通過古海洋學(xué)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的地球系統(tǒng)科學(xué)思想

孔德明 彭詩云

[摘要]為了培養(yǎng)學(xué)生的地球系統(tǒng)科學(xué)思想，為國家和社會提供高層次的地球科學(xué)人才，廣東海洋大學(xué)海洋科學(xué)專業(yè)開設(shè)了古海洋學(xué)本科課程。該課程以“天地一體”“海氣相互作用”“海陸相互作用”“天人合一”四方面作為主要案例，通過多媒體課件、視頻、課堂討論和辯論等多種授課形式，讓學(xué)生深刻理解地球大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和人類圈作為地球系統(tǒng)的組成部分，是如何通過復(fù)雜的機(jī)制相互作用，并且表現(xiàn)出何種非線性關(guān)聯(lián)。在學(xué)習(xí)地球各圈層的相互作用的案例中，讓學(xué)生深刻體會地球系統(tǒng)的思想，學(xué)會辯證地研究復(fù)雜性問題。該課程的目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生具有較好的地球系統(tǒng)視野和思辨能力，在將來的工作崗位上面對重大氣候、海洋、環(huán)境問題時(shí)，能做出更好的科學(xué)決策。

[關(guān)鍵詞]古海洋學(xué);氣候系統(tǒng);地球系統(tǒng)科學(xué);地球圈層;非線性

[中圖分類號]G64

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0062-03

古海洋學(xué)是海洋地質(zhì)的一個(gè)分支學(xué)科，是根據(jù)海洋沉積物研究地質(zhì)歷史時(shí)期的海洋各種物理和化學(xué)參數(shù)、生物生態(tài)、洋流運(yùn)動、氣候變化的演變過程。古海洋學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，誕生于20世紀(jì)70年代的大洋深海鉆探。古海洋學(xué)發(fā)展40多年來，其內(nèi)涵和研究范圍在不斷擴(kuò)大。雖然不同學(xué)者對于古海洋學(xué)的準(zhǔn)確定義有所不同，但現(xiàn)在普遍認(rèn)為古海洋學(xué)的研究對象包含了地球的巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈、冰雪圈、人類圈等所有圈層，時(shí)間范圍則跨越從海洋誕生至百年前。在研究古海洋學(xué)以及其他全球性問題的過程中，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)難以將地球的某個(gè)部分或圈層孤立研究，各個(gè)圈層聯(lián)系密切而且相互作用。任一圈層過程都在不同程度上與其他圈層不同時(shí)空尺度過程存在著相互影響和制約的關(guān)系，同時(shí)每個(gè)圈層的結(jié)構(gòu)、功能和行為都是地球系統(tǒng)在局部的反映;其中某一成分的變化都會引起其他成分的響應(yīng)，這往往又是其他要素共同作用的結(jié)果。地球各圈層和要素之間的復(fù)雜聯(lián)系，促生了另外一門新的學(xué)科：地球系統(tǒng)科學(xué)。汪品先院士于2018年出版了《地球系統(tǒng)與演變》，其將地球海洋、氣候演變置于地球系統(tǒng)之中，突破地球圈層和學(xué)科界限，突出圈層間相互作用機(jī)理，成為地球系統(tǒng)科學(xué)的集大成之作。

