環(huán)境地學(xué)-趙燁-第2章

1、1 2 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)的外圍空間太陽系 2.2 地球-月球系統(tǒng)及其運動 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)與人類社會的相互關(guān)系 2.6 思考題與個案分析 2 2.1 地球環(huán)境系統(tǒng)的外圍空間太陽系 2.1.1 太陽系概況 太陽系是由恒星太陽、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)。太陽是太陽系的中心天體，占太陽 系總質(zhì)量的99.86%，其他天體都在太陽的引力作 用下繞其公轉(zhuǎn)。 3 按照2006年在布拉格召開的國際天文學(xué)聯(lián) 合會（IAU）新的定義，太陽系中共計有八大行

2、星，按距太陽遠(yuǎn)近排列依次為水星、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，原來的行星冥王星被降級 為矮行星。 4 圖2-1 太陽系組成結(jié)構(gòu)示意圖 （冥王星被降級為矮行星） 5 2.1.2 太陽的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 太陽是一個熾熱的氣體球，在廣闊的恒星世 界中，太陽是一顆中等質(zhì)量的壯年星。根據(jù)天文 觀測得知，日地平均距離為1.496 108 km，太陽 的平均半徑為6.69 105 km，是地球赤道半徑的 109倍；太陽體積約為地球體積的130104倍。 6 太陽常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣 層頂垂直太陽光束方向的單位面積、單位時間所 接受到的太陽輻射能。據(jù)20世紀(jì)

3、60年代的測量結(jié) 果，太陽常數(shù)為1373 W/m2，據(jù)此推算的太陽表 面平均溫度為6000 K。 7 太陽大氣層從內(nèi)到外可分為光球、色球和 日冕三層。 太陽的X射線圖像 太陽的可見光圖像 8 太陽黑子是指光球上經(jīng)?？梢钥吹皆S多黑 色斑點，是光球表面劇烈旋渦狀氣流形成的局 部強磁場區(qū)域，是光球活動的重要標(biāo)志。太陽 黑子在光球表面的大小、多少、位置和形態(tài)等 時刻都在變化，其變化對地球環(huán)境系統(tǒng)變化具 有重要的影響。 9 2.1.2 行星及其運動 人類經(jīng)過千百年的探索，到16世紀(jì)著名天文 學(xué)家哥白尼建立了日心學(xué)說，隨后人們才逐漸認(rèn) 識到：地球是繞太陽公轉(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

4、個圍繞太陽運動的 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，朝同一方向繞太陽公轉(zhuǎn)，即行星的 軌道運動具有共面性、近圓性和同向性，只有 水星稍有偏離。太陽的自轉(zhuǎn)方向也與行星的公 轉(zhuǎn)方向相同。 12 行星圍繞太陽的運動，都遵循開普勒三大定 律：行星沿橢圓軌道運動，太陽位于橢圓的一 個焦點上；在行星繞太陽運動的過程中，它的 向徑（行星與太陽的連線）在單

5、位時間所掃過的 面積相等；行星公轉(zhuǎn)周期T的平方與行星軌道 長半徑的立方成正比。 13 14 行星圍繞太陽公轉(zhuǎn)的運動狀態(tài)可以用以下5 個軌道參數(shù)來描述： 軌道長半徑a和短半徑b 軌道偏心率e 軌道傾角i 升交點黃經(jīng) 近日點角距 15 圖2-4 行星公轉(zhuǎn)軌道要素示意圖 16 根據(jù)2006年國際天文學(xué)聯(lián)合會的新定義，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)。目前已登記在冊和編了號的小行 星已

6、超過8000顆。 18 彗星是繞太陽運行的一種微小天體，是由冰 凍著的各種雜質(zhì)、塵埃組成云霧狀的斑點。彗星 的質(zhì)量很小，大的彗星的質(zhì)量約為1020 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)。 19 2.2 地球-月球系統(tǒng)及其運動 2.2.1月球概況 地球是太陽系八大行星之一，按離太陽由近 及遠(yuǎn)的次序為太陽系的第三顆行星。地球有一個 天然衛(wèi)星月球，二者組成一個天體系統(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，月球平均

7、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)的軌道是一個橢圓，地球 位于橢圓的一個焦點上，月球繞地球公轉(zhuǎn)方向與 地球繞太陽公轉(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，近地點平均距離 為363 300 km，遠(yuǎn)地點平均距離為405 500 km。 22 圖2-5 地球與月球運動圖解 23 月食和日食是特殊的天象，也是短暫而無明 顯危害的自然現(xiàn)象，它們的發(fā)生都與月球、地球、 太陽三者的相對運動密切相關(guān)。 24 圖2-6 日蝕過程示意圖 25 圖2-7

8、2007年8月28日的月全食的全過程 26 圖2-8 月蝕過程示意圖 27 2.2.2 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 動。其自轉(zhuǎn)運動的方向在北半球來看呈現(xiàn)逆時針 方向，也就是自西向東。太陽從東方升起也正是 由于地球向這個方向自轉(zhuǎn)的結(jié)果。 28 圖2-9 恒星日與太陽日的比較圖（E表示地球，F(xiàn)表示恒星） 29 地球自轉(zhuǎn)使地球表面對稱地出現(xiàn)兩個線速 度和角速度都為零的點，它們被分別稱為南極 點和北極點，兩者的連線就是地軸。經(jīng)過南北 兩個極點并與地表相交的大圓，稱為經(jīng)線圈； 所有的經(jīng)線圈都被南北極點等分為兩個相對的 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

