全球环境变化-课程大纲

兰州大学地理学基地课程教学大纲全球环境变化一、说明（一）课程性质该课程是国家理科基础科学与人才培养基地班地理学专业本科生高年级必修课程。（二）教学目的通过课程的学习，使同学了解在全球尺度上的由于自然和人为原因造成的环境变化问题的实质以及人类如何应对全球环境变化问题，回答以下问题：1．大气中CO2如何影响全球温度？2．什么决定了海面变化、海面变化怎么样海岸环境？3．大气组成、地球温度随时间是如何变化的？4．海洋、大气及陆地自然地理状况中决定气候时空模式的控制因子是什么？5．全球变暖的实质是什么？温室气体的来源是什么、如何控制？6．臭氧层空洞是如何产生的？如何保护平流层臭氧？7．酸雨和光化学污染产生的原因及防治？8．自然和人类迁移、人口增长是如何影响陆地环境的？9．全球尺度的自然灾变对于地球上一般生命及具体到人类的作用是什么？同时使同学熟悉环境变化研究领域的前沿科学问题，引导同学熟悉环境变化领域的专业外语词汇和科学论文英文写作，通过课堂训练和文献阅读，使同学基本掌握地球科学论文的英文写作技能，为独立完成所在领域的论文英文撰写奠定基础。（三）教学内容全球环境变化课程阐述了地表自然环境在历经了漫长的演化过程后，随着人类的出现和人类文明的高度发展，受到的人类活动深刻影响。阐明人类赖以生存的地表环境的自然演化过程、全球环境的控制因子（太阳辐射、大气、海洋、冰川等）的相互作用机理及其反馈机制、环境变化对人类社会已经或可能造成的影响和人类在发展过程中如何实现人类与自然协调相处等重大科学问题。首先了解全球环境的背景知识，如地球在太阳系中的形成、内部结构、表面特征、板块构造格局等；然后介绍地球环境形成演化过程中最重要的一环——大气圈的演化历史及其在地球温度变化中的作用，通过地球表面新生代以来温度变化了解全球环境的过去变化过程；在现代环境格局下，大气和海洋环流、海面变化及其环境效应是当代环境变化的重要组成部分；大气中二氧化碳、甲烷等温室气体含量的变化是近代以来全球温度升高的原因之一，温室效应的机理、温室气体的来源及其控制正是当前全球环境问题中各国家间争论的焦点；平流层（同温层）臭氧（O3）是太阳光线中紫外线的天然屏障，但是由于氟利昂（CFCs）的使用导致臭氧层的破坏甚至臭氧空洞的出现，对人类及地球表面生物的生存构成严重威胁，保护臭氧层也是当前全球环境问题的重要任务；化石燃料燃烧、工业废气的排放导致低层大气成分的改变，酸雨、光化学污染也成为严重的环境问题；人类迁移、人口增长导致的在区域开发、资源利用过程产生的环境问题也是全球环境问题不可忽视的方面；地球生命进化繁衍过程中还受到灾变（主要是大的地质灾害）的影响，灾变也会对地球环境产生重要影响，地质历史时期的灾变对全球环境造成的影响是未来可能灾变发生时对人类环境造成影响的类比。作为双语教学课程，教学内容还增加英文科学论文写作部分，介绍国际科学论文写作规范和要点、科学论文摘要写作示例，按科学论文摘要和综述论文分别进行课堂写作训练，评阅指导。（四）教学时数总学时数：54学分：3（五）教学方式多媒体双语教学（英文教材、英文讲授、中文辅导），课堂讲授与课外练习相结合。二、本文第一部分背景知识第一章变化中的地球教学要点：主要介绍全球环境的背景知识，如地球形成演化、内部结构、外部特征、板块构造等，介绍全球环境变化涉及的各个要素。教学时数：2学时教学内容：太阳系和地球的起源一、银河系及其子星的形成银河系及子星的年龄2.银河系的形成3.最初的成分二、太阳系1.恒星的形成2.太阳系是银河系中的星系3.太阳系中的九大行星4.