自然地理學

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

章節概要

本書是一部約300頁的開放教育資源（OER），由 Jeremy Patrich 為加州社區學院峽谷學院（College of the Canyons）的自然地理課程撰寫與彙編，除另有註明外採用 CC BY 4.0 授權。全書分為十九個單元，每個單元以「目標與學習目標」清單開頭，以單元摘要作結；正文附有大量照片、示意圖與表格，其中不少拍攝於作者帶學生進行的野外實察。前言介紹了標示重點的「Pin It!」方塊；各單元還有 QR 碼與作者影片的連結，包括在聖安地列斯斷層與死亡谷的現場解說。書中沒有單元習題、名詞解釋、索引或參考文獻。

第1單元：Introduction to Geography as a Discipline（作為一門學科的地理學導論）

把自然地理學定義為對地球陸地、水體、生物、大氣與內部的空間研究，接著討論科學探究與地理探究，以及科學方法。之後介紹地理座標網格，並概述遙測、GPS 與 GIS。

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

天文學單元：膨脹的宇宙與大霹靂、恆星系統與星系、銀河系、恆星內部的核融合，以及恆星分類。

第3單元：Introduction to Geology & Geologic Time（地質學與地質年代導論）

先說明什麼是地質學，再透過地層學原理、均變說與地質年代表，建立對漫長地質時間的認識。區分相對年代與絕對年代，並說明放射性定年及其前提假設。

第4單元：Mapping Earth's Surface（繪製地表）

地圖學單元：比例尺（包括數字比例尺與線段比例尺）、地形圖上的等高線、範圍與解析度的差別、地圖投影的原理與變形，以及美國公有土地測量系統（Public Land Survey）。

第5單元：Earth-Sun Relationships: Reasons for the Seasons（日地關係：季節的成因）

地球的自轉與公轉、二至與二分、太陽仰角與晝長、近日點與遠日點。本單元也涵蓋太陽輻射、溫室效應與溫室氣體，以及日食月食、月相與潮汐。

第6單元：Earth's Atmosphere（地球大氣）

大氣的組成與分層、能量、熱與溫度的關係、太陽能量收支與反照率，以及全球大氣環流。地方風以雨影效應與加州的聖塔安娜風為例說明。

第7單元：Elements of Weather & Climate（天氣與氣候要素）

大氣水氣、氣團與鋒面、中緯度氣旋、雷雨及其他極端天氣。接著區分天氣與氣候，以表格列出柯本氣候分類的五大氣候類型，並簡要討論氣候變遷、全球暖化與氣候監測。

第8–11單元：Basic Mineral Development（礦物基礎）；Igneous Rocks（火成岩）；Sedimentary Rocks（沉積岩）；Metamorphism & Metamorphic Rocks（變質作用與變質岩）

四個關於地球物質的單元。第8單元談原子、離子，以及依物理性質鑑定礦物。第9單元介紹岩石循環、岩漿成分、結晶作用（鮑文反應系列）與火成岩組織。第10單元將碎屑沉積岩與化學沉積岩分類，並利用沉積構造與化石判讀過去的環境。第11單元討論控制變質作用的因素、葉理、變質岩的分類及其與板塊構造的關聯。

第12單元：Weathering & Soils（風化與土壤）

機械風化（包括冰劈作用）、經由水解、氧化與溶解的化學風化、塊體運動與山崩災害，以及土壤的生成、質地與土層。

第13–15單元：Earth's Dynamic Surface: Plate Tectonics（動態的地表：板塊構造）；Earth's Dynamic Surface: Tectonics Force（動態的地表：構造力）；Earth's Dynamic Surface: Volcanoes（動態的地表：火山）

第13單元談地球內部、大陸漂移與海底擴張，以及板塊邊界的類型。第14單元說明構造應力、褶皺與斷層、地震、規模與震度、震度圖與土壤液化。第15單元把岩漿的生成與構造環境連結起來，說明岩漿成分如何決定噴發型態，並介紹主要火山類型與火山災害。

第16–19單元：Shaped by Coastal Processes（海岸作用塑造的地形）；Shaped by Rivers & Running Water（河流與流水塑造的地形）；Shaped by Wind as a Geomorphic Agent（作為地形營力的風塑造的地形）；Shaped by Glaciers（冰河塑造的地形）

地形學系列單元。第16單元談波浪、沿岸漂沙、海岸侵蝕與堆積地形、海平面變化，以及人類對海岸的干預。第17單元討論流域、均夷河流、河流侵蝕與堆積，再轉到湖泊與地下水的儲水。第18單元界定乾燥程度，描述風蝕、沙丘類型與其他沙漠地形。第19單元先回顧地球過去的冰期與米蘭科維奇循環，再說明冰河如何運作，以及冰河侵蝕與堆積形成的地形。

核心概念

第1–5單元：基礎

• 地理座標網格：經度與緯度作為確定位置的角度量測。
• 地理空間技術：用來蒐集與分析空間資料的遙測、GPS 與 GIS。
• 地圖投影：從地球儀到平面的系統性轉換，必然使某些性質變形。
• 季節的成因：地軸傾斜與地球公轉，改變了日照的角度與時間長短。

第6–7單元：大氣、天氣與氣候

• 反照率與太陽能量收支：入射能量中被反射的比例，以及進出地球系統的能量平衡。
• 氣團與鋒面：溫度與濕度均一的大範圍空氣，以及它們交會的地帶。
• 柯本氣候分類：依氣溫與降水劃分的五大氣候類型。

