通過古海洋學教學培養學生的地球系統科學思想

孔德明 彭詩云

[摘要]為了培養學生的地球系統科學思想，為國家和社會提供高層次的地球科學人才，廣東海洋大學海洋科學專業開設了古海洋學本科課程。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的組成部分，是如何通過復雜的機制相互作用，并且表現出何種非線性關聯。在學習地球各圈層的相互作用的案例中，讓學生深刻體會地球系統的思想，學會辯證地研究復雜性問題。該課程的目標是通過學習和訓練，使學生具有較好的地球系統視野和思辨能力，在將來的工作崗位上面對重大氣候、海洋、環境問題時，能做出更好的科學決策。

[關鍵詞]古海洋學;氣候系統;地球系統科學;地球圈層;非線性

[中圖分類號]G64

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0062-03

古海洋學是海洋地質的一個分支學科，是根據海洋沉積物研究地質歷史時期的海洋各種物理和化學參數、生物生態、洋流運動、氣候變化的演變過程。古海洋學是一門新興的交叉學科，誕生于20世紀70年代的大洋深海鉆探。古海洋學發展40多年來，其內涵和研究范圍在不斷擴大。雖然不同學者對于古海洋學的準確定義有所不同，但現在普遍認為古海洋學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，時間范圍則跨越從海洋誕生至百年前。在研究古海洋學以及其他全球性問題的過程中，科學家逐漸發現難以將地球的某個部分或圈層孤立研究，各個圈層聯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空尺度過程存在著相互影響和制約的關系，同時每個圈層的結構、功能和行為都是地球系統在局部的反映;其中某一成分的變化都會引起其他成分的響應，這往往又是其他要素共同作用的結果。地球各圈層和要素之間的復雜聯系，促生了另外一門新的學科：地球系統科學。汪品先院士于2018年出版了《地球系統與演變》，其將地球海洋、氣候演變置于地球系統之中，突破地球圈層和學科界限，突出圈層間相互作用機理，成為地球系統科學的集大成之作。

地球系統科學是三十多年來隨著地球科學多學科交叉以及多圈層相互作用研究的進展而提出的一門全新的科學。地球系統科學是講地球各圈層和各部分作為一個有機系統研究對象，研究其在復雜的相互作用中運轉的機制、地球系統變化的規律和控制這些變化的機理。目前，我國的地球科學研究經過幾十年的積累，原始數據和發表的論文已經很多，但在把“論文和數據”變成“科學發現”方面還與發達國家有一定的差距。其中一個重要原因就是這些基于某點的成果，沒有被“深加工”成地球系統科學。出現這種局面，跟我國的考核過于注重論文數量有關，也跟本科生和研究生缺乏地球系統科學的思維訓練有關。而在古海洋學的研究中，始終貫徹著地球系統科學的方法和思想。廣東海洋大學（以下簡稱“本校”）海洋科學專業開設古海洋學課程以來，通過不斷摸索和實踐，在教授專業知識的基礎上，將該課程作為培養學生地球系統科學思想的有力切入點，努力培養具有地球系統科學思維的新時代人才，使他們能夠運用系統、整體和跨學科的方法，獨立地研究和解決復雜的地球和環境科學問題。

一、天地一體——天文因素與地球變化

古海洋學有別于傳統地球科學的一個最大特點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、星際物質撞擊等各種天文因素的影響。雖然這些因素在一個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，并對地球系統產生決定性的影響。

關于地球歷史氣候和海洋變化的一個重要理論，就是用來解釋地球曾經出現冰期—間冰期旋回的“米蘭科維奇”理論。該理論認為驅動地球發生冰期—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分布的變化。而導致這些輻射變化的天文因素，在于地球公轉軌道的偏心率、地軸傾角大小和地軸傾角進動（歲差）等的周期性變化。在講到米蘭科維奇理論的時候，需要對太陽系行星運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。

首先從天文學知識切入，向學生講解地球繞太陽運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，其公轉軌道的偏心率、地軸傾角和地軸傾斜方向會發生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的分布發生相應的周期性變化，然后通過北半球高緯度冰蓋覆蓋等一系列正反饋和負反饋作用，導致地球冰期—間冰期旋回的巨大變化。在講解該部分知識時，將播放太陽系行星運動的視頻，讓學生對地球軌道的變化有感性認識，然后板書和學生一起推導地球某個緯度單位面積接受太陽輻射量與地軸傾斜角直接的關系公式。通過該公式的推導，讓學生體會太陽系的微小變化會在地球上產生巨大的氣候影響，并影響到生物進化、人類文明的進程，認識到“天”和“地”是密切關聯的整體。

