“科学之光”——自然地理学:认识地球表层系统的科学

发布者:本科生院教育教学发展与评估中心发布时间:2024-10-24浏览次数:10

    20241017日下午,地理与海洋科学学院院长鹿化煜教授主持的《科学之光——自然地理学新发现》课程开课。

    自然地理学是什么?授课开始,鹿化煜教授用几张自己在飞机上拍摄的相片作为切入点,生动地展示了从乌鲁木齐到南京一路上见到的自然地理景观的变化,引入了自然地理要素的分布具有空间结构的特征,让同学们体会到自然地理学并不陌生。随后,鹿老师介绍了自然地理学的关键概念,自然地理学是关于地球表层自然要素的空间特征、变化规律及其机制的一门学科,是地理科学的三个分支学科之一,亦是地理科学的基础学科。地球表层自然要素,包括了地貌、气候、水文、土壤、植被、冰冻圈等,而空间时间变化规律则是地理学研究中的重要议题。

    接着,授课重点围绕全球变暖这一备受关注的科学问题,讲述不同时间尺度上,全球气候的变化规律及其成因机制。

    在器测时间尺度上,过去144年的记录显示,全球的气温呈现波动上升的趋势;今年3月世界气象组织发布的2023年全球气候状况报告称,2023年是仪器观测以来最暖的一年。其背后的原因是全球大气CO2浓度不断上升,温室效应增强。政府间气候变化专门委员会IPCC)报告揭示,地球正在变暖,而地球变暖是人类活动造成的。气候变化为人类的生存发展带来了诸多挑战,如热浪频发、农业与生态干旱加剧、珊瑚死亡等等,人类活动正在改变气候变化这一行星尺度要素的阈值。

    其实,早在人类大量排放CO2之前,甚至人类出现之前,地球的气候系统也是不断变化的。从过去80万年的南极冰芯记录中,科学家们通过氢同位素的变化重建了古温度,利用气泡中捕获的过去空气重建了古大气CO2浓度,结果显示,气温与CO2含量在万年-十万年尺度(轨道尺度)上呈现周期性波动的变化特征,且气温与CO2浓度的变化同步,CO2浓度从180 ppmv增加到290 ppmv伴随着地球表层系统从冰期(冷期)到间冰期(暖期)的巨大改变,海平面下降100多米、生物地带性迁移数百公里、北美洲北部被巨大的冰盖覆盖、古人类随之发生长距离迁徙或者演化等。在轨道尺度的气候变化周期中,我们正处于温暖的间冰期,但在更长的百万年尺度(构造尺度)上,我们当前所处的第四纪是一个较为寒冷的阶段,五百万年前的上新世,北极尚未被冰盖覆盖;五千万年前的早始新世,全球气温较现代高十余摄氏度;九千万年前的中白垩纪,全球平均气温较现代高约二十摄氏度。在构造尺度与轨道尺度上,温度与大气CO2含量的变化均具有较好的相关性,但究竟谁是谁是,谁是触发源仍不甚明了。除了温室效应外,太阳辐射能量输入的变化也能够改变大气辐射收支与全球气候变化。著名的米兰科维奇理论认为,地球轨道参数的变化能够引起地球表面接收的太阳辐射量随区域和时间发生变化,从而驱动轨道尺度的气候变化。

    当今世界与中国都在密切关注气候变化及其影响,但气候变化并不仅仅是自然科学的议题。为减缓气候变化,人类需要减排多少碳,各个国家的碳排放权如何分配,不仅在科学认识上有较大的不确定性,在政治经济利益方面也有很大的分歧。应对全球变暖,需要自然地理、人文地理、地理信息、社会经济、文化历史等等多学科共同的努力。

    接着,鹿老师向同学们介绍了南京大学地理与海洋科学学院在气候变化科学方面的一些工作。从南大地学创始人竺可桢先生的《东南季风与中国之雨量》,到南大校友刘东生先生在黄土与轨道尺度气候变化科学的研究。再到近年来,学院师生在亚洲粉尘排放与冰期气候起源的研究等,不断加深对气候系统的认识,为预测未来气候变化服务。

    最后,鹿老师从气候系统的能量收支平衡帮助同学们分析了气候变化的物理基础,指出现在的气候变化与大气CO2含量关系的科学研究,在1896年阿伦尼乌斯发表的关于CO2温室效应的论文就有体现;迄今,谁在驱动冰期-间冰期旋回大气CO2的变化?海洋-土壤-植被-风化的碳库转化速率是多少?仍是等待探索与解答的前沿科学问题。

    在课程的最后,鹿化煜教授耐心地解答了同学们的问题,通过这些回答,不仅加深了同学们对自然地理学的理解,他还鼓励同学们怀着好奇心不断探索未知世界。未来,或许正是他们中的某一位能够找到这些自然地理学问题的答案。

                                                                    采写:邵可涵,罗凯  摄影:罗凯