地球系統(tǒng)科學(xué)是三十多年來隨著地球科學(xué)多學(xué)科交叉以及多圈層相互作用研究的進(jìn)展而提出的一門全新的科學(xué)。地球系統(tǒng)科學(xué)是講地球各圈層和各部分作為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)研究對象，研究其在復(fù)雜的相互作用中運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制、地球系統(tǒng)變化的規(guī)律和控制這些變化的機(jī)理。目前，我國的地球科學(xué)研究經(jīng)過幾十年的積累，原始數(shù)據(jù)和發(fā)表的論文已經(jīng)很多，但在把“論文和數(shù)據(jù)”變成“科學(xué)發(fā)現(xiàn)”方面還與發(fā)達(dá)國家有一定的差距。其中一個(gè)重要原因就是這些基于某點(diǎn)的成果，沒有被“深加工”成地球系統(tǒng)科學(xué)。出現(xiàn)這種局面，跟我國的考核過于注重論文數(shù)量有關(guān)，也跟本科生和研究生缺乏地球系統(tǒng)科學(xué)的思維訓(xùn)練有關(guān)。而在古海洋學(xué)的研究中，始終貫徹著地球系統(tǒng)科學(xué)的方法和思想。廣東海洋大學(xué)（以下簡稱“本?！保┖Ｑ罂茖W(xué)專業(yè)開設(shè)古海洋學(xué)課程以來，通過不斷摸索和實(shí)踐，在教授專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，將該課程作為培養(yǎng)學(xué)生地球系統(tǒng)科學(xué)思想的有力切入點(diǎn)，努力培養(yǎng)具有地球系統(tǒng)科學(xué)思維的新時(shí)代人才，使他們能夠運(yùn)用系統(tǒng)、整體和跨學(xué)科的方法，獨(dú)立地研究和解決復(fù)雜的地球和環(huán)境科學(xué)問題。

一、天地一體——天文因素與地球變化

古海洋學(xué)有別于傳統(tǒng)地球科學(xué)的一個(gè)最大特點(diǎn)就是其并不把研究目光局限于地球。我們立足于地球，頭頂著星空，地球作為宇宙的一個(gè)微小存在，不可避免地要受到太陽輻射、星體間萬有引力、星際物質(zhì)撞擊等各種天文因素的影響。雖然這些因素在一個(gè)人的生命尺度里似乎看不出變化，但放在地球歷史尺度上來看，則有不可忽略的變化，并對地球系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響。

關(guān)于地球歷史氣候和海洋變化的一個(gè)重要理論，就是用來解釋地球曾經(jīng)出現(xiàn)冰期—間冰期旋回的“米蘭科維奇”理論。該理論認(rèn)為驅(qū)動地球發(fā)生冰期—間冰期旋回的根本原因，在于地球表面接收太陽輻射總量，以及輻射隨緯度和季節(jié)分布的變化。而導(dǎo)致這些輻射變化的天文因素，在于地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率、地軸傾角大小和地軸傾角進(jìn)動（歲差）等的周期性變化。在講到米蘭科維奇理論的時(shí)候，需要對太陽系行星運(yùn)動的軌道以及各行星之間的相互作用等天文知識有初步了解。

首先從天文學(xué)知識切入，向?qū)W生講解地球繞太陽運(yùn)動的軌道并不是永久不變的，地球受到月球以及太陽系其他行星的引力作用，其公轉(zhuǎn)軌道的偏心率、地軸傾角和地軸傾斜方向會發(fā)生10萬年、4萬年、2萬年左右的周期性微小變化，這些微小變化會引起太陽輻射能量在不同緯度和季節(jié)的分布發(fā)生相應(yīng)的周期性變化，然后通過北半球高緯度冰蓋覆蓋等一系列正反饋和負(fù)反饋?zhàn)饔?，?dǎo)致地球冰期—間冰期旋回的巨大變化。在講解該部分知識時(shí)，將播放太陽系行星運(yùn)動的視頻，讓學(xué)生對地球軌道的變化有感性認(rèn)識，然后板書和學(xué)生一起推導(dǎo)地球某個(gè)緯度單位面積接受太陽輻射量與地軸傾斜角直接的關(guān)系公式。通過該公式的推導(dǎo)，讓學(xué)生體會太陽系的微小變化會在地球上產(chǎn)生巨大的氣候影響，并影響到生物進(jìn)化、人類文明的進(jìn)程，認(rèn)識到“天”和“地”是密切關(guān)聯(lián)的整體。

在學(xué)習(xí)幾十億到幾億年行星尺度的海洋變化時(shí)，涉及的一個(gè)重要假說就是地球大陸板塊分離和聚合周期與太陽系在銀河系中的位置有關(guān)。地球的大陸板塊分離和聚合大概有2億～3億年的準(zhǔn)周期，正好與太陽系在銀河系的公轉(zhuǎn)周期一致。該假說認(rèn)為很有可能就是當(dāng)太陽系運(yùn)行至銀河系星際物質(zhì)較密的區(qū)域，地球遭遇隕石撞擊的可能性變大，從而驅(qū)動了板塊的運(yùn)動。在講解這部分知識點(diǎn)時(shí)，將播放關(guān)于墨西哥尤卡坦半島隕石坑的紀(jì)錄片片段，利用巨大隕石撞擊地球的視頻，讓學(xué)生感受星際物質(zhì)對地球環(huán)境和氣候的巨大改變。這個(gè)知識點(diǎn)也能讓學(xué)生深刻認(rèn)識到，地球上的各種變化脫離不了天文的影響，天文和地球因素是一個(gè)系統(tǒng)里相互影響的整體。

