高中地球科學/地球科學及其分支
- 定義和描述地球科學作為一個擁有許多分支的通用領域。
- 識別地質學作為地球科學的一個分支，該分支涉及地球的固體部分。
- 描述海洋學作為地球科學的一個分支，該分支有幾個細分，涉及海洋的各個方面。
- 定義氣象學作為地球科學的一個分支，該分支涉及大氣。
- 瞭解天文學是地球科學的延伸，它考察太陽系和宇宙的其他部分。
- 列出地球科學的其他一些分支，以及它們與地球研究的關係。
地球是我們賴以生存的偉大星球。人類只是在最近才開始理解這個星球的複雜性。事實上，就在幾百年前，我們才發現地球只是浩瀚銀河系中的一小部分，而銀河系又是更大宇宙中的一小部分。地球科學研究地球的方方面面。我們的地球有熔化的岩漿、冰封的山峰、陡峭的峽谷和高聳的瀑布。地球科學家研究我們頭頂的高層大氣，以及我們腳下深處的地球核心。地球科學家研究地球上大陸一樣大的部分，以及像最小的原子一樣小的部分。在所有這些奇觀中，地球科學家力求理解我們賴以生存的美麗星球（圖 1.9）。
由於地球如此之大，科學如此複雜，地球科學家專門研究地球的一個很小的方面。由於所有分支相互關聯，專家們協同合作，共同解答覆雜的問題。讓我們看看地球科學中一些重要的分支。
地質學是研究構成地球的固體物質的學科。任何固體，比如岩石、礦物、山脈和峽谷，都是地質學的一部分。地質學家研究這些物體的形成方式、成分、它們之間的相互作用、它們如何侵蝕以及人類如何利用它們。地質學有如此多的分支，以至於大多數地質學家都成為某一領域的專家。例如，礦物學家研究礦物的成分和結構，比如石鹽（岩鹽）、石英、方解石和磁鐵礦（圖 1.10）。
火山學家勇敢地面對火山的高溫和熔岩。地震學家研究地震以及造成地震的地球力量。地震學家監測全球範圍內的地震，以幫助保護人民和財產免受傷害（圖 1.11）。對化石感興趣的科學家是古生物學家，而將其他星球的地質與地球地質進行比較的科學家被稱為行星地質學家。有些地質學家只研究月球。一些地質學家尋找石油，另一些則是土壤專家。地質年代學家研究岩石的年齡，並確定不同岩層的形成方式。地質學中有如此多的專業，以至於你幾乎可以想到與地球相關的任何東西，都會有相應的專家（圖 1.12）。
海洋學是研究海洋環境中所有事物的學科。地球表面 70% 以上被水覆蓋。大部分水存在於海洋中。近期的技術使我們能夠到達海洋最深處，但海洋的大部分仍然未被探索。有些人稱海洋為最後的疆域。但它已經是人類活動深深影響的疆域。隨著人口的不斷增長，我們正在以多種方式影響著海洋。過度捕撈導致魚類和其他海洋物種的數量急劇下降；汙染物正在汙染水域，溫室氣體導致的全球變暖正在融化厚厚的冰蓋。隨著海水變暖，海水膨脹，再加上冰蓋融化，導致海平面上升。
氣候學家幫助我們瞭解氣候以及它將如何響應全球變暖而變化。海洋學家研究廣闊的海洋，幫助我們瞭解水世界中發生的一切。與地質學一樣，海洋學也有許多分支。物理海洋學是研究海洋本身的過程，比如波浪和洋流（圖 1.13）。海洋地質學利用地質學研究海洋地震、山脈和海溝。化學海洋學研究海水中的天然元素和汙染物。
氣象學家並不研究流星，而是研究大氣！也許地球科學的這個分支名字很奇怪，但它對像人類這樣的生物非常重要。氣象學包括研究天氣模式、雲層、颶風和龍捲風。利用雷達和衛星等現代技術，氣象學家致力於預測天氣。由於預測技術的更加準確，氣象學家可以幫助我們為重大風暴做好準備，還可以幫助我們知道什麼時候應該去野餐。
氣候學家和其他大氣科學家研究整個大氣層，大氣層是圍繞地球的一層薄薄的氣體層。大部分大氣層位於距離地球表面約 10-11 公里的範圍內。地球的大氣層比火星的稀薄大氣層密度更大，火星的平均氣溫為 -63° C，而地球的大氣層不如金星的濃密大氣層，金星的大氣層中二氧化碳含量很高，導致金星非常熱，上層大氣還會降下硫酸雨。地球的大氣層密度適中，足以使赤道到兩極之間的溫差均衡，並且含有足夠的氧氣供動物呼吸。
