環(huán)境地學(xué)-2地球環(huán)境系統(tǒng)

1、12 2 地球環(huán)境系統(tǒng)地球環(huán)境系統(tǒng)目錄目錄2.1 地球環(huán)境系統(tǒng)的外圍空間太陽(yáng)系2.2 地球-月球系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)2.3 地球環(huán)境系統(tǒng)及其演化2.4 地球環(huán)境系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量2.5 地球環(huán)境系統(tǒng)與人類社會(huì)的相互關(guān)系2.6 思考題與個(gè)案分析22.1 地球環(huán)境系統(tǒng)的外圍空間太陽(yáng)系2.1.1 太陽(yáng)系概況 太陽(yáng)系是由恒星太陽(yáng)、行星及其衛(wèi)星、小行星、矮行星、彗星、流星體和行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)。太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體，占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，其他天體都在太陽(yáng)的引力作用下繞其公轉(zhuǎn)。 3 按照2006年在布拉格召開(kāi)的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）新的定義，太陽(yáng)系中共計(jì)有八大行星，按距太陽(yáng)遠(yuǎn)近排列依次為水星、

2、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，按照最新的行星定義，原來(lái)的行星冥王星被降級(jí)為矮行星。4圖2-1 太陽(yáng)系組成結(jié)構(gòu)示意圖（冥王星被降級(jí)為矮行星）52.1.2 太陽(yáng)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣體球，在廣闊的恒星世界中，太陽(yáng)是一顆中等質(zhì)量的壯年星。根據(jù)天文觀測(cè)得知，日地平均距離為1.496 108 km，太陽(yáng)的平均半徑為6.69 105 km，是地球赤道半徑的109倍；太陽(yáng)體積約為地球體積的130104倍。 6 太陽(yáng)常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣層頂垂直太陽(yáng)光束方向的單位面積、單位時(shí)間所接受到的太陽(yáng)輻射能。據(jù)20世紀(jì)60年代的測(cè)量結(jié)果，太陽(yáng)常數(shù)為1373 W/m2，據(jù)此推算的

3、太陽(yáng)表面平均溫度為6000 K。7 太陽(yáng)大氣層從內(nèi)到外可分為光球、色球和日冕三層。 太陽(yáng)的X射線圖像 太陽(yáng)的可見(jiàn)光圖像8 太陽(yáng)黑子是指光球上經(jīng)?？梢钥吹皆S多黑色斑點(diǎn)，是光球表面劇烈旋渦狀氣流形成的局部強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，是光球活動(dòng)的重要標(biāo)志。太陽(yáng)黑子在光球表面的大小、多少、位置和形態(tài)等時(shí)刻都在變化，其變化對(duì)地球環(huán)境系統(tǒng)變化具有重要的影響。 92.1.2 行星及其運(yùn)動(dòng) 人類經(jīng)過(guò)千百年的探索，到16世紀(jì)著名天文學(xué)家哥白尼建立了日心學(xué)說(shuō)，隨后人們才逐漸認(rèn)識(shí)到：地球是繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的行星之一，而包括地球在內(nèi)的八大行星則構(gòu)成了一個(gè)圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的行星系。 10 八大行星可歸為三類：類地行星，包括水星、金星、地球、火星

4、等體積和質(zhì)量都較小，密度大，衛(wèi)星少的行星；巨行星，包括木星、土星，其特征是體積和質(zhì)量大，密度小，衛(wèi)星多；遠(yuǎn)日行星，包括天王星、海王星，其特征介于前兩者之間。11 八大行星都在接近同一平面的近圓形的橢圓軌道上，朝同一方向繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，即行星的軌道運(yùn)動(dòng)具有共面性、近圓性和同向性，只有水星稍有偏離。太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)方向也與行星的公轉(zhuǎn)方向相同。 12 行星圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，都遵循開(kāi)普勒三大定律：行星沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；在行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，它的向徑（行星與太陽(yáng)的連線）在單位時(shí)間所掃過(guò)的面積相等；行星公轉(zhuǎn)周期T的平方與行星軌道長(zhǎng)半徑的立方成正比。 1314 行星圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以