二、牽一發(fā)而動全身——海氣相互作用

在組成地球的各個(gè)圈層中，海洋和大氣都是流體，其物質(zhì)的運(yùn)動速度和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體地球，也是對地球氣候產(chǎn)生最大和最直接影響的圈層。長期以來，海洋科學(xué)和大氣科學(xué)是分屬于獨(dú)立的學(xué)科，對于海洋與大氣之間的相互作用不夠重視。但在古海洋學(xué)學(xué)科中，古氣候的變化與海洋的變化有著密不可分的關(guān)系，洋流的變化一定與大氣環(huán)流有關(guān)，并且對其產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?。例如，在講解2萬年前末次冰盛期到全新世早期的多次全球變冷事件的時(shí)候，首先通過多媒體課件，復(fù)習(xí)在海洋學(xué)導(dǎo)論課程中學(xué)過的溫鹽環(huán)流和大洋傳送帶理論，讓學(xué)生知道溫鹽環(huán)流的根本動力是大氣環(huán)流。然后通過展示格陵蘭冰芯和其他氣候記錄，通過課堂提問和討論的形式，和學(xué)生一起探索在冰消期的變暖過程中，曾經(jīng)發(fā)生過幾次北半球突然變冷事件以及變冷的幅度，而其中最為顯著的就是新仙女木事件。在新仙女木事件時(shí)期，北半球高緯度平均溫度在短短50年內(nèi)波動幅度達(dá)7℃。為了增加學(xué)生對這種巨大變化的感性認(rèn)識，課堂播放災(zāi)難電影《后天》的片段。然后通過課堂思考和討論的形式，讓學(xué)生清晰地認(rèn)識該過程中的太陽輻射一冰川消融一溫鹽環(huán)流一北半球高緯度冰雪覆蓋一全球氣候等大氣和海洋要素間的復(fù)雜邏輯關(guān)系，體會作為地球系統(tǒng)的組成部分，海洋和大氣有著非常密切的相互作用。

“海-氣”相互作用的另外一個(gè)典型例子就是“厄爾尼諾-南方濤動”（ENSO）。厄爾尼諾是指東、西太平洋海表溫度變化的異常，屬于海洋的現(xiàn)象，南方濤動是東南太平洋和西太平洋大氣壓強(qiáng)蹺蹺板式的波動，屬于大氣的現(xiàn)象，但兩者是通過沃克環(huán)流密切聯(lián)系。在古海洋中，厄爾尼諾—南方濤動對全球很多地區(qū)的干旱—洪澇以及植被演化都產(chǎn)生了很大的影響。在學(xué)習(xí)該知識點(diǎn)時(shí)，讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)推導(dǎo)，當(dāng)南北半球信風(fēng)、南北赤道流、秘魯上升流、東太平洋海溫、西太平洋暖池海溫、沃克環(huán)流等大氣或者海洋中的某一過程發(fā)生變化時(shí)，在全球其他地區(qū)的大氣或海洋中會產(chǎn)生怎樣的一系列后果。最具代表性的例子就是秘魯沿海水溫異常升高，會導(dǎo)致上萬公里以外的東南亞降雨減少而出現(xiàn)嚴(yán)重干旱。一個(gè)是海洋現(xiàn)象，一個(gè)屬于大氣過程，但在地球系統(tǒng)科學(xué)里，卻將全球的海洋、大氣、陸地都系統(tǒng)地聯(lián)系在一起，任何變化都是“牽一發(fā)而動全身”，真正體現(xiàn)了地球系統(tǒng)科學(xué)思維的魅力。