9、性地接受太陽輻射，從而緩和了地球表面環(huán)境變 化的時空梯度，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 對地球環(huán)境系統(tǒng)中的物質(zhì)運動有重要的影響。 31 2.2.3 地球公轉(zhuǎn) 地球在橢圓軌道上圍繞太陽的運動稱為公轉(zhuǎn)。 從地球北極高空來看，地球公轉(zhuǎn)的方向也是自西 向東的，即呈現(xiàn)逆時針方向。地球公轉(zhuǎn)也是一種 周期性運動，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周所需的時間 為一年。 32 圖2-10 恒星年與回歸年的比較 33 地球公轉(zhuǎn)軌道是一個近似圓形的橢圓，其偏 心率約為0.017，太陽位于橢圓的一個焦點上，每 年大約在1月3日地球距離太陽最近，

10、此時地球在 軌道上的位置稱為近日點，這時日地的距離只有 1.4703108 km；大約在7月4日地球距離太陽最遠(yuǎn)， 此時地球在軌道上的位置稱為遠(yuǎn)日點，這時的日 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)過程示意圖 36 圖2-13 請問這是大致幾月份的影像圖？ 現(xiàn)在是北京時間大致幾點鐘？ 37 2.3 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發(fā)育的 溫度場、壓力場、電磁輻射場、充裕氧氣和液態(tài)水 的星球；唯一經(jīng)由板塊構(gòu)造過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

11、.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）又通過大陸和島嶼而圍成的整個地球的形 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變化，導(dǎo)致和鉛垂線垂直的 大地水準(zhǔn)面成為一個復(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 對于地球橢球體大小和形體由于各國采用不同 的資料，其橢球體的元素值也是不同的。世界各 國常用地球橢球體模型的數(shù)據(jù)，如下表所示。 4

12、2 圖2-16 43 2.3.2 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。 44 2.3.3 地核和地幔系統(tǒng) 根據(jù)對地震波傳播的研究，地球內(nèi)部分為四 個主要圈層，即地殼、地幔、地外核和地內(nèi)核。 各個圈層之間存在著一個物理上不連續(xù)的界面， 即莫霍洛維奇界面(Mohorovicic Discontinuity)，簡 稱莫霍面、古登堡面（Gutenbery Discontinuity） 和利曼界面（Rehmann Discontin

13、uity）。 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，只是薄 薄的一層，幾乎可以忽略不計。 46 2.3.4 地球表層系統(tǒng) 地球表層系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、生物圈、 土壤圈、巖石圈和人類智慧圈所組成的復(fù)雜開 放系統(tǒng)，也是環(huán)境科學(xué)、環(huán)境地學(xué)和地理科學(xué) 重要的研究內(nèi)容。 47 圖2-17 地球環(huán)境系統(tǒng)示意圖 48 2.3.5 地球演化 根據(jù)地球最古老的巖石及其放射性同位素的 測定，地球大約誕生于46億年前。地球形成的早

14、期是一個灸熱的球體，球體表面的大氣中幾乎沒 有氧氣，即早期的地球是一個無生命的世界。經(jīng) 過數(shù)十億年的演化才逐漸形成了現(xiàn)代地球環(huán)境。 49 2.4 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)境地學(xué)研究中，W.G.Hoekstra 于1972年認(rèn)為，生命有機(jī)體對于任何一種化學(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

15、量或不足，都會破壞生命體內(nèi)的生理平衡，從而 發(fā)生生理異常引起病患。 51 2.4.2 能量形態(tài)與質(zhì)量 能量是度量物質(zhì)運動的一種物理量，一般解釋 為物質(zhì)做功的能力。能量的基本類型有：勢能、動 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的能量均來自于太陽輻射能。 52 2.4.3 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)境研究過程中，應(yīng)該從調(diào)節(jié)物質(zhì) 轉(zhuǎn)化過程、調(diào)控能量流過程兩個途徑入手，協(xié) 調(diào)人類活動與地球環(huán)境之間的相互關(guān)系。 53 2.4.4 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 過程一般遵

16、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)化過程 中，總會有能量的損失；物質(zhì)、能量、空間、時 間和多樣性都屬于資源的范疇。 54 2.5 地球環(huán)境系統(tǒng)與人類社會的相互關(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€物 種首先出現(xiàn)在距今約300萬年前的第四紀(jì)初期，人 類演化分為猿人階段、古人階段、新人階段 。 55 2.5.2 人類對地球環(huán)境系統(tǒng)的影響 在人類社會生存和發(fā)展的過程中，人類無時 無刻不從地球環(huán)境系統(tǒng)之中采集和利用各種資源， 也無時無刻不在改造著地球環(huán)境。這種改造可以 劃歸為人類有意識的和無意識的兩種方式。 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)境帶來了巨大的生機(jī)和活力，同時由于地 球環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜多變性和人類認(rèn)識的局限性， 人類社會在自身生存和發(fā)展的過程中，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。 57 2.5.3 地球環(huán)境系統(tǒng)對人類社會的影響 地球環(huán)境系統(tǒng)對人類社會生存和發(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 方面。 自然資源是人類社會生產(chǎn)生活原料和燃料的 來源，或是社會生產(chǎn)力布局的必要條件和場所。 58 自然災(zāi)害是指發(fā)生在地球表層并給人類 社會帶來重大損失與危害的各種自然變異過 程和事件。一般將自然災(zāi)害劃分為