地球系统科学与地球系统科学研究的核心问题

第一节　现代地学

真理就具备这样的力量，你越是想要攻击它，你的攻击就愈加充实和证明了它。

——伽利略（意大利）

地学是对以我们所生活的地球为研究对象的学科的统称，通常有地理学、地质学、海洋学、大气物理、古生物学等学科。20世纪以来，由于科学技术手段的迅速发展为地质学研究提供了先进的技术手段，再加上其他各门学科特别是物理学、化学向地学的渗透，使现代地学迅速发展起来。

（一）地壳构造理论

（1）大陆漂移学说

图6-1　魏格纳

对这理论贡献最大是德国物理学家魏格纳（A.L.Wegener，1880～1930年）。在《海陆的起源》这本书中他认为大陆本来相连，后来由于地球内部的不均匀引起地球自转速度的变化，使地壳在软流层上漂流离开而形成现在的几大洲。促使大陆漂移的动力来自两个方面：一是由于地球自转而产生自赤道向两极的赤道力；二是太阳和月亮的吸引而来的自西向东的推动力。但由于20世纪上半叶并没有直接证据证明大陆漂移，也无法解释使大陆漂移究竟是什么力，因此受到“大陆固定论”者的攻击。为了证明自己的理论，他于1929年、1930年先后两次去格陵兰考察探险，后来由于疲劳过度，心力衰竭，不幸于1930年11月1日遇难，为科学献出了自己的生命。

（2）海底扩张学说

1961年，美国普林斯顿大学的赫斯（H.H.Hess，1906～1969年）等人提出了海底扩张学说。该学说认为，海底以大洋脊为中轴，不断地向两侧扩张。当扩张到海沟时，又重新下沉，钻入地幔之中，被海底吸收。海底扩张说就像传递带一样运转，海底不断更新，大陆同海底一起在地幔对流体上漂移。海底扩张说进一步支持了大陆漂移说，很好地解决了漂移的机制问题。该理论提出不久就得到一系列有力的证据的支持。

（3）板块构造学说

图6-2　海底扩张示意图

图6-3　板块示意图

在大陆漂移、地幔对流和海底扩张假说的基础上，综合海洋地质学和大陆地质学研究成果，又诞生了板块构造学说。在1968～1969年，由美国的摩尔根（W.J.Morgan，）、法国的勒比雄（X.Lepichon）、英国的麦肯齐（D.P.Mckenzie）等人提出。该学说把地球岩石圈分为欧洲、非洲、大洋洲、南美洲、美洲和太平洋六大板块，他们认为板块是位于软流层上的刚性块体，板块在大洋中脊处增生，在海沟处消减；板块的边界处是构造活动最活跃之处，板块之间的相对运动是全球构造的基本原因。该学说提出后，已得到越来越多的验证，引起了地球观念的大变革，为探索地质运动规律开辟了新的途径。但它也有不足之处，例如对板块运动的驱动力问题、地幔对流的证据问题、大陆板块内部的地学特点等还不能给予很好的说明。

（二）地球系统科学和环境科学

（1）地球系统科学

地球系统科学将地球大气圈、水圈、岩石圈、生物圈作为一个相互作用大系统，研究其间的物理的、化学的和生物的过程，并和人类生活、生产联系起来，最终揭示全球变化规律，提高人类认识和预测全球变化的能力。全球变化是地球系统科学研究的核心问题，包括温室效应、海平面上升、海岸线变迁、湖泊变迁等自然环境变化，森林、草地、湿地、水体叶绿素等生物量变化，以及工业化、城市化等人类活动的生态效应。

（2）环境科学

环境科学是指研究人类活动引起的环境质量变化及其保护方法、手段的科学。它是由生物学、地学、化学、物理学、医学、社会科学和工程技术等学科组成的一个综合性学科。其主要任务是：