5、用以下5個(gè)軌道參數(shù)來(lái)描述： 軌道長(zhǎng)半徑a和短半徑b 軌道偏心率e 軌道傾角i 升交點(diǎn)黃經(jīng) 近日點(diǎn)角距 15圖2-4 行星公轉(zhuǎn)軌道要素示意圖16 根據(jù)2006年國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)的新定義，同樣具有足夠質(zhì)量、呈圓球形，但不能清除其軌道附近其他物體的天體被稱為“矮行星”。冥王星被降級(jí)為一顆矮行星。 17 小行星是指主要分布于火星和木星軌道之間，圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的為數(shù)眾多的小天體。大多數(shù)小行星的體積都很小，是形狀不規(guī)則的石塊或碎屑物質(zhì)。目前已登記在冊(cè)和編了號(hào)的小行星已超過(guò)8000顆。 18 彗星是繞太陽(yáng)運(yùn)行的一種微小天體，是由冰凍著的各種雜質(zhì)、塵埃組成云霧狀的斑點(diǎn)。彗星的質(zhì)量很小，大的彗星的質(zhì)量約為1020

6、 kg，即不及地球質(zhì)量的1/104；小彗星的質(zhì)量不到1012kg，不及月球質(zhì)量的1/(100108)。 192.2 地球-月球系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)2.2.1月球概況 地球是太陽(yáng)系八大行星之一，按離太陽(yáng)由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)樘?yáng)系的第三顆行星。地球有一個(gè)天然衛(wèi)星月球，二者組成一個(gè)天體系統(tǒng)地月系統(tǒng)。20 月球直徑約為3476 km，是地球的3/11；月球體積只有地球的1/49，月球質(zhì)量約為7.351019 t，約為地球質(zhì)量的1/81，可見(jiàn)，月球平均密度為3.341g/cm3，約為地球平均密度的60.5%。月球表面的重力加速度為1.622m/s2，相當(dāng)于地球表面重力加速度的1/6。21 月球圍繞地球公轉(zhuǎn)的軌道是一

7、個(gè)橢圓，地球位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，月球繞地球公轉(zhuǎn)方向與地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的方向相同，即由西向東轉(zhuǎn)。月球軌道的偏心率（e）為0.054 9，近地點(diǎn)平均距離為363 300 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)平均距離為405 500 km。 22圖2-5 地球與月球運(yùn)動(dòng)圖解23 月食和日食是特殊的天象，也是短暫而無(wú)明顯危害的自然現(xiàn)象，它們的發(fā)生都與月球、地球、太陽(yáng)三者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。 24圖2-6 日蝕過(guò)程示意圖25圖2-7 2007年8月28日的月全食的全過(guò)程26圖2-8 月蝕過(guò)程示意圖272.2.2 地球自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)就是地球繞其本身軸線做的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向在北半球來(lái)看呈現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较?，也就是自西向東。太陽(yáng)

8、從東方升起也正是由于地球向這個(gè)方向自轉(zhuǎn)的結(jié)果。 28圖2-9 恒星日與太陽(yáng)日的比較圖（E表示地球，F(xiàn)表示恒星）29 地球自轉(zhuǎn)使地球表面對(duì)稱地出現(xiàn)兩個(gè)線速度和角速度都為零的點(diǎn)，它們被分別稱為南極點(diǎn)和北極點(diǎn)，兩者的連線就是地軸。經(jīng)過(guò)南北兩個(gè)極點(diǎn)并與地表相交的大圓，稱為經(jīng)線圈；所有的經(jīng)線圈都被南北極點(diǎn)等分為兩個(gè)相對(duì)的半圓，稱為經(jīng)線。 30 地球的自轉(zhuǎn)使得地球表面不同區(qū)域都能周期性地接受太陽(yáng)輻射，從而緩和了地球表面環(huán)境變化的時(shí)空梯度，為生物生存創(chuàng)造了適宜的氣壓、溫度、濕度等氣候條件；地球自轉(zhuǎn)對(duì)沿海地區(qū)潮汐漲落具有重要的阻尼與緩和作用；地轉(zhuǎn)偏向力對(duì)地球環(huán)境系統(tǒng)中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有重要的影響。 312.2.3

