自然地理系統(tǒng)的基本能源

自然地理系統(tǒng)的基本能源第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日第一節(jié)地球內(nèi)生能在自然地理系統(tǒng)中的作用一、重力能1、重力：地球上距地球質(zhì)心為r的某點單位質(zhì)量的質(zhì)點將同時受到兩個力的作用：一個是地球作用在該單位質(zhì)點的引力F(r)，一個是該單位質(zhì)點由于地球自轉(zhuǎn)所承受的慣性離心力G(r)

，二力的矢量和稱為地球在該點產(chǎn)生的重力矢量g(r)。

g(r)=F(r)+G(r)

地表重力隨緯度的差異為：在赤道上r最大，引力F小，離心力G大，故重力P最??；在南、北極點，r最小，離心力G=0，重力P=F，其值最大。赤道上的重力約為極點重力的0.993倍。

第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日一、重力能2、重力能：是重力做功所具有的能量。

大地水準面是由靜止的大洋海平面在陸地下面延伸構(gòu)成的與重力方向處處垂直的一個封閉曲面。沿大地水準面移動物體時重力不做功，故該曲面是地球表面的重力等位面，又稱重力等勢面。大地水準面作為一個等勢面是一個起伏不規(guī)則的曲面。今以大地水準面作為計算陸地高程的基準面，以地球的平均重力（=9.8m/s2）為g值，基準面以上的大陸總勢能Eh=mgh，計算得全球陸地的總勢能力2.32×1024J。

第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3、重力能對于自然地理系統(tǒng)的意義重力能對地球上的物質(zhì)運動起著潛在勢能的作用。地球內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生重力分異過程，導致重力能轉(zhuǎn)化為構(gòu)造應力能，對改變地殼內(nèi)應力狀態(tài)和地殼構(gòu)造活動的形成具有根本性意義，而地殼構(gòu)造活動又直接改變著地表的面貌。重力能使地球保持著一定厚度和質(zhì)量的大氣圈，控制著環(huán)球不同規(guī)模的水分循環(huán)和地表固體物質(zhì)的運移過程，并對內(nèi)、外動力地貌的形成等一系列自然地理過程均起著關(guān)鍵性的控制、調(diào)整和平衡作用。重力能或重力作用總是力圖使地球上運動著的物質(zhì)趨向于保持相對穩(wěn)定，相對平衡的狀態(tài)。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日二、地熱能地熱能通過地表向外的釋放以地熱流密度表示，其數(shù)值為單位時間單位面積上平均約1.5×10-6cal/（cm2?s），地球表面的總熱流密度Q約為1.01×1021J/a，相當于每年每平方厘米地表得到168～210J地熱能。地球內(nèi)部熱能的產(chǎn)生，主要是放射性元素衰變釋放熱量的結(jié)果。其它的熱量來源有重力分異熱、潮汐摩擦熱、化學反應熱等，此外還可通過火山、地震、溫泉、以及構(gòu)造運動等形式，從局部地區(qū)間斷地釋放熱量。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日二、地熱能

地熱能對于自然地理系統(tǒng)的意義

地球內(nèi)部的熱力狀況導致地幔物質(zhì)產(chǎn)生對流運動，成為地殼板塊運動、全球性大陸漂移、海底擴張、重力分異以及引發(fā)地殼各種地質(zhì)構(gòu)造活動的構(gòu)造力，從而改變?nèi)蜃匀坏乩憝h(huán)境的面貌，如顯著改變地表形態(tài)，主要是大地構(gòu)造地貌形態(tài)以及海陸的分布。盡管地熱能對于自然地理環(huán)境的作用在短時間內(nèi)是一種緩慢的不易覺察的動力因素，但由地熱能引起的地殼構(gòu)造應力能對自然地理環(huán)境基礎的形成和演變，對自然地理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能所施加的影響是十分重要的。

第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)太陽能和引潮力在自然地理系統(tǒng)中的作用一、引潮力