在學習幾十億到幾億年行星尺度的海洋變化時，涉及的一個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。地球的大陸板塊分離和聚合大概有2億～3億年的準周期，正好與太陽系在銀河系的公轉周期一致。該假說認為很有可能就是當太陽系運行至銀河系星際物質較密的區域，地球遭遇隕石撞擊的可能性變大，從而驅動了板塊的運動。在講解這部分知識點時，將播放關于墨西哥尤卡坦半島隕石坑的紀錄片片段，利用巨大隕石撞擊地球的視頻，讓學生感受星際物質對地球環境和氣候的巨大改變。這個知識點也能讓學生深刻認識到，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系統里相互影響的整體。

二、牽一發而動全身——海氣相互作用

在組成地球的各個圈層中，海洋和大氣都是流體，其物質的運動速度和復雜程度遠遠大于固體地球，也是對地球氣候產生最大和最直接影響的圈層。長期以來，海洋科學和大氣科學是分屬于獨立的學科，對于海洋與大氣之間的相互作用不夠重視。但在古海洋學學科中，古氣候的變化與海洋的變化有著密不可分的關系，洋流的變化一定與大氣環流有關，并且對其產生反饋作用。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候，首先通過多媒體課件，復習在海洋學導論課程中學過的溫鹽環流和大洋傳送帶理論，讓學生知道溫鹽環流的根本動力是大氣環流。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，和學生一起探索在冰消期的變暖過程中，曾經發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。在新仙女木事件時期，北半球高緯度平均溫度在短短50年內波動幅度達7℃。為了增加學生對這種巨大變化的感性認識，課堂播放災難電影《后天》的片段。然后通過課堂思考和討論的形式，讓學生清晰地認識該過程中的太陽輻射一冰川消融一溫鹽環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雜邏輯關系，體會作為地球系統的組成部分，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，屬于海洋的現象，南方濤動是東南太平洋和西太平洋大氣壓強蹺蹺板式的波動，屬于大氣的現象，但兩者是通過沃克環流密切聯系。在古海洋中，厄爾尼諾—南方濤動對全球很多地區的干旱—洪澇以及植被演化都產生了很大的影響。在學習該知識點時，讓學生反復練習推導，當南北半球信風、南北赤道流、秘魯上升流、東太平洋海溫、西太平洋暖池海溫、沃克環流等大氣或者海洋中的某一過程發生變化時，在全球其他地區的大氣或海洋中會產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，會導致上萬公里以外的東南亞降雨減少而出現嚴重干旱。一個是海洋現象，一個屬于大氣過程，但在地球系統科學里，卻將全球的海洋、大氣、陸地都系統地聯系在一起，任何變化都是“牽一發而動全身”，真正體現了地球系統科學思維的魅力。

三、滄海桑田——海陸相互作用

廣東海洋大學海洋與氣象學院具有“廣東省近海海洋變化與災害預警重點實驗室”，通過物理、化學和地質手段研究熱帶近海的海氣相互作用和海陸相互作用。在本課程的教學過程中，我們會以本學院的研究成果為例，體現地球歷史過程中的“海陸相互作用”。例如，介紹本學院教師利用長鏈烯酮、正構烷烴、碳氮同位素等指標，重建了末次冰盛期以來南海北部的海表溫度、陸源和海源有機質變化歷史。在2萬年前末次冰盛期的時候，全球海平面大概比現在低120米，南海北部的大部分陸架區都暴露成為陸地，珠江、紅河等大型河流的人海口也比現在前進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，南海變成內海，面積也大大減小，這些變化使得南海的洋流發生了非常顯著的變化。冬季風的增強，通過徑流和風力搬運到南海的陸地沉積物顯著增加，整個海洋生態結構和生產力都發生了巨大的變化，并被記錄在海洋沉積物中的有機標志物和同位素中。通過這部分知識的學習，學生既可以了解“滄海桑田”的海陸變遷，又可以理解陸地物質對海洋環流、海洋生態系統的巨大影響。

