自然地理学

引用

Patrich, J. (2023). Physical Geography (Version 2; T. Radtke, Ed.). College of the Canyons. Free official edition: https://drive.google.com/drive/folders/1oTVcpLRpb9YYHCxMp_UdzFHOxTL-Pj2G

章节概要

本书是一部约300页的开放教育资源（OER），由 Jeremy Patrich 为加州社区学院峡谷学院（College of the Canyons）的自然地理课程编写和汇编，除另有说明外采用 CC BY 4.0 许可。全书分为十九个单元，每个单元以“目标与学习目标”列表开头，以单元小结结尾；正文配有大量照片、示意图和表格，其中不少拍摄于作者带学生进行的野外考察。前言介绍了用于标示要点的“Pin It!”框；各单元中还有二维码和指向作者视频的链接，包括在圣安德烈亚斯断层和死亡谷的现场讲解。书中没有单元习题、术语表、索引或参考文献。

第1单元：Introduction to Geography as a Discipline（作为一门学科的地理学导论）

把自然地理学定义为对地球陆地、水体、生物、大气和内部的空间研究，随后讨论科学探究与地理探究以及科学方法。接着介绍地理坐标网，并概述遥感、GPS 和 GIS。

第2单元：Earth's Place within the Cosmos（地球在宇宙中的位置）

天文学单元：膨胀的宇宙与大爆炸、恒星系统与星系、银河系、恒星内部的核聚变以及恒星分类。

第3单元：Introduction to Geology & Geologic Time（地质学与地质年代导论）

先说明什么是地质学，再通过地层学原理、均变论和地质年代表建立对漫长地质时间的认识。区分相对年代与绝对年代，并解释放射性测年及其前提假设。

第4单元：Mapping Earth's Surface（绘制地表）

地图学单元：比例尺（包括数字比例尺和线段比例尺）、地形图上的等高线、范围与分辨率的区别、地图投影的原理与变形，以及美国公共土地测量系统（Public Land Survey）。

第5单元：Earth-Sun Relationships: Reasons for the Seasons（日地关系：季节的成因）

地球的自转与公转、二至与二分、太阳高度与昼长、近日点与远日点。本单元还涉及太阳辐射、温室效应与温室气体，以及日食月食、月相和潮汐。

第6单元：Earth's Atmosphere（地球大气）

大气的组成与分层、能量、热量与温度的关系、太阳能量收支与反照率，以及全球大气环流。局地风以雨影效应和加州的圣安娜风为例加以说明。

第7单元：Elements of Weather & Climate（天气与气候要素）

大气水分、气团与锋、中纬度气旋、雷暴及其他极端天气。随后区分天气与气候，用表格列出柯本气候分类的五个主要气候类型，并简要讨论气候变化、全球变暖和气候监测。

第8–11单元：Basic Mineral Development（矿物基础）；Igneous Rocks（火成岩）；Sedimentary Rocks（沉积岩）；Metamorphism & Metamorphic Rocks（变质作用与变质岩）

四个关于地球物质的单元。第8单元讲原子、离子以及根据物理性质鉴定矿物。第9单元介绍岩石循环、岩浆成分、结晶作用（鲍文反应系列）和火成岩结构。第10单元对碎屑沉积岩和化学沉积岩进行分类，并利用沉积构造和化石解读过去的环境。第11单元讨论控制变质作用的因素、叶理、变质岩的分类及其与板块构造的联系。

第12单元：Weathering & Soils（风化与土壤）

机械风化（包括冻融楔裂）、通过水解、氧化和溶解进行的化学风化、块体运动与滑坡灾害，以及土壤的形成、质地和土层。

第13–15单元：Earth's Dynamic Surface: Plate Tectonics（动态的地表：板块构造）；Earth's Dynamic Surface: Tectonics Force（动态的地表：构造力）；Earth's Dynamic Surface: Volcanoes（动态的地表：火山）

第13单元讲地球内部、大陆漂移与海底扩张，以及板块边界的类型。第14单元解释构造应力、褶皱与断层、地震、震级与烈度、震动图和砂土液化。第15单元把岩浆的形成与构造环境联系起来，说明岩浆成分如何决定喷发方式，介绍主要火山类型和火山灾害。

第16–19单元：Shaped by Coastal Processes（海岸作用塑造的地貌）；Shaped by Rivers & Running Water（河流与流水塑造的地貌）；Shaped by Wind as a Geomorphic Agent（作为地貌营力的风塑造的地貌）；Shaped by Glaciers（冰川塑造的地貌）

地貌学系列单元。第16单元讲波浪、沿岸输沙、海岸侵蚀与堆积地貌、海平面变化以及人类对海岸的干预。第17单元讨论流域、均衡河流、河流侵蚀与堆积，然后转到湖泊和地下水中的储水。第18单元界定干旱程度，描述风蚀、沙丘类型和其他荒漠地貌。第19单元先回顾地球历史上的冰期和米兰科维奇旋回，再说明冰川如何运动，以及冰川侵蚀和堆积形成的地貌。

核心概念

第1–5单元：基础

• 地理坐标网：经度和纬度作为确定位置的角度量。
• 地理空间技术：用于采集和分析空间数据的遥感、GPS 和 GIS。
• 地图投影：从地球仪到平面的系统转换，总会使某些性质变形。
• 季节的成因：地轴倾斜和地球公转，改变了日照的角度和时长。