地球所受引潮力主要是月球和太陽對地球的萬有引力與地球繞地月及日地公共質(zhì)心運動產(chǎn)生的慣性離心力的合力。月球和太陽引潮力中又以月球的引潮力為主，它是太陽引潮力的2.18倍。引潮力與重力相比較為微小，人們通常是很不易感覺的，但地球?qū)@種力卻有顯著反應，最直觀的反應便是海洋潮汐。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日

引潮力對水圈引起的“潮汐”稱為“液體潮”，主要體現(xiàn)為海洋潮汐。世界大洋的平均引潮力可使海面垂直漲落約0.8m。引潮力對固體地殼引起的“潮汐”稱為“固體潮”，固體潮每天的變化十分規(guī)則。引潮力對大氣層引起的潮汐稱為“氣潮”，據(jù)估算，大氣中由于月球引潮力所產(chǎn)生的能量，約為地表太陽能總量的3×10-8倍。一、引潮力第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日一、引潮力1、海洋潮汐圖1月球引力產(chǎn)生的潮汐摩擦作用第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日海洋潮汐對自然地理環(huán)境的影響意義引潮力對海洋的水平引力作用形成大規(guī)模短周期性海洋潮流，在淺海地區(qū)潮流對海底產(chǎn)生的摩擦作用，使地球的自轉(zhuǎn)速度變慢，導致日長增加。海洋潮汐的產(chǎn)生使海洋與大陸之間形成一個周期性被疏干的地帶，稱為“潮間帶”。它的存在成為地球上海洋生物向陸地“進軍”的“灘頭陣地”，促成陸地生物的發(fā)展，改變了自然地理系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)。1、海洋潮汐第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日氣潮：引潮力對大氣層產(chǎn)生的潮汐作用，可使大氣壓力產(chǎn)生周期性變化，這種變化即為氣潮。對一些天氣現(xiàn)象有重要影響，氣潮在高空可形成50m/s的強風，從而影響全球高空氣流。月相變化引起的氣潮對臺風及颶風有影響。天氣預報方面月相變化對氣潮的影響也是一個值得考慮的因素。氣潮加強了大氣圈內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)，使天氣變化復雜化。2、氣潮第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日固體潮:引潮力對固體地殼引起的“潮汐”。固體潮使地面發(fā)生升降變動，地面的升降幅度理論上的最大值可大于50cm，一般則在30cm左右。固體潮在地表產(chǎn)生的地球物理現(xiàn)象主要還有重力的變化，地傾斜的變化，地面兩點間距離的相對變化，以及地球自轉(zhuǎn)速度的變化等。固體潮引起的重力和地形的變化，影響地殼運動的平衡，與地震的發(fā)生有一定聯(lián)系。3、固體潮第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日二、太陽輻射能在自然地理系統(tǒng)

中的作用1、太陽輻射能的意義太陽不斷地向宇宙空間以電磁波的形式輻射巨大的能量，到達地球外界的太陽能每年為5.526×1024J。雖然這部分能量只占太陽總輻射能的22億分之一，對于地球自然地理系統(tǒng)而言卻是極其重要的能量。與其它進入自然地理系統(tǒng)的能量相比，太陽輻射能幾乎成為使地球自然地理系統(tǒng)內(nèi)所有地理過程得以運行的全部能源。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、進入地球范圍的太陽能的分配

進入地球范圍的太陽能在地表和大氣中作如下分配：以到達地球大氣層頂?shù)奶栞椛淠転?00%，其中，37%被大氣中的云、塵埃物質(zhì)和地面直接反射回宇宙空間（反射量分別為27%、7%和3%）；63%被大氣層和地面吸收（大氣吸收20%，地面海洋和陸地吸收43%）。

大氣和地表所吸收的63%太陽能，便為自然地理系統(tǒng)的各組成部分所吸收、流通、轉(zhuǎn)化，成為驅(qū)動全部自然地理過程的根本動力。

第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3、太陽總輻射能在地球表面的分布

（1）、在赤道和熱帶地區(qū)收入的（吸收的）輻射能大于輸出（支出）的輻射能，屬于能量盈余地區(qū)；（2）、中、高緯度地區(qū)則為地面輸出輻射能大于輸入的輻射能，屬于太陽能量虧損地區(qū)；第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日