三、滄海桑田——海陸相互作用

廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院具有“廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，通過物理、化學(xué)和地質(zhì)手段研究熱帶近海的海氣相互作用和海陸相互作用。在本課程的教學(xué)過程中，我們會以本學(xué)院的研究成果為例，體現(xiàn)地球歷史過程中的“海陸相互作用”。例如，介紹本學(xué)院教師利用長鏈烯酮、正構(gòu)烷烴、碳氮同位素等指標(biāo)，重建了末次冰盛期以來南海北部的海表溫度、陸源和海源有機(jī)質(zhì)變化歷史。在2萬年前末次冰盛期的時(shí)候，全球海平面大概比現(xiàn)在低120米，南海北部的大部分陸架區(qū)都暴露成為陸地，珠江、紅河等大型河流的人海口也比現(xiàn)在前進(jìn)200多公里。臺灣海峽和馬六甲海峽都變成了陸地，只剩下呂宋海峽與太平洋相連，南海變成內(nèi)海，面積也大大減小，這些變化使得南海的洋流發(fā)生了非常顯著的變化。冬季風(fēng)的增強(qiáng)，通過徑流和風(fēng)力搬運(yùn)到南海的陸地沉積物顯著增加，整個(gè)海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力都發(fā)生了巨大的變化，并被記錄在海洋沉積物中的有機(jī)標(biāo)志物和同位素中。通過這部分知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生既可以了解“滄海桑田”的海陸變遷，又可以理解陸地物質(zhì)對海洋環(huán)流、海洋生態(tài)系統(tǒng)的巨大影響。

在長時(shí)間尺度上，海洋—陸地的相互作用更加顯著。6500萬年的新生代以來，包括喜馬拉雅山、安第斯山脈、阿爾卑斯山在內(nèi)的大規(guī)模造山運(yùn)動活躍，使得大量巖石暴露、風(fēng)化。硅酸鹽質(zhì)巖石的風(fēng)化，會吸收大氣中的二氧化碳并轉(zhuǎn)化成碳酸鈣沉積，大氣二氧化碳的減少減弱了溫室效應(yīng)。因此新生代以來，全球氣候總體變冷，加上南美洲大陸與南極大陸徹底分離，德雷克海峽打開，環(huán)南極洋流形成，使得南極成為孤立的寒冷大陸并形成巨大冰蓋。而冰蓋又進(jìn)一步增加了對太陽光的返照率，導(dǎo)致全球更冷、全球海平面下降、大洋洋流系統(tǒng)變化。這部分知識將地質(zhì)運(yùn)動、大氣成分、海洋和冰川變化等多圈層因素密切聯(lián)系在了一起，非常典型地體現(xiàn)了地球是一個(gè)整體系統(tǒng)的思想。通過課堂討論和課后思考題等多種形式，讓學(xué)生反復(fù)玩味這些變化過程中的地球系統(tǒng)思想，可以讓學(xué)生將地球系統(tǒng)思想深刻植入大腦。

四、天人合一——人類圈與地球的相互作用

“天人合一”是中國古代對人與自然關(guān)系的樸素認(rèn)識，而在地球系統(tǒng)科學(xué)范疇中，這種思想將被賦予新的內(nèi)涵，可以理解為人類圈也作為地球系統(tǒng)的一部分。一方面，地球氣候和環(huán)境變化，對人類的演化和文明進(jìn)程起到了決定性的作用。竺可楨于1972年就發(fā)表了《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》，其中主要的觀點(diǎn)就是中國朝代和經(jīng)濟(jì)興衰與氣候變化有很大關(guān)系。后人的各種古氣候重建記錄也不斷支持和豐富了這個(gè)觀點(diǎn)。通過海洋古溫度重建、湖光巖沉積物的冬季風(fēng)、洞穴石筍等各種記錄，都支持中國南北朝和宋元時(shí)期中國北方氣候整體變冷變干旱，這很可能是導(dǎo)致游牧民族在草原上的生存受到影響，而不得不往南侵占領(lǐng)中原地區(qū)的原因。以色列歷史學(xué)家尤瓦爾·赫拉利所著的《人類簡史》中，也認(rèn)為人類物種進(jìn)化、衰亡和社會文明的演化，都受到自然環(huán)境的強(qiáng)烈影響。另一方面，人類也在顯著地改變著地球環(huán)境，比如導(dǎo)致澳洲、美洲的大型動物滅絕，耕地和農(nóng)作物大規(guī)模改變地表環(huán)境等。隨著人類改造自然的能力越來越大，人類活動對地球系統(tǒng)的影響也越來越大。