第6–7单元：大气、天气与气候

• 反照率与太阳能量收支：入射能量中被反射的比例，以及进出地球系统的能量平衡。
• 气团与锋：温度和湿度均一的大范围空气，以及它们相遇的地带。
• 柯本气候分类：按气温和降水划分的五个主要气候类型。

第8–12单元：地球物质与风化

• 岩石循环：联系火成岩、沉积岩和变质岩的一系列过程。
• 化学风化：在地表不稳定的矿物发生的水解、氧化和溶解。
• 土层：气候、母质、坡度和时间作用于风化岩石，随深度形成的分层。

第13–19单元：构造与地貌

• 板块边界：离散型、汇聚型和转换型边界及各自的活动。
• 沿岸输沙：斜向到达的波浪使沉积物沿海岸移动。
• 均衡河流：纵剖面已调整为平滑曲线的河流，可能因抬升或侵蚀基准面变化而失去这种状态。
• 冰川地貌：侵蚀形成的U形谷、刃脊、角峰、悬谷；堆积形成的冰碛物、蛇形丘和冰水沉积。

评析

优点

• 免费且开放许可。 全书（另有 Word 版）可免费下载，并可在 CC BY 4.0 许可下改编。
• 单元结构清晰。 每个单元开头列出目标，结尾给出小结，学生可以据此核对每个单元的要求。单元篇幅较短（约2,400至6,300词），基本彼此独立。
• 立足野外，地域特色鲜明。 许多照片来自作者的野外考察，示例大量取自加州：圣安德烈亚斯断层、死亡谷、优胜美地、内华达山脉、莫哈维沙漠、莫诺湖和圣安娜风。链接的视频展示作者在现场讲解，对远程学习的学生很有帮助。
• 地质和地貌内容扎实。 全书约一半篇幅讨论地球物质、构造和地貌学，对岩石类型、火山类型、地震、海岸、河流、荒漠和冰川都有较详细的论述。

局限

• 覆盖面有缺口。 书中没有关于生物圈、生物地理、生物群系或生态系统的单元，海洋也只通过波浪和海岸作用出现。Open Textbook Library 上的评审者（2021年的 Dimitar Dimitrov，2024年的 Jackie Gallagher 和 Justin Hartnett）都指出缺少生物圈、水文内容单薄；Gallagher 还提到，世界气候只是被引入而没有具体描述，也没有气候图。
• 偏重地质。 四个矿物与岩石单元和一个天文学单元，占用了许多自然地理课程本会用于气候区和植被的篇幅。Hartnett 对第2单元是否适合本课程提出了质疑。
• 缺少学习辅助。 没有复习题或练习、术语表、索引，也没有供进一步阅读的参考文献，Dimitrov 和 Gallagher 也指出了这一点。部分图表注明来自其他开放资源（例如 Steven Earle 制作的表格），还有几处交叉引用指向本书中并不存在的章节，例如“侵蚀与堆积一章”，以及讲大陆漂移时提到的“第10章”。
• 部分数据需要核对。 有些表述较旧或不够严谨，例如第5单元比较温室气体时，使用了较早的甲烷增温能力数值。

在课程中的定位

Patrich 的书是本课程免费、简短的入门读物。Alan Strahler 的《Introducing Physical Geography》是篇幅大得多的商业出版概论，专章讨论 Patrich 没有涉及的全球气候、生物地理过程、全球生物地理和土壤；以 Patrich 为主教材的学生可以借用这些章节。Christopherson 和 Birkeland 的《Geosystems》是一部更完整、以系统为框架的教材，围绕大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组织内容，并持续关注气候变化和人类影响。

若要深入学习，Smithson、Addison 和 Atkinson 的《Fundamentals of the Physical Environment》对气候、地貌、土壤和生态系统背后的过程的解释比一年级概论更深入，Hartmann 的《Global Physical Climatology》则是对气候物理的定量论述。Patrich 最好作为第一本书来读，或与上述较大的教材之一配合阅读。

如何使用本书

本书适合修读自然地理或地球科学入门课程的一年级学生，尤其是社区学院和网络课程的学生，除中学理科外不需要其他基础。

实用的阅读计划：

• 核心： 先读讲位置、地图、时间、能量和大气的第1单元和第3–7单元，再读讲风化、构造和地貌的第12–19单元。
• 选读： 第2单元（天文学）可以略读。第8–11单元适合含地质或实验内容的课程；其他课程可只读讲岩石循环的第9单元，其余略读。
• 把学习目标当作检查清单。 每读完一个单元，凭记忆简要回答每一条学习目标，再与单元小结对照。
• 观看链接的视频。 第8单元和第12–15、18单元都有视频，其中几段是作者在野外现场讲解。
• 补上缺失的内容。 第7单元可搭配一章关于气候区的内容，并补充生物地理和土壤方面的材料，例如 Strahler 或《Geosystems》的相应章节。本书没有术语表，可以自己整理一份。

版本与来源

本导读依据从峡谷学院“零教材费用”（Zero Textbook Cost）页面所链接的文件夹（https://drive.google.com/drive/folders/1oTVcpLRpb9YYHCxMp_UdzFHOxTL-Pj2G）下载的第2版（Version 2，2023年）PDF 撰写；阅读了前置部分和前言、目录，以及每个单元的目标与学习目标、小节标题和小结，并通读了第1、5、6、7、17、19单元中的部分小节；同时参考了 Open Textbook Library 第1版条目下的三篇评审。