第8–12單元：地球物質與風化

• 岩石循環：連結火成岩、沉積岩與變質岩的一連串過程。
• 化學風化：在地表不穩定的礦物所發生的水解、氧化與溶解。
• 土層：氣候、母質、坡度與時間作用於風化岩石，隨深度形成的分層。

第13–19單元：構造與地形

• 板塊邊界：張裂型、聚合型與錯動型邊界，以及各自的活動。
• 沿岸漂沙：斜向抵達的波浪使沉積物沿著海岸移動。
• 均夷河流：縱剖面已調整成平滑曲線的河流，可能因抬升或侵蝕基準面改變而失去這種狀態。
• 冰河地形：侵蝕形成的U形谷、刃嶺、角峰、懸谷；堆積形成的冰磧物、蛇丘與冰水沉積。

評析

優點

• 免費且開放授權。 全書（另有 Word 版）可免費下載，並可依 CC BY 4.0 授權改作。
• 單元結構清楚。 每個單元開頭列出目標，結尾附上摘要，學生可以據此確認每個單元的要求。單元篇幅短（約2,400至6,300字），大致彼此獨立。
• 立足野外，具地方特色。 許多照片來自作者的野外實察，例子大量取材自加州：聖安地列斯斷層、死亡谷、優勝美地、內華達山脈、莫哈韋沙漠、莫諾湖與聖塔安娜風。連結的影片呈現作者在現場解說，對遠距學習的學生很有幫助。
• 地質與地形內容紮實。 全書約一半篇幅討論地球物質、構造與地形學，對岩石類型、火山類型、地震、海岸、河流、沙漠與冰河都有較詳細的說明。

局限

• 涵蓋範圍有缺口。 書中沒有關於生物圈、生物地理、生物群系或生態系的單元，海洋也只透過波浪與海岸作用出現。Open Textbook Library 的評閱者（2021年的 Dimitar Dimitrov，2024年的 Jackie Gallagher 與 Justin Hartnett）都指出缺少生物圈、水文內容單薄；Gallagher 也提到，世界氣候只有簡介而沒有具體描述，也沒有氣候圖。
• 偏重地質。 四個礦物與岩石單元和一個天文學單元，占去了許多自然地理課程原本會用於氣候區與植被的篇幅。Hartnett 質疑第2單元是否適合放在本課程中。
• 缺少學習輔助。 沒有複習題或練習、名詞解釋、索引，也沒有可供延伸閱讀的參考文獻，Dimitrov 與 Gallagher 也指出這一點。部分圖表註明取自其他開放資源（例如 Steven Earle 製作的表格），也有幾處交互參照指向本書並不存在的章節，例如「侵蝕與堆積一章」，以及談大陸漂移時提到的「第10章」。
• 部分數據需要查核。 有些敘述較舊或不夠精確，例如第5單元比較溫室氣體時，使用了較早期的甲烷暖化能力數值。

在課程中的定位

Patrich 的書是本課程免費、簡短的入門讀物。Alan Strahler 的《Introducing Physical Geography》是篇幅大得多的商業出版概論，專章討論 Patrich 沒有涵蓋的全球氣候、生物地理過程、全球生物地理與土壤；以 Patrich 為主教材的學生可以借用這些章節。Christopherson 與 Birkeland 的《Geosystems》是更完整、以系統為架構的教科書，圍繞大氣圈、水圈、岩石圈與生物圈組織內容，並持續關注氣候變遷與人類影響。

若要深入學習，Smithson、Addison 與 Atkinson 的《Fundamentals of the Physical Environment》對氣候、地形、土壤與生態系背後過程的說明比大一概論更深入，Hartmann 的《Global Physical Climatology》則以定量方式處理氣候物理。Patrich 最好當作第一本書來讀，或與上述較大型的教科書之一搭配閱讀。

如何使用本書

本書適合修習自然地理或地球科學入門課程的大一學生，特別是社區學院與線上課程的學生，除高中自然科外不需要其他基礎。

實用的閱讀計畫：

• 核心： 先讀談位置、地圖、時間、能量與大氣的第1單元與第3–7單元，再讀談風化、構造與地形的第12–19單元。
• 選讀： 第2單元（天文學）可以略讀。第8–11單元適合含地質或實驗內容的課程；其他課程可以只讀談岩石循環的第9單元，其餘略讀。
• 把學習目標當作檢核表。 每讀完一個單元，憑記憶簡短回答每一項學習目標，再與單元摘要對照。
• 觀看連結的影片。 第8單元與第12–15、18單元都有影片，其中幾段是作者在野外現場解說。
• 補足缺漏的內容。 第7單元可搭配一章氣候區的內容，並補充生物地理與土壤的資料，例如 Strahler 或《Geosystems》的相關章節。本書沒有名詞解釋，可以自己整理一份。

版本與來源

本導讀依據從峽谷學院「零教科書費用」（Zero Textbook Cost）頁面所連結的資料夾（https://drive.google.com/drive/folders/1oTVcpLRpb9YYHCxMp_UdzFHOxTL-Pj2G）下載的第2版（Version 2，2023年）PDF 撰寫；閱讀了前置內容與前言、目錄，以及每個單元的目標與學習目標、小節標題與摘要，並通讀第1、5、6、7、17、19單元中的部分小節；同時參考了 Open Textbook Library 第1版條目下的三篇評閱。