行星的特征（质量、半径、密度、反射率等）地球内部结构一、我们是如何知道地球内部结构及其成分的结构的推断来自对地震学的研究内部的物质组成的推断来自对陨石的研究和试验二、内部结构地表：地壳外层：地幔内层：地核地球磁场一、地球磁场的产生二、地球磁场的概念三、地球磁场的特点地球表面特征一、表面特征的形成地球内能使陆地、海洋、山脉、火山等形成太阳能使空气、温度和生命得以维持的重要原因二、表面特征海洋和陆地=1\*GB3①海洋（洋脊、海底火山、深槽、还有平原和河流三角洲）=2\*GB3②陆地冰盖和岛屿山脉火山高原平原沙漠河流三、它们的分布范围及其原因板块构造一、板块运动的驱动力二、陆漂移学说的证据1.非洲和南美洲吻合得很好2.来自不同大陆的两块岩石有相同时代三、从大陆漂移理论（20世纪早期）到板块构造理论四、地表的七个主要板块和几个次生板块考核要求：掌握地球各圈层的结构、地球磁场极性与变化、表面各地貌类型特征专业词汇。第二章年代学教学要点：介绍记录环境变化的内在地质时钟、地球的年龄的计算、放射性时钟、放射性碳定年、岩石与陨石定年、太阳系与地球年龄、地壳事件定年等。教学时数：4学时教学内容：第一节环境记录中的内在地质时钟环境变化的年代记录有以下几种：树轮年代学原理方法包含的信息二、冰芯原理方法应用珊瑚原理方法3.包含的信息沉积物1.原理2.方法第二节外推法计算地球的年龄第三节放射性地质时钟一、基本概念.1.核种2.同位素二、放射性测年的原理1.放射性衰变的的基本法则： 其中表示随时间的变化率，N是在那瞬间出现的放射性核的数量，λ为衰变常数。也可表示为：N=N0e-λt其中e(e=2.718)2.半衰期λ=0.693/t(1/2)第四节放射性碳测年一、碳的起源，14C宇宙射线的产生H+(p)+atmosphereneutrons(n)n+14N14C+p14C+O214CO2放射性碳测年的可能性二、射性碳测年1.14C的半衰期是5730年(14C/12C)sample=(14C/12C)atmosphere×e-λt年龄,λ=0.693/5730y=1.21×10-4y-12.方法：常规方法：计算绝对的放射量AMS方法：测量14C的相对含量3.测年范围放射性测年的时间范围应限制在40000年之内第五节岩石和陨石的定年方法地质年代表：TheGeologicTimeScale代纪世距今时间（百万）新生代中生代第四纪全新世0.011更新世2.5第三纪上新世5.1中新世24渐新世38始新世55古新世65中生代白垩纪144侏罗纪200三叠纪250古中生代二叠纪285石炭纪-P320石炭纪-M360泥盆纪410志留纪440奥陶纪505寒武纪550元古代2500太古代最老的岩石太阳系的年龄40004550太阳系和地球的年龄第七节地壳事件定年与地质年表考核要求：掌握利用树木年轮、14C、及其它放射性同位素测年的原理和应用范围，熟悉年代学专业词汇。第三章大气圈演化教学要点：介绍现代大气组成、大气圈结构、辐射平衡与大气保温效应——“温室效应”、大气的起源、大气质量与组成如何随时间变化、大气中氧气的独特性以及大气的综合历史等。教学时数：5学时教学内容：第一节现代大气组成现代大气组成的原因现代大气组成大气中的两种主要气体=1\*GB3①气体：氮气、氧气=2\*GB3②形成2.第三种气体=1\*GB3①气体：氩(1%)=2\*GB3②形成3.其他气体与N2,O2，Ar.相比，其他气体的量相对很少海平面附近的干洁空气组成===============================================组分体积含量分子量===============================================氮气78.08428.0134氧气20.947631.9988氩气0.93439.948二氧化碳0.031444.00995氖气0.00181820.183氦气0.0005244.0026氪0.00011483.80氙0.0000087131.30水蒸气0.000052.015944.H2O和CO2=1\*GB3①在大气中的作用=2\*GB3②形成及其影响因素第二节大气圈的结构对流层概念底层和顶层的对比发生的天气现象对全球变化研究的意义平流层。