在過去的幾十年裡，研究大氣中氣體的氣候學家發現，人類透過燃燒化石燃料，正在向空氣中排放大量危險的二氧化碳（圖 1.14）。通常情況下，大氣中只含有少量的二氧化碳，而過量的二氧化碳會導致它吸收來自太陽的熱量，從而導致地球變暖，我們稱這種現象為全球變暖。氣候學家可以幫助我們更好地瞭解氣候以及它在未來可能會如何因溫室氣體和其他因素的不同含量而變化（圖 1.15）。
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天文學家已經證明，我們的地球和太陽系不是宇宙中唯一的行星系。到 2007 年，人們已經發現了 100 多個太陽系以外的行星。雖然沒有人能確定到底有多少個，但天文學家估計有數十億個其他行星。此外，宇宙中還有黑洞、其他星系、小行星、彗星和星雲。地球對我們來說似乎很大，但整個宇宙要大得多。我們的地球只是宇宙中一個無限小的部分。
天文學家利用地球上的資源來研究地球以外的物理事物。他們使用各種儀器，如光學望遠鏡和射電望遠鏡，來觀察人眼無法看到的東西。宇宙飛船在太空中長途跋涉，向我們傳送來自遙遠地方的資訊，而軌道上的望遠鏡則從黑暗的太空中觀察天體（圖 1.16）。
天文學家提出了各種各樣的問題。天文學家可以研究地球以外的物體或能量如何影響我們。小行星的撞擊可能會對地球上的生命造成可怕的影響。來自太陽的強大能量爆發，稱為太陽耀斑，可以使電網癱瘓或干擾無線電、電視或手機通訊。但天文學家也會提出更大的問題。宇宙是如何形成的？是否有其他行星可以供我們居住？是否有我們可以利用的資源？宇宙中還有其他生命嗎？天文學也依賴於地球科學，當科學家將我們對地球上生命的瞭解與在其他星球上尋找生命的可能性進行比較時。
地質學、海洋學和氣象學代表了地球科學的很大一部分，而天文學則代表了地球以外的科學。然而，仍然有許多較小的科學分支涉及地球或與地球科學有很大的關聯。大多數科學分支在某種程度上都與其他科學分支相連。研究熱帶雨林中猴子的生物學家必須關注為雨林帶來降雨的水迴圈。她必須瞭解猴子所吃食物的有機化學，以及猴子之間的行為。她可能會檢查熱帶雨林中樹木生長的土壤。她甚至必須瞭解熱帶雨林的經濟狀況，才能理解其破壞的原因。這僅僅是一個例子，說明所有科學分支都是相互關聯的。
以下是一些與地球科學直接相關的科學分支的例子。環境科學家研究人類與地球的相互作用方式以及這種相互作用的影響。我們希望找到更好的方式來維持環境。生物地理學是研究生物種群隨時間推移在空間上的變化的科學分支。這些科學家試圖解釋歷史上物種遷移的原因。生態學家關注生態系統，即特定地方所有生命形式及其環境之間複雜的相互關係（圖 1.17）。他們試圖預測生態系統中一個部分受到破壞時可能發生的連鎖反應。
與海洋學家不同，湖泊學家研究內陸水域，如河流和湖泊。水文地質學家關注土壤和岩石顆粒之間發現的地下水，而冰川學家則研究冰川和冰。
沒有地理學家的探索，這些科學研究都不可能實現。地理學家探索地表特徵，並與繪製地圖的製圖師合作。地層學是地球科學的另一個領域，它研究地表以下的岩層（圖 1.18）。這有助於我們瞭解地球的地質歷史。每個興趣都對應一個科學分支，每個分支都與其他分支相關聯。
- 地球科學的三大主要分支是什麼？
- 哪個科學分支研究地球以外的恆星和星系？
- 列出地球科學家重要的職責。
- 你認為氣象學家的研究重點是什麼？
- 一位生態學家注意到一個重要的珊瑚礁正在消亡。她認為這與當地一家發電廠的汙染有關。哪種型別的科學家可以幫助她分析水中的汙染物？
- 天文學家
- 研究宇宙、星系和恆星的科學家。
- 地質學
- 研究地球的岩石、過程和歷史。
- 氣象學
- 研究大氣、天氣和風暴。
- 海洋學
- 研究海洋領域及其所有方面。
- 大氣科學
- 研究大氣及其變化。包括氣象學和高層大氣物理學。
- 生態學
- 研究地球上棲息的生命形式、它們的起源及其與上述內容的相互作用。
- 因此，我們必須利用系統科學的方法，才能全面瞭解地球系統及其整體變化。
- 為什麼地球科學如此重要？
- 你最想探索地球科學的哪個分支？
- 我們今天面臨的最大問題是什麼？哪些地球科學家可以幫助我們解決這個問題？
- 哪些其他科學分支或社會與地球科學相關，並對地球科學至關重要？