（3）在南、北半球南、北緯30～40度之間地面，則是太陽能收支量相等的地區(qū)。3、太陽總輻射能在地球表面的分布圖2各緯度地面與大氣對流層輻射收支(1)收入輻射值；(2)支出輻射值；(3)能量輸送值；A收支平衡點；箭頭為能量輸送方向第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日

（4）、經(jīng)向熱運動：由于低緯與高緯地區(qū)間凈輻射的分布差異，形成經(jīng)向熱力梯度，中低緯度地區(qū)的熱能向高緯地區(qū)輸送，稱之為“經(jīng)向熱運動”。年經(jīng)向熱輸送量以在中緯地帶為最大。除經(jīng)向熱運動外，海陸之間形成的周期性轉(zhuǎn)換方向的熱力梯度轉(zhuǎn)化成壓力梯度，形成的大氣環(huán)流，對于全球能量調(diào)整和區(qū)域性熱量平衡起著十分重要的作用。3、太陽總輻射能在地球表面的分布第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日三、地球表層的能量系統(tǒng)

地球表層的能量系統(tǒng)包括兩大能量循環(huán)系統(tǒng)：由大氣圈對流層、陸地表層和海洋表層所構(gòu)成的地氣能量循環(huán)；以生物（植物、動物、微生物）為主體、并與其非生物環(huán)境緊密聯(lián)系而構(gòu)成的能量循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)。第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、太陽能在無機圈中的傳輸與轉(zhuǎn)化（1）.大氣圈第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日全球大氣循環(huán)第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日(2).水圈地面熱輻射通過水分蒸發(fā)和蒸騰，轉(zhuǎn)化為汽化潛熱，引起地球上水體的三相變化及循環(huán)；在太陽能和重力的共同作用下，水在自然地理系統(tǒng)中不停地從一個圈層向另一個圈層轉(zhuǎn)移運動著，形成水分循環(huán)。其循環(huán)方式主要有兩種：一是通過汽、液、固三態(tài)轉(zhuǎn)化的方式在各圈層中運動；一是液態(tài)水在熱力和重力作用下，通過洋流或陸地地表及地下徑流進行物質(zhì)和能量的傳輸。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日（3）、巖石圈地表巖石在太陽輻射能的直接作用與間接作用下，發(fā)生風化、搬運、堆積作用，為土壤的形成提供成土母質(zhì)，并在水流和氣流作用下參與地質(zhì)循環(huán)；第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動與轉(zhuǎn)化

——生物循環(huán)綠色植物也面對不同的太陽輻射能具有選擇性吸收、透射和反射作用。波長（微米）吸收反射透射紫外區(qū)0.349190可見光區(qū)0.44871120.517614100.587614100.6478139紅外區(qū)1545502.465728（1）植物有機體對太陽能的吸收與轉(zhuǎn)化第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日（1）植物有機體對太陽能的吸收與轉(zhuǎn)化

植物葉面對太陽短波輻射是按短波吸收率進行吸收的，對來自大氣層和近地面的長波輻射是按長波輻射率進行吸收的。同時植物葉面以長波輻射的形式向天空和附近地面發(fā)放輻射。自養(yǎng)植物的營養(yǎng)器官所吸收的太陽能的轉(zhuǎn)化：①轉(zhuǎn)化為熱能消耗于植物體的增溫和用于促進植物水分的蒸騰；②一少部分可見光的光能轉(zhuǎn)化為化學能用于合成復雜的有機物質(zhì)：

6CO2+12H2O674千卡太陽能

C6H12O6+6H2O+6O2

第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日（1）植物有機體對太陽能的吸收與轉(zhuǎn)化當葉面溫度與氣溫不相同時，葉面與自由空氣間可進行熱能的傳遞與交換。蒸騰作用中，水氣從葉面向空氣中傳送，蒸騰的汽化潛熱量等于蒸發(fā)速度（W）與葉面下蒸發(fā)時的汽化潛熱(L)之積，在光合作用中空氣中的二氧化碳向葉面輸送，其光合熱等于二氧化碳運輸速度（M）與其固定熱（P）之積。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日（2）植物動物微生物之間的能量流動與消耗