①探索全球环境变化的规律，了解环境质量的结构和基本特征，以及它的变化过程和影响，以便应用这些知识使自然环境向有利于人类的方向发展，避免对人类不利的变化。

②揭示人类与自然之间相互关系的规律性，以便协调经济、社会发展与环境保护的关系，实现人类社会持续发展。

③探索人类活动引起的环境质量变化，以及这种变化对人和生态系统影响的规律性，为保护人体健康和维护生命、维持系统服务。

④应用环境科学的研究成果，开发环境保护工程技术，为区域乃至全球环境污染综合防治和生态保护提供物质技术基础和科学管理设施，建设人类良好的自然生态。

在人类改造自然的过程中，为使环境向有利于人类的方向发展，避免向不利于人类的方向发展，就必须了解环境变化的过程，包括环境的基本特性、环境结构的形式和演化机理等。

人类生产和消费系统中物质和能量的迁移、转化过程是异常复杂的。但必须使物质和能量的输入同输出之间保持相对平衡。这个平衡包括两项内容，一是排入环境的废弃物不能超过环境自净能力，以免造成环境污染，损害环境质量；二是从环境中获取可更新资源不能超过它的再生增殖能力，以保障持续利用。因此，社会经济发展规划中必须列入环境保护的内容，有关社会经济发展的决策必须考虑生态学的要求，以求得人类和环境的协调发展。

环境科学主要是运用自然科学和社会科学的有关学科的理论、技术和方法来研究环境问题。在与有关学科相互渗透、交叉过程中形成了许多分支学科。属于自然科学方面的有环境化学、环境生物学、环境化学、环境物理学、环境医学、环境工程学；属于社会科学方面的有环境管理学、环境经济学、环境法学等。

①环境地学以人——地系统为对象，研究其发展、组成及结构、调节和控制、改造和利用的科学。

②环境生物学以研究生态系统为核心，向两个方向发展：从宏观上研究环境中污染物在生态系统中的迁移、转化、聚集和归宿，以及对生态系统结构和功能的影响；从微观上研究污染物对生物的毒理作用和遗传变异影响的机理和规律。

③环境化学主要是鉴定和测量化学污染物在环境中的含量，研究它们的存在形态和迁移、转化规律，探讨污染物的回收利用和分解成为无害的简单化合物的机理。它有两个分支：环境污染化学和环境分析化学。

④环境物理学研究物理环境和人类之间的相互作用。主要研究声、光、热、电磁场和射线对人类的影响，以及消除其不良影响的技术途径和措施。声、光、热、电、射线，为人类生存和发展所必需。但是，它们在环境中的量过高或过低，就会造成污染和危害。

⑤环境医学研究环境与人群健康的关系，特别是研究环境污染对人群健康的有害影响及其预防措施，包括探索污染物在人体内的动态和作用机理，查明环境致病因素和致病条件，阐明污染物对健康损害的早期反应和潜在的远期效应，以便为制定环境卫生标准和预防措施提供科学依据。环境医学的研究领域有环境流行病学、环境毒理学、环境医学监测等。

⑥环境工程学是运用工程技术的原理和方法，防治环境污染，合理利用自然资源，保护和改善环境质量。主要研究内容有大气污染防治工程、水污染防治工程、固体废物的处理和利用、噪声控制等，并研究环境污染综合防治，以及运用系统分析和系统工程的方法，从区域环境的整体上寻求解决环境问题的最佳方案。此外，环境工程学还研究控制污染的技术经济问题，开展技术发展的环境影响评价工作。

⑦环境管理学研究如何采用行政的、法律的、经济的、教育的和科学技术的各种手段调整社会经济发展同环境保护之间的关系，处理国民经济各部门、各社会集团和个人有关环境问题的相互关系，通过全面规划和合理利用自然资源，达到保护环境和促进经济发展的目的。

⑧环境经济学研究经济发展和环境保护之间的相互关系，探索合理调节人类经济活动和环境之间的物质交换的基本规律，其目的是使经济活动能取得最佳的经济效益和环境效益。

环境是一个有机的整体，环境污染又是极其复杂的、涉及面相当广泛的问题。因此，在环境科学发展过程中，环境科学的各个分支学科虽然各有特点，但又互相渗透，互相依存。

进一步了解地学的内容，请登陆：

http://www.ikepu.com/geography/geography-index.htm

http://www.bigm.com.cn/ocean/abc/abc303.htm

【思考题】

1.简述大陆漂移学说和板块构造学说。

2.简述环境科学的研究内容。