概念高度范围逸散层热层第三节辐射平衡与大气的保温——温室效应太阳光线的组成可见光红外线紫外线二、地表接受的主要射线温室气体形成主要气体（H2O和CO2）辐射平衡概念产生的影响第四节大气的起源大气层是如何形成的稀有气体解释依据二、解释大气和海洋历史证据来源和太阳相比，地球表面地表H同位素D和2H的比值高地表C、H比例相当高大气层中的稀有气体相当丰富。三、地球上大气的起源1.地球增长时包围的气体和在太阳中的大致平衡。2.万有引力使地球保留了一定的气体。3.当地球达到现在的规模，已分离成铁质的地核和硅酸盐的地幔，是火星碰撞的结果。4.大气层的暂时高温（高达16,0000K），使原始大气层和上地幔的大部分气体离开星球。5.早期大气层主要是水蒸气。后辐射冷却凝结进入海洋，那时和海洋超过了现在的规模。6.太阳系的物质中由于C与H较低。CO2和CH4，可能像H2O、Ne或Ar一样,产生C的气体在发生碰撞时离开地球。7碳质球粒状陨石给地球C，氧化后变成CO2再升温。8.岩石表面Na、K、Mg、Ca这些阳离子和水中的H+交换后成碱溶液，从而吸收空气中的CO2来减少大气层中的CO2含量。9.随着温室气体的减少，地表温度增加到了适合生命出现的程度。早期像这样的适温细菌出现。10生命出现后氧气增加。大气的质量与组成如何随时间变化第六节大气中氧气的独特性第七节大气圈的综合历史考核要求：掌握大气圈的组成、结构、演化历史和大气的温室效应，熟悉掌握与气候变化有关的专业词汇。第四章自然灾变与生命史教学要点：介绍地质记录的灾变事件、星外物体与地球撞击和白垩纪——第三纪界限、古生代与中生代界限上的物种灭绝、未来可能的灾变等。教学时数：4学时教学内容：第一节地质记录中的地质事件关于地球上生命史的几种观点岩石水成论火成论达尔文的进化论灾变论的提出引起灾变的三种基本因素大陆冰川火山喷发星外天体第二节星外天体对地球的冲击——白垩纪—第三纪（中生代—新生代）界限中生代末新生代初发生了自然灾变对引起这种灾变的原因探讨物种之间的竞争微生物作用行星际的影响=1\*GB3①如何判断这种影响=2\*GB3②为何在白垩纪—第三纪引起灾变.三、与地球撞击而导致物种大量灭绝的原因这种撞击使尘埃、水和气体被吹到了大气中.彗星中的碳化合物转变成了窒息生命的氰气释放大量CO2到大气层中石灰石溶解4.引起一些短期的环境事件，如酸雨和森林火灾第三节古生代——中生代（二叠纪—三叠纪）界限的物种灭绝二叠纪—三叠纪界线初大量物种灭绝对引起这种灾变的原因探讨单独的陆块出现玄武岩大量涌出大气中含硫的悬浮微粒第四节未来的灾变未来是否有可能再次发生灾变事件1.两种观点2.提出理由人类活动所造成的危害考核要求：了解地球在地质历史上曾经经历的灾变及其对地球生物的和人类的影响。第二部分全球环境变化问题第五章地球温度随时间的变化教学要点：阐述地球表面新生代（6千5百万年以来）的温度变化、晚新生代的大陆冰川作用、深海记录的过去250万年中的冰期、冰期旋回与地球的轨道行为之间的联系、全新世以来的温度变化等。教学时数：5学时教学内容：地表温度有以下三个因素决定：太阳的绝对辐射量行星的反射率温室气体的大气组成第一节新生代（过去六千五百万年以来）的温度变化来自陆地和海洋的记录氧同位素如何纪录温度变化化学键氧的两种稳定同位素18O和16O=1\*GB3①H218O和H216O在温度上表现明显=2\*GB3②碳酸盐溶液中18O和16O的分配与温度有关A.