①生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動：

首先從第一性生產(chǎn)過程中植物體內(nèi)的能量分配與消耗開始。正常情況下，第一性總生產(chǎn)量的50%以上用于植物自身的生命活動，其余40%除了少量暫時存在體內(nèi)外，大部分有兩個轉(zhuǎn)移方向：通過昆蟲、鳥類和各種草食動物的采食，能量轉(zhuǎn)移到動物肌體。伴隨植物枝葉的掉落，能量轉(zhuǎn)移到地表，潛存于土壤腐殖質(zhì)層中。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日②食物鏈：植物——一級消費者——二級消費者…….吃入能量——消化能量——代謝能量——凈能（各級消費者）流失流失流失糞便尿氣熱量試驗證明，伴隨食物進入草食動物肌體內(nèi)的能量只有10%的凈能被吸收利用于肌體的建造，實際轉(zhuǎn)移到下一級消費者肉食動物體內(nèi)的能量也在10%左右。其余部分的能量消耗于生命活動中的消化和代謝過程。（2）植物動物微生物之間的能量流動與消耗第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、太陽總輻射的氣候計算法太陽總輻射值表示著全球或某一區(qū)域能量總輸入的大小，該值對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的光能利用有直接的影響。太陽總輻射值為到達地表水平面的直接輻射與大氣散射輻射之和。在氣候?qū)W計算上一般采用經(jīng)驗公式：式中：S０——當?shù)乇炭諚l件下的天文輻射值［cal/（cm２?d）]；n——實際日照時數(shù)（h/d）；N——可日照時數(shù)（h／d）；a、b——為待定系數(shù)，a與大氣散射狀況、地表反射性質(zhì)有關(guān)；b與大氣透明度有關(guān)。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、太陽總輻射的氣候計算法對于S0的取值可用天文輻射年變程曲線內(nèi)插求得（即以每月15日天文輻射日總量代表月平均值），或按以下天文輻射日總量公式計算：式中：T——周期長度，取一天的長度，即1440min；I0——太陽常數(shù)，取1.95卡/厘米2?分；ρ——任意時刻以天文單位表示的日地距離，在0.9833～1.0167天文單位之間取值；ω0、φ、δ

——分別為當?shù)厝粘鋈諞]時角、地理緯度和赤緯。太陽總輻射的氣候計算法經(jīng)驗公式----彭曼法第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日我國八個地區(qū)四季a、b系數(shù)與相關(guān)系數(shù)r第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、自然地理系統(tǒng)中能量狀態(tài)方程

的一般表達式圖3能量在自然地理系統(tǒng)中的一般流動過程（牛文元，1981）第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、自然地理系統(tǒng)中能量狀態(tài)方程

的一般表達式

假定系統(tǒng)是確定性的，非隨機的、過程是線性的，時不變的，能量在系統(tǒng)內(nèi)各分室間的流通為受控制的。在以上設定條件下，能量在系統(tǒng)內(nèi)各分室中的流通狀態(tài)變化，可用一類微分方程表達：

式中：dx/dt

——（能量）狀態(tài)隨時間的變化率；F——對系統(tǒng)的（能量）輸入變量（組）；A——（能量）流通速率矩陣；X——各分室（能量）狀態(tài)變量。第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、自然地理系統(tǒng)中能量狀態(tài)方程

的一般表達式據(jù)圖3可知，外界對系統(tǒng)的輸入變量為F01…F05、F06，組成輸入向量組：其中：F01——外環(huán)境對大氣分室輸入的太陽輻射能；F05、F06——分別為地殼向土壤分室和水體分室輸入的熱能。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、自然地理系統(tǒng)中能量狀態(tài)方程

的一般表達式

狀態(tài)變量X是由系統(tǒng)內(nèi)6個分室的狀態(tài)變量構(gòu)成的向量組：其中：X1、X2、X3、X4、X5、X6——分別為大氣分室、植物分室、動物分室、微生物分室