9、地球公轉(zhuǎn) 地球在橢圓軌道上圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)稱為公轉(zhuǎn)。從地球北極高空來(lái)看，地球公轉(zhuǎn)的方向也是自西向東的，即呈現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较?。地球公轉(zhuǎn)也是一種周期性運(yùn)動(dòng)，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為一年。 32圖2-10 恒星年與回歸年的比較33 地球公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)近似圓形的橢圓，其偏心率約為0.017，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，每年大約在1月3日地球距離太陽(yáng)最近，此時(shí)地球在軌道上的位置稱為近日點(diǎn)，這時(shí)日地的距離只有1.4703108 km；大約在7月4日地球距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)，此時(shí)地球在軌道上的位置稱為遠(yuǎn)日點(diǎn)，這時(shí)的日地距離則為1.5087108 km。 34圖2-11 地球公轉(zhuǎn)軌道示意圖35圖2-12 地球公轉(zhuǎn)過(guò)程

10、示意圖36圖2-13 請(qǐng)問(wèn)這是大致幾月份的影像圖？ 現(xiàn)在是北京時(shí)間大致幾點(diǎn)鐘？372.3 地球環(huán)境系統(tǒng)及其演化2.3.1 地球環(huán)境系統(tǒng)概況 地球是目前發(fā)現(xiàn)的唯一有適宜生物生長(zhǎng)發(fā)育的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、電磁輻射場(chǎng)、充裕氧氣和液態(tài)水的星球；唯一經(jīng)由板塊構(gòu)造過(guò)程不斷更新的地表結(jié)構(gòu)，使生命體所必需養(yǎng)分反復(fù)循環(huán)的星球。地球質(zhì)量5.9761024kg，平均密度5.52 g/cm3。 38 將假想的、靜止的平均海平面（稱為大地水準(zhǔn)面）又通過(guò)大陸和島嶼而圍成的整個(gè)地球的形體，作為大地球體。大地水準(zhǔn)面的特征就是處處和鉛垂線相垂直。由于鉛垂線的方向取決于地球內(nèi)部質(zhì)量的吸引力，而地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均，這引起鉛垂線方向的

11、變化，導(dǎo)致和鉛垂線垂直的大地水準(zhǔn)面成為一個(gè)復(fù)雜的曲面。 39圖2-14 大地水準(zhǔn)面和參考扁球比較圖40圖2-15 地球表面、大地水準(zhǔn)面與參考扁球體面的比較示意圖41 對(duì)于地球橢球體大小和形體由于各國(guó)采用不同的資料，其橢球體的元素值也是不同的。世界各國(guó)常用地球橢球體模型的數(shù)據(jù)，如下表所示。 42圖2-16432.3.2 地球環(huán)境系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 地球環(huán)境系統(tǒng)簡(jiǎn)便的劃分是分為地圈和生物圈，其中地圈是各種地球物理狀態(tài)的整體綜合，包括巖石圈、土壤圈、水圈和大氣圈；生物圈也稱為全球生態(tài)系統(tǒng)，其中包含生物圈中重要的組成成分智慧圈。 442.3.3 地核和地幔系統(tǒng) 根據(jù)對(duì)地震波傳播的研究，地球內(nèi)部分為四個(gè)主要

12、圈層，即地殼、地幔、地外核和地內(nèi)核。各個(gè)圈層之間存在著一個(gè)物理上不連續(xù)的界面，即莫霍洛維奇界面(Mohorovicic Discontinuity)，簡(jiǎn)稱莫霍面、古登堡面（Gutenbery Discontinuity）和利曼界面（Rehmann Discontinuity）。 45 在地質(zhì)學(xué)研究中常常將地殼和上地幔頂部剛性巖石層統(tǒng)稱為巖石圈，其厚度約60120km。巖石圈厚度不均一，通常認(rèn)為在大洋中脊處巖石圈厚度接近于零，到大陸下部大約100150km處，巖石圈厚度和地球的半徑比較起來(lái)，只是薄薄的一層，幾乎可以忽略不計(jì)。 462.3.4 地球表層系統(tǒng) 地球表層系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、生物圈、土