同位素交换平衡常量与温度有关的因素a溶解平衡常量Ksp(T)=[Ca2+]×[CO32-]b同位素交换平衡常量BCaCO3中O-18/O-16与热水的温度关系：T(℃)=16.9–4.2(δ18Oc-δ18Ow)+0.13(δ18Oc–δ18Ow)2=3\*GB3③在高纬度的雪地和海洋中的18O/16O不同的原因三、为什么地球的温度在过去的650亿年增加了15℃第二节晚新生代的大陆冰川作用一、山谷冰川的出现时间及其推断依据大陆冰川的形成第三节深海沉积记录的过去二百五十万年以来的冰期如何从深海沉积物推断大陆冰川有孔虫目推断方法适用范围（以北大西洋高纬地区为例）第四节冰期旋回与地球轨道行为的联系一、.轨道驱动力气候旋回二、冰期——间冰期旋回（图4-12,79）三、米兰科维奇理论第五节过去11000年来的温度变化南中国海的温度纪录（PinxianWangetal）20007'N,117003'E;1727m水深一、新仙女木事件二、全新世（图4-14,83）三、中世纪暖期四、小冰期五、20世纪变暖（图4-15,84）考核要求：熟悉掌握地球表面温度在新生代以来的变化过程，理解晚新生代以来的大陆冰川作用和冰期旋回，理解与地球轨道参数变化相联系的地球表面温度的变化机制，熟悉冰期旋回、轨道参数相关的专业词汇。第六章大气与海洋环流教学要点：介绍全球的大气环流、海洋环流、海洋—大气耦合驱动的年际气候年变化等。教学时数：5学时教学内容：第一节大气环流形成大气环流的原因地球表面大气环流状况(图5-2,89).第二节海洋环流第三节海洋—大气耦合环流驱动的气候年际变化温度特征的描述季风气候概况1.概念2.形成季风气候的三要素3.季风气候的特征4.发生的区域5.季风气候形成机制(图5-8,98)=1\*GB3①冬季风=2\*GB3②夏季风三、东亚季风概念形成的原因发生的区域研究现状厄尔尼诺和南方涛动1.厄尔尼诺2.南方涛动考核要求：熟悉掌握全球大气、海洋环流机器在气候变化中的作用，理解季风气候和厄尔尼诺的成因，熟悉与气候变化相关的专业词汇。第七章海面变化教学要点：介绍潮汐周期、区域海面变化测量、世界范围的海面变化原因、过去1万8千年以来的海面变化、过去13万年以来的海面变化、海面变化的海岸效应、未来海面升高的相关问题等。教学时数：4学时教学内容：第一节潮汐潮汐基本概念形成机制海啸概念产生的影响第二节海面变化的区域测量影响海平面变化的因素区域性的变化=1\*GB3①区域地质作用=2\*GB3②大陆冰川融化世界范围的变化地壳均衡理论概念机制第三节世界范围的海面变化原因一、大陆冰川的冻融海洋的涨落板块构造第四节过去18,000年以来的海面变化过去18,000年以来的海面变化情况推测的证据造成这种变化的原因第五节过去130,000年以来的海面变化一个冰期旋回（表6-6,111）第六节海面变化与海岸效应一、海岸线如何反映海面变化？二、海平面升高的影响是什么？海盆堆积海湾的形成岛屿的形成（图6-8,114）.第七节未来海面变化一、最近100年的海面变化变化情况引起这种变化的原因=1\*GB3①山谷冰川的退缩=2\*GB3②全球变暖=3\*GB3③人类活动二、对未来海面变化的预测两种观点=1\*GB3①海面将继续升高=2\*GB3②海面将下降事实依据=1\*GB3①南极洲（图6-11,119）=2\*GB3②格陵兰(图6-12,120)考核要求：掌握理解海面变化的原因和末次冰期旋回中世界海面的变化过程及其对人类环境的影响，熟悉海面变化与环境领域的专业词汇。第八章二氧化碳、甲烷与全球变暖教学要点：讲述大气中二氧化碳浓度的控制因子、过去15万年大气二氧化碳浓度的变化记录、更长时间尺度的大气二氧化碳浓度变化、甲烷在大气中的作用、人为导致大气二氧化碳增加的未来变化的气候模拟等。