1、地球科学概论孙立广中国科技大学地球与空间科学学院本堂课内容1. 地球科学的目标2. 为什么学习“地球科学概论”3. 地球科学的科学位置与框架4. 应用地球科学5. 地学发展简史6. 地球科学发展趋势7. 中国地球科学的发展现状8. 环境科学9. “十五”期间优先资助领域 10. 极地科学1. 地球科学的目标四大起源问题判断：求知欲与生存的需要学科建设：在边缘上寻找生长点“问题地球科学 ”2. 为什么学习“地球科学概论”基本素质的需要宏观更宏微观更微， “拆 0”与“组装”建立科学的思维方式值得一学吗？认识.关心.重建.拯救3. 地球科学的科学位置与框架科学的概念致知在格物，格物而后知玉. -礼
2、记.大学天演论严复将 science 译为科学。什么是科学？ 什么是科学？百科全书：科学是对现实世界规律的不断深入认识的过程。爱因斯坦：设法将我们杂乱无章的感觉经验加以整理，使之符合逻辑上前后一致的系统。李政道：科学是对自然现象的准确抽象。框架地球科学框架固体地球科学：地质学，地球物理学，地球化学，大地测量学大气科学：大气物理，大气化学，大气动力学海洋科学土壤科学环境科学C.S.HComposition(组成):岩石学.矿物学 .地球化学.同位素地球化学.Structure(构造) ：地球物理学.构造地质学.全球构造.History(历史)：地史学.古生物学 .全球变化.4. 应用矿床学工程地
3、质学地震地质学环境地质学5. 地学发展简史1735 年 Geology-1790 课堂水火不相容： Hutton 火成论Werner 水成论均变与灾变：C.lyell 1830地质学原理Cuvier (灾变论)固定论与活动论：Wilson 学术论争 学术论争的必要性 非学术论争的不必要性6. 地球科学发展趋势 全球化趋势：GIS 数字地球观测网络 数据共享层圈无国界 相互关联的整体系统多学科跨部门的综合研究：国际性研究计划世界气候研究计划（WCRP）国际地圈生物圈计划（IGBP）全球环境变化的人类因素计划（HDP）国际岩石圈计划（ILP）深海钻探计划/大洋钻探计划（DSDP/ODP）全球海洋生
4、态系统动力学研究（GLOBEC）世界大洋环流实验计划（WOCE ） 学科之间的交叉:2.7K,质子加速器 界面过程的研究:Sr/Ba,海-气交换，水岩，冰上、冰下6. 地球科学发展趋势(续)研究功能社会服务（研究功能的动力）:找矿，社会型，环境型，气象计划关键区域：南北极，青藏高原，黄土高原，洋脊，地幔热柱，大陆架和大陆内部的碰撞带典型现象：厄尔尼诺，酸雨，臭氧空洞，海平面变化，洋底锰结核，黄土，温室效应 CO2 280-353ppm (1800-1990)N2O 285-315ppbv (1800-1999)CH4 0.7-1.72ppm (1800-1990)6. 地球科学发展趋势(续)从
5、数值模拟向预测发展高新技术的应用: 遥感，深部探测非线性应用：0.618 在地学上的局限性微观地球科学：电镜，隧道电子显微镜，分子生物学，纳米科学，同步辐射加速器，质子加速器。地球科学的革命板块构造有待微观地球科学的发展：分子古生物学，结构矿物学，纳米环境地球化学，元素和同位素地球化学等。6. 地球科学发展趋势(续) 行星科学，月球地质学与空间发展计划协调人与自然关系：环境地质，环境地球化学，环境工程地质三门峡大坝的警示作用15.3 亿吨（1960） ，淹地 25 万顷，50 亿吨（1962）黄万里 -小人物：温善章（1956）758 事件板桥.石漫滩水库.6 亿 m37. 中国地球科学的发展
6、现状8. 环境科学环境科学的研究对象是与人类活动有关的自然环境质量的变化，环境科学是探讨人类社会生态与自然生态的相互作用与平衡的科学。 9. 地球科学的优先发展领域 (1) 全球变化及其区域响应 (2) 地球环境与生命过程 (3) 天气、气候系统的物理动力学 (4) 大陆动力学 (5) 区域可持续发展 (6) 日地空间环境与空间天气 地球系统探测新原理与新技术 10. 极地科学 全球变化海平面变化；气候与生态演变；人类活动污染记录南极地质状况与矿产探查北极研究二部分第二章 宇宙演化宇宙尸佼的宇宙：四方上下，宇 古往今来，宙民歌的宇宙：天似穹庐，笼罩四野霍金的宇宙：无边界有限宇宙马克思的宇宙：时