在課堂上，通過講解古海洋學(xué)中的冰芯記錄、海洋pH值重建、珊瑚記錄等，對比近一百年和過去幾千年的變化，可以讓學(xué)生更清晰地看到南北極冰川加速消融、海洋酸化、珊瑚白化等問題，深刻理解人類圈已經(jīng)成為地球圈層非常重要的一個(gè)圈層，甚至已經(jīng)影響到了其他圈層，如大氣圈和水圈的運(yùn)動了。

該部分教學(xué)內(nèi)容涉及了較多歷史、人文和考古的知識，采取的教學(xué)方式也比較靈活，包括觀看紀(jì)錄片片段、介紹課外讀物、課堂討論等多種形式。通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生將自然科學(xué)和人文科學(xué)結(jié)合，強(qiáng)化馬克思唯物主義和辯證法觀念，學(xué)會將人類活動置于地球系統(tǒng)之中考慮，將中國古代的“天人合一”思想賦予更科學(xué)的涵義。

五、蝴蝶效應(yīng)——地球系統(tǒng)的非線性

地球系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有非線性。對非線性的形象描述，莫過于蝴蝶效應(yīng)：一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風(fēng)。非線性也是目前人類對氣候變化進(jìn)行預(yù)測最大的難點(diǎn)。因?yàn)榈厍蛳到y(tǒng)的某個(gè)變量的變化，會導(dǎo)致怎樣的結(jié)果，往往是受控于其他各種因素的相互作用。例如，在講解火山活動與氣候變化的關(guān)系時(shí)，首先向?qū)W生提出一個(gè)問題：火山活動會導(dǎo)致氣候變冷還是變暖，為什么？通過課堂辯論，學(xué)生的意見會分為兩種：第一種認(rèn)為火山活動會導(dǎo)致變冷，因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)的大量火山灰和氣溶膠進(jìn)入對流層上層甚至平流層，阻擋太陽光到達(dá)地面;第二種認(rèn)為火山活動會導(dǎo)致變暖，因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)大量的二氧化碳?xì)怏w屬于溫室氣體，會增加溫室效應(yīng)。經(jīng)過一定的討論后，學(xué)生會意識到火山活動對氣候的影響，可能有兩種截然不同的方向，究竟會導(dǎo)致氣候變冷還是變暖，要放在不同的時(shí)間尺度考慮，在幾十年的短時(shí)間尺度氣候會變冷，而如果火山大規(guī)模噴發(fā)在幾百年到萬年尺度就會因?yàn)闇厥覛怏w的增加而變暖。

該部分知識的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)是讓學(xué)生認(rèn)識到地球系統(tǒng)的復(fù)雜性和非線性，能夠辯證地去分析地球科學(xué)中的現(xiàn)實(shí)問題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，這有助于學(xué)生以后在工作崗位上面對復(fù)雜的非線性問題時(shí)，能做出更科學(xué)的決策，提出合理的解決方案。

六、結(jié)語

地球系統(tǒng)科學(xué)是將地球各圈層作為一個(gè)整體系統(tǒng)來研究的新興交叉學(xué)科，它是各學(xué)科發(fā)展到高級階段的必然選擇。而當(dāng)今世界面臨的各種地球和環(huán)境問題，也亟須從地球系統(tǒng)的角度去分析和解決。古海洋學(xué)是地球科學(xué)各分支中最具有“系統(tǒng)科學(xué)”特質(zhì)的學(xué)科，應(yīng)以古海洋學(xué)本科課程為契機(jī)，在教學(xué)中結(jié)合各種教學(xué)手段，努力培養(yǎng)學(xué)生的地球系統(tǒng)科學(xué)思維，這樣才能為國家和社會培養(yǎng)具有系統(tǒng)科學(xué)視野，能夠自主提出問題、分析問題和解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新性人才。

[責(zé)任編輯：陳明]