在長時間尺度上，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、阿爾卑斯山在內的大規模造山運動活躍，使得大量巖石暴露、風化。硅酸鹽質巖石的風化，會吸收大氣中的二氧化碳并轉化成碳酸鈣沉積，大氣二氧化碳的減少減弱了溫室效應。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。而冰蓋又進一步增加了對太陽光的返照率，導致全球更冷、全球海平面下降、大洋洋流系統變化。這部分知識將地質運動、大氣成分、海洋和冰川變化等多圈層因素密切聯系在了一起，非常典型地體現了地球是一個整體系統的思想。通過課堂討論和課后思考題等多種形式，讓學生反復玩味這些變化過程中的地球系統思想，可以讓學生將地球系統思想深刻植入大腦。

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系的樸素認識，而在地球系統科學范疇中，這種思想將被賦予新的內涵，可以理解為人類圈也作為地球系統的一部分。一方面，地球氣候和環境變化，對人類的演化和文明進程起到了決定性的作用。竺可楨于1972年就發表了《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》，其中主要的觀點就是中國朝代和經濟興衰與氣候變化有很大關系。后人的各種古氣候重建記錄也不斷支持和豐富了這個觀點。通過海洋古溫度重建、湖光巖沉積物的冬季風、洞穴石筍等各種記錄，都支持中國南北朝和宋元時期中國北方氣候整體變冷變干旱，這很可能是導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中原地區的原因。以色列歷史學家尤瓦爾·赫拉利所著的《人類簡史》中，也認為人類物種進化、衰亡和社會文明的演化，都受到自然環境的強烈影響。另一方面，人類也在顯著地改變著地球環境，比如導致澳洲、美洲的大型動物滅絕，耕地和農作物大規模改變地表環境等。隨著人類改造自然的能力越來越大，人類活動對地球系統的影響也越來越大。

在課堂上，通過講解古海洋學中的冰芯記錄、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成為地球圈層非常重要的一個圈層，甚至已經影響到了其他圈層，如大氣圈和水圈的運動了。

該部分教學內容涉及了較多歷史、人文和考古的知識，采取的教學方式也比較靈活，包括觀看紀錄片片段、介紹課外讀物、課堂討論等多種形式。通過這部分內容的學習，可以幫助學生將自然科學和人文科學結合，強化馬克思唯物主義和辯證法觀念，學會將人類活動置于地球系統之中考慮，將中國古代的“天人合一”思想賦予更科學的涵義。

五、蝴蝶效應——地球系統的非線性

地球系統的一個重要特點就是具有非線性。對非線性的形象描述，莫過于蝴蝶效應：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。非線性也是目前人類對氣候變化進行預測最大的難點。因為地球系統的某個變量的變化，會導致怎樣的結果，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系時，首先向學生提出一個問題：火山活動會導致氣候變冷還是變暖，為什么？通過課堂辯論，學生的意見會分為兩種：第一種認為火山活動會導致變冷，因為火山噴發的大量火山灰和氣溶膠進入對流層上層甚至平流層，阻擋太陽光到達地面;第二種認為火山活動會導致變暖，因為火山噴發大量的二氧化碳氣體屬于溫室氣體，會增加溫室效應。經過一定的討論后，學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，究竟會導致氣候變冷還是變暖，要放在不同的時間尺度考慮，在幾十年的短時間尺度氣候會變冷，而如果火山大規模噴發在幾百年到萬年尺度就會因為溫室氣體的增加而變暖。

該部分知識的學習，重點是讓學生認識到地球系統的復雜性和非線性，能夠辯證地去分析地球科學中的現實問題，同時培養學生解決復雜問題的能力，這有助于學生以后在工作崗位上面對復雜的非線性問題時，能做出更科學的決策，提出合理的解決方案。

六、結語

地球系統科學是將地球各圈層作為一個整體系統來研究的新興交叉學科，它是各學科發展到高級階段的必然選擇。而當今世界面臨的各種地球和環境問題，也亟須從地球系統的角度去分析和解決。古海洋學是地球科學各分支中最具有“系統科學”特質的學科，應以古海洋學本科課程為契機，在教學中結合各種教學手段，努力培養學生的地球系統科學思維，這樣才能為國家和社會培養具有系統科學視野，能夠自主提出問題、分析問題和解決復雜問題的創新性人才。

[責任編輯：陳明]