13、壤圈、巖石圈和人類智慧圈所組成的復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng)，也是環(huán)境科學(xué)、環(huán)境地學(xué)和地理科學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容。 47圖2-17 地球環(huán)境系統(tǒng)示意圖482.3.5 地球演化 根據(jù)地球最古老的巖石及其放射性同位素的測(cè)定，地球大約誕生于46億年前。地球形成的早期是一個(gè)灸熱的球體，球體表面的大氣中幾乎沒(méi)有氧氣，即早期的地球是一個(gè)無(wú)生命的世界。經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的演化才逐漸形成了現(xiàn)代地球環(huán)境。 492.4 地球環(huán)境系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量2.4.1 物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)與質(zhì)量 物質(zhì)是指那些具有質(zhì)量并占據(jù)一定空間的客觀存在。在地球環(huán)境系統(tǒng)之中物質(zhì)常以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)存在；其存在形式可歸結(jié)為元素和化合物兩大類。50 在環(huán)境科學(xué)與環(huán)

14、境地學(xué)研究中，W.G.Hoekstra于1972年認(rèn)為，生命有機(jī)體對(duì)于任何一種化學(xué)元素的適應(yīng)范圍都是比較狹窄的，例如家畜生長(zhǎng)發(fā)育所必需的化學(xué)元素如鐵、鋅、錳、銅、硒的需要量與最小中毒量之間的比值為50左右。攝取過(guò)量或不足，都會(huì)破壞生命體內(nèi)的生理平衡，從而發(fā)生生理異常引起病患。 512.4.2 能量形態(tài)與質(zhì)量 能量是度量物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種物理量，一般解釋為物質(zhì)做功的能力。能量的基本類型有：勢(shì)能、動(dòng)能、熱能、電能、磁能、光能、化學(xué)能和原子能等，能量的不同形式可以相互轉(zhuǎn)化。地球環(huán)境系統(tǒng)中大約99的能量均來(lái)自于太陽(yáng)輻射能。 522.4.3 物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化物理、化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化物質(zhì)轉(zhuǎn)化定律 在地球環(huán)境研究過(guò)

15、程中，應(yīng)該從調(diào)節(jié)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程、調(diào)控能量流過(guò)程兩個(gè)途徑入手，協(xié)調(diào)人類活動(dòng)與地球環(huán)境之間的相互關(guān)系。532.4.4 物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律 在地球環(huán)境系統(tǒng)中物質(zhì)、能量的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程一般遵守以下基本規(guī)律：能量守恒定律：能量永不消失，只能轉(zhuǎn)化；在所有的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，總會(huì)有能量的損失；物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間和多樣性都屬于資源的范疇。 542.5 地球環(huán)境系統(tǒng)與人類社會(huì)的相互關(guān)系2.5.1 人類是地球環(huán)境系統(tǒng)演化的產(chǎn)物 人類學(xué)研究成果表明，我們?nèi)祟愖鳛橐粋€(gè)物種首先出現(xiàn)在距今約300萬(wàn)年前的第四紀(jì)初期，人類演化分為猿人階段、古人階段、新人階段 。 552.5.2 人類對(duì)地球環(huán)境系統(tǒng)的影響 在人類社會(huì)生存

16、和發(fā)展的過(guò)程中，人類無(wú)時(shí)無(wú)刻不從地球環(huán)境系統(tǒng)之中采集和利用各種資源，也無(wú)時(shí)無(wú)刻不在改造著地球環(huán)境。這種改造可以劃歸為人類有意識(shí)的和無(wú)意識(shí)的兩種方式。 56 人類積極地改造和優(yōu)化區(qū)域自然環(huán)境，也給地球環(huán)境帶來(lái)了巨大的生機(jī)和活力，同時(shí)由于地球環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜多變性和人類認(rèn)識(shí)的局限性，人類社會(huì)在自身生存和發(fā)展的過(guò)程中，也給了地球環(huán)境系統(tǒng)以巨大影響，這些不利的影響可歸結(jié)為生態(tài)破壞、環(huán)境污染和生物多樣性降低。 572.5.3 地球環(huán)境系統(tǒng)對(duì)人類社會(huì)的影響 地球環(huán)境系統(tǒng)對(duì)人類社會(huì)生存和發(fā)展的影響，可以歸結(jié)為自然資源、自然災(zāi)害、環(huán)境條件三個(gè)方面。 自然資源是人類社會(huì)生產(chǎn)生活原料和燃料的來(lái)源，或是社會(huì)生產(chǎn)力布局的必要條件和場(chǎng)所。 58 自然災(zāi)害是指發(fā)生在地球表層并給人類社會(huì)帶來(lái)重大損失與危害的各種自然變異過(guò)程和事件。一般將自然災(zāi)害劃分為突發(fā)性