学习,学生既可以了解“沧海桑田”的海陆变迁,又可以理解陆地物质对海洋环流、海洋生态系统的巨大影响。在长时间尺度上,海洋-陆地的相互作用更加显著。6500万年的新生代以来,包括喜马拉雅山、安第斯山脉、阿尔卑斯山在内的大规模造山运动活跃,使得大量岩石暴露、风化。硅酸盐质岩石的风化,会吸收大气中的二氧化碳并转化成碳酸钙沉积,大气二氧化碳的减少减弱了温室效应。因此新生代以来,全球气候总体变冷,加上南美洲大陆与南极大陆彻底分离,德雷克海峡打开,环南极洋流形成,使得南极成为孤立的寒冷大陆并形成巨大冰盖。而冰盖又进一步增加了对太阳光的返照率,导致全球更冷、全球海平面下降、大洋洋流系统变化。这部分知识将地质运动、大气成分、海洋和冰川变化等多圈层因素密切联系在了一起,非常典型地体现了地球是一个整体系统的思想。通过课堂讨论和课后思考题等多种形式,让学生反复玩味这些变化过程中的地球系统思想,可以让学生将地球系统思想深刻植入大脑。

四、天人合一——人类圈与地球的相互作用

“天人合一”是中国古代对人与自然关系的朴素认识,而在地球系统科学范畴中,这种思想将被赋予新的内涵,可以理解为人类圈也作为地球系统的一部分。一方面,地球气候和环境变化,对人类的演化和文明进程起到了决定性的作用。竺可桢于1972年就发表了《中国近五千年来气候变迁的初步研究》,其中主要的观点就是中国朝代和经济兴衰与气候变化有很大关系。后人的各种古气候重建记录也不断支持和丰富了这个观点。通过海洋古温度重建、湖光岩沉积物的冬季风、洞穴石笋等各种记录,都支持中国南北朝和宋元时期中国北方气候整体变冷变干旱,这很可能是导致游牧民族在草原上的生存受到影响,而不得不往南侵占领中原地区的原因。以色列历史学家尤瓦尔•赫拉利所著的《人类简史》中,也认为人类物种进化、衰亡和社会文明的演化,都受到自然环境的强烈影响。另一方面,人类也在显著地改变着地球环境,比如导致澳洲、美洲的大型动物灭绝,耕地和农作物大规模改变地表环境等。随着人类改造自然的能力越来越大,人类活动对地球系统的影响也越来越大。在课堂上,通过讲解古海洋学中的冰芯记录、海洋pH值重建、珊瑚记录等,对比近一百年和过去几千年的变化,可以让学生更清晰地看到南北极冰川加速消融、海洋酸化、珊瑚白化等问题,深刻理解人类圈已经成为地球圈层非常重要的一个圈层,甚至已经影响到了其他圈层,如大气圈和水圈的运动了。该部分教学内容涉及了较多历史、人文和考古的知识,采取的教学方式也比较灵活,包括观看纪录片片段、介绍课外读物、课堂讨论等多种形式。通过这部分内容的学习,可以帮助学生将自然科学和人文科学结合,强化马克思唯物主义和辩证法观念,学会将人类活动置于地球系统之中考虑,将中国古代的“天人合一”思想赋予更科学的涵义。

五、蝴蝶效应——地球系统的非线性

地球系统的一个重要特点就是具有非线性。对非线性的形象描述,莫过于蝴蝶效应:一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。非线性也是目前人类对气候变化进行预测最大的难点。因为地球系统的某个变量的变化,会导致怎样的结果,往往是受控于其他各种因素的相互作用。例如,在讲解火山活动与气候变化的关系时,首先向学生提出一个问题:火山活动会导致气候变冷还是变暖,为什么?通过课堂辩论,学生的意见会分为两种:第一种认为火山活动会导致变冷,因为火山喷发的大量火山灰和气溶胶进入对流层上层甚至平流层,阻挡太阳光到达地面;第二种认为火山活动会导致变暖,因为火山喷发大量的二氧化碳气体属于温室气体,会增加温室效应。经过一定的讨论后,学生会意识到火山活动对气候的影响,可能有两种截然不同的方向,究竟会导致气候变冷还是变暖,要放在不同的时间尺度考虑,在几十年的短时间尺度气候会变冷,而如果火山大规模喷发在几百年到万年尺度就会因为温室气体的增加而变暖。该部分知识的学习,重点是让学生认识到地球系统的复杂性和非线性,能够辩证地去分析地球科学中的现实问题,同时培养学生解决复杂问题的能力,这有助于学生以后在工作岗位上面对复杂的非线性问题时,能做出更科学的决策,提出合理的解决方案。

六、结语

地球系统科学是将地球各圈层作为一个整体系统来研究的新兴交叉学科,它是各学科发展到高级阶段的必然选择。而当今世界面临的各种地球和环境问题,也亟须从地球系统的角度去分析和解决。古海洋学是地球科学各分支中最具有“系统科学”特质的学科,应以古海洋学本科课程为契机,在教学中结合各种教学手段,努力培养学生的地球系统科学思维,这样才能为国家和社会培养具有系统科学视野,能够自主提出问题、分析问题和解决复杂问题的创新性人才。

作者:孔德明 彭诗云 单位:广东海洋大学海洋与气象学院

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