7、空无限1. 盘古开天，创世纪与无中生有传说与神话宗教将神话加工成教义 圣经 开宗明义： “起初，神创造天地，地是空虚混沌，渊面黑暗。 ”“神说要有光就有了光，神看光是好的，就把光暗分开了。神称光为昼，暗为夜。有晚上，有早晨，这是头一日。 ” 空气，海，地，太阳，众星，大鱼，飞鸟 牲畜，昆虫和野兽，第七日 人易关于宇宙我们都知道了 阴阳两仪变化阐释宇宙万物的变化法则： 无极生太极，太极生两仪 两仪生四象，四象生八卦，以至无穷 （见下页图）程伊川：阴阳分离就不再有道，形成阴阳 的因才是正道。 阴阳是气 形而下； 道是形成阴阳的理 形而上。朱熹：无极而太极。 太极是阴阳的因，是无极。老子：无，以无为
8、有道； “无”中生有 裂变 演化2. 宇宙观与宇宙学的两类时空假定：宇宙是有起源的，是有限的问题：？回答：宇宙是无限的，在时空两个方面 被打击的教会和教会的打击 如哥白尼，伽利略，布鲁诺上帝在科学的宇宙中找到了自己的地盘“无产阶级”将宇宙学当成了活靶子 它与奥德斯丁站在了一起。 科学的傲慢不能校正常识的偏见。* 我的宇宙观：宇宙是时空无限的* 我们目及的宇宙：有限无边？ 宇宙学家可以把目及的宇宙一直追溯到时间的地点，把全部的物质反演回这个起点所在的空间。3. 科学对宇宙的认识过程 宇宙或创世以来没有改变过 无限的宇宙从来都是如此 “变”证据在积累， 19 世纪以来 地质学证明：岩石的形成，化石
9、 Boltzmann 的热力学第二定律： “宇宙中无序度的总量（由熵测量）随时间增加”，宇宙只能运行有限的时间。 否则：无序！恒温 -稳衡态宇宙的提法稳衡态宇宙论宇宙空间中，由连续产生的物质将会形成新的星系，每 5 千亿年在一升体积内将创造出一个氢原子。困难：1. 万有引力 -引力佯缪 牛顿的哲学思考：一个无限的恒星集合不会落到一起。因为不存在可供它们落下去的中心。 2. 光度佯缪（奥尔勃斯佯缪） 恒定不变的宇宙存在很多困难，但是直到二十世纪初叶，谁也没有想过：“宇宙也许是随时间演化的”。牛顿，爱因斯坦也不例外。 牛顿的引力场: 空间爱因斯坦（1905 ）狭义相对论：时间空间（背景） ，时空中
10、的宇宙事件。 1915 年，广义相对论引入一个新概念：“引力不仅仅是在一个固定的时空背景里作用的力，引力还是由在时空中物质和能量引起的时空畸变。 ”“物质的运动可以弯曲时空”。 时空中的炮弹，行星，光线； 宇宙弯曲-宇宙失衡 宇宙中项-永远持续下去的静态宇宙模型弗里德曼证明了： 相对论 膨胀的宇宙哈勃的发现，大爆炸宇宙模型 4. 哈勃发现了非稳衡宇宙红移（见图）多普勒效应 1929 年，24 个星系，d 已知 V=Kd ; V=Hod Ho =150km/秒.千万光年5. 2.7K 的发现1925 年，贝尔实验室 央斯基 最大的无线电干扰-射电辐射源 射电天文学 3 万个射电源 “类星体，脉冲
11、星，3K ，星际有机分子谱线”普：R.H 迪克 60 年代寻找 5K. 1962 年，彭齐亚斯，威尔逊 1964 年，排除噪声 1965 年 1978 年获诺贝尔物理学奖 “他们的发现是一项根本性的发现，它使人们很有可能得到关于很久以前-在宇宙形成时-所发生的宇宙变化过程的信息。 ” 意外- 偶然 -必然6. He 的丰度 预言：天体 He 丰度为宇宙 成分的 26% 7. 天体年龄8. 宇宙事件宇宙的时间历程9. 宇宙的结局“凡是形成的东西都是要灭亡的。 ” 宇宙有起源，宇宙有终结；“杞人忧天”预言并非都是骗局 关键是宇宙的平均密度 取决于将行星系拉回来的引力的大小 引力取决于：宇宙中物质总量，宇宙半径哥白尼原理宇宙中没有任何一点具有优越性，所有的位置都是平权的。有限的无边宇宙没有中心。