教学时数：5学时教学内容：第一节大气二氧化碳浓度的控制因子地球表面的碳库1.陆地=1\*GB3①沉积岩石=2\*GB3②石灰岩2.海洋二、大气二氧化碳浓度的控制因子1.海洋的温度2.海洋的PH第二节过去150,000年中大气二氧化碳浓度的变化记录一.冰芯中的CO2记录二.气候变化与CO2含量之间的影响关系两种可能性气候是怎么驱使CO2浓度变化的推论的依据三、大气CO2浓度的变化在海洋中的纪录如何理解冰期阶段CO2浓度的变化大气CO2浓度变化反映的信息第三节更长时间尺度的大气二氧化碳浓度变化一、过去1000亿年以来大气CO2浓度变化情况二、记录大气中CO2含量变化的因素1.海洋=1\*GB3①pH的来源=2\*GB3②板块构造2.生物3.山脉4.气候（图7-3,133）第四节甲烷概念及其在大气中的含量甲烷的重要性甲烷的来源化石燃料的燃烧沼泽是产生甲烷的重要场所（沼气的由来）人工湿地-稻田反刍动物消化过程生物燃烧四、甲烷浓度的变化影响因素变化机制第五节全球气候模拟（由于人为增加的）未来大气二氧化碳浓度变化GCMs法模拟结果考核要求：理解大气二氧化碳在地球表面温度变化中的作用和大气中二氧化碳在不同时间尺度上的变化过程，理解全球变暖的实质何原因，掌握全球变暖研究领域的专业词汇。第九章氟利昂与平流层臭氧教学要点：介绍平流层臭氧的保护作用、平流层臭氧浓度随时间变化情况、氟利昂的产生与南极臭氧空洞、世界范围内的臭氧减少、臭氧减少的后果等。教学时数：4学时教学内容：臭氧层的保护作用一、氧层的概念1.形成O2+hv→O+OO+O2→O32.特性二、臭氧层的保护作用1.臭氧耗竭两种机制影响臭氧耗竭的因素3.臭氧层的保护作用平流层臭氧浓度随时间的变化一、影响平流层臭氧含量变化的因素（图8-1，P146）季节2.纬度3.太阳辐射量二、“南极臭氧空洞”现象1.概念2.产生的原因第三节氟利昂与南极臭氧空洞氟利昂的形成为什么臭氧空洞会出现在南极南极地区的特殊环境ClO的形成和CFCs物质的增加第四节世界范围的臭氧消耗一、南极臭氧的损耗机制可应用到全球范围吗（图8-4，P150）在较低纬度不能产生南极模式的臭氧分解过程含氯的反应机制不是足够有效二、研究现状第五节臭氧消耗的后果臭氧消耗的后果（图8-5，151页）人类采取的措施臭氧消耗问题与全球变暖问题的对比考核要求：理解平流层臭氧对地球生物的保护作用、氟利昂对臭氧层的破坏机制和保护臭氧的举措，掌握臭氧与环境变化领域的专业词汇。第十章酸雨与对流层臭氧教学要点：介绍硫、氮化合物的释放与酸雨、光化学污染、对流层臭氧等问题。教学时数：4学时教学内容：第一节硫和氮化合物的排放与酸雨第二节对流层臭氧考核要求：理解酸雨的形成和对区域环境的影响，理解对流层臭氧的产生和对人类环境的影响，熟悉酸雨和环境变化领域的专业词汇。第十一章人类迁移、人口增长与环境变化教学要点：介绍农业起源与西方文明、大陆上的人类迁移与定居、人类迁移和人口增长对环境的冲击、水问题等。教学时数：4学时教学内容：第一节农业起源和西方文明第二节人类迁徙与陆地定居第三节人类定居对环境的影响考核要求：掌握人类演化过程中随着生产技术的提高人类文明演进的过程，人类从游牧到定居到现代文明的高度发展、人口的急剧增长对地球表面环境产生了深刻的影响。第十二章科技论文英文写作教学要点：介绍环境变化研究领域的科技论文的特点、结构和组织语言的规范和要点，熟悉环境变化领域的科学论文写作的程序和要求，科学论文摘要的写作技巧、科学论文撰写中各个部分的要求和注意事项等。教学时数：4学时教学内容：第十二章科技论文英文写作教学要点：介绍环境变化研究领域的科技论文的特点、结构和组织语言的规范和要点，熟悉环境变化领域的科学论文写作的程序和要求，科学论文摘要的写作技巧、科学论文撰写中各个部分的要求和注意事项等。教学时数