第十二章-地球系統(tǒng)科學課件

第十二章新地球觀—地球系統(tǒng)科學教學重點：整體性、不可逆性。教學難點：地球系統(tǒng)科學的內(nèi)涵。第十二章新地球觀—地球系統(tǒng)科學教學重點：整體性、不可逆性1第一節(jié)地球是一個系統(tǒng)一、產(chǎn)生背景：1.傳統(tǒng)學科的成熟：氣象學、海洋學、地理學、地質(zhì)學、生態(tài)學等，形成了各自的研究方法、手段和目的。有的學科已達定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地認識地球。2.人類對地球的認識尺度擴大了—空間的、全方位的觀測，特別是對地觀測技術和計算機技術的發(fā)展。3.全球環(huán)境問題的挑戰(zhàn)。第一節(jié)地球是一個系統(tǒng)一、產(chǎn)生背景：2第十二章--地球系統(tǒng)科學ppt課件320世紀80年代國際科學界為迎接全球環(huán)境挑戰(zhàn)而提出了地球系統(tǒng)科學這一新的地球觀、研究地球的新方法、新的戰(zhàn)略學術思想——地球系統(tǒng)科學（ESS，Earthsystemscience）。以美國地球系統(tǒng)科學委員會在1988年出版的《地球系統(tǒng)科學》一書為標志：“地球系統(tǒng)科學”思想和概念被明確提出。20世紀80年代國際科學界為迎接全球環(huán)境挑戰(zhàn)而提出了地球系統(tǒng)4地球系統(tǒng)指由大氣圈、水圈、巖石圈、地幔、地核和生物圈（包括人類）組成的有機整體。地球系統(tǒng)科學就是研究組成地球系統(tǒng)的這些子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用中運轉(zhuǎn)的機制，地球系統(tǒng)變化的規(guī)律和控制這些變化的機理，從而為全球環(huán)境變化預測建立科學基礎，并為地球系統(tǒng)的科學管理提供依據(jù)。地球系統(tǒng)科學知識可以解決人類社會發(fā)展的許多現(xiàn)實問題。如人口、環(huán)境、資源、災害等重大問題。地球系統(tǒng)指由大氣圈、水圈、巖石圈、地幔、地核和生物圈（包括人5二、從整體論角度研究

強調(diào)地球系統(tǒng)，把地球的各組成部分作為相互作用的一個系統(tǒng)加以評述。將巖石圈、地幔、地核、大氣圈、水圈、生物圈（包括人類自身）等視為一個整體，探討由一系列相互作用過程聯(lián)系起來的復雜的、非線性多重耦合系統(tǒng)—地球系統(tǒng)的運行機制，以及地球系統(tǒng)的變化對地球上的生命產(chǎn)生什么因果關系；二、從整體論角度研究6強調(diào)在該系統(tǒng)中的主導全球變化的、相互作用的物理、化學和生物過程，特別是人類活動誘發(fā)的全球變化；強調(diào)地球系統(tǒng)是作為相互作用著的那些過程的集合，而不是單個組成部分的堆積。從宇宙體系角度來全面認識行星地球：將地球作為一個行星來研究。強調(diào)在該系統(tǒng)中的主導全球變化的、相互作用的物理、化學和生物過7三、地球系統(tǒng)科學的任務1.通過對地球系統(tǒng)的各組成部分及相互作用的演化，運作機制以及它們在所有時間尺度上將怎樣繼續(xù)演化的描述獲得全球范圍內(nèi)整個地球系統(tǒng)的科學認識。

2.發(fā)展預測未來10~100年可能出現(xiàn)的自然和人類活動誘發(fā)的全球變化的能力。3.在地球系統(tǒng)動力框架下，描述和認識：相互作用的物理、化學和生物學過程；生命支持系統(tǒng)—無生命的地球環(huán)境；全球變化下的人類活動的影響方式。三、地球系統(tǒng)科學的任務8英國自然環(huán)境研究委員會于2002年12月提出了一項地球系統(tǒng)科學研究計劃——量化并理解地球系統(tǒng)計劃，并于2004年7月發(fā)布了該計劃的科學計劃和實施計劃。該計劃主要集中于三個研究主題：現(xiàn)今的碳循環(huán)及其與氣候和大氣化學之間的相互作用；大氣成分在冰期－間冰期和更長時間尺度上的自然變化；全球環(huán)境變化對資源可持續(xù)利用的影響后果。英國自然環(huán)境研究委員會于2002年12月提出了一項地球系統(tǒng)科9德國聯(lián)邦政府教育與研究部和德國科學基金會共同策劃制定了超大型研究計劃—地球工程學。地球工程學是把地球的整體作為研究對象，該計劃將有助于從地史時期的發(fā)展過程研究中探索地球的未來狀況。該計劃中進一步明確了地球科學的任務，即與其他科學進行學科間合作，在工業(yè)方面為解決緊迫的、與社會發(fā)展關系重大的問題和生態(tài)問題做出貢獻。該計劃的研究目標是認識這些過程及其相互變化關系，以及評估人類對于自然平衡和自然循環(huán)的影響。

德國聯(lián)邦政府教育與研究部和德國科學基金會共同策劃制定了超大型10氣象學家葉篤正等以地球系統(tǒng)科學為指南，從整體的角度出發(fā)，從1987年開始開展了中國的全球變化預研究。2001年1月，路甬祥把對“地球系統(tǒng)整體行為的集成研究”列為21世紀科學家要面對的第九大挑戰(zhàn)。2002年10月，溫家寶在中國地質(zhì)學會80周年紀念大會上講話時也強調(diào)，必須實現(xiàn)傳統(tǒng)地質(zhì)工作向以“地球系統(tǒng)科學”為核心內(nèi)容的現(xiàn)代地質(zhì)工作的轉(zhuǎn)變。自然科學基金委地學部也于2002年3月提出了21世紀初的地球科學戰(zhàn)略重點，擬定了“以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線，從我國具有優(yōu)勢的前沿領域?qū)ふ抑鞴ツ繕恕钡膬?yōu)先資助領域戰(zhàn)略。氣象學家葉篤正等以地球系統(tǒng)科學為指南，從整體的角度出發(fā)，從111四、地球系統(tǒng)科學具有的特點1.把地球看成一個復雜的有機整體，由地圈、大氣圈、水圈和生物圈組成。地球上所發(fā)生的任何一種局部的過程或現(xiàn)象都不是孤立的，都是地球系統(tǒng)變化的反映。2.研究的問題在廣度和深度上都是巨大的。3.地球系統(tǒng)科學尋求大跨度的學科交叉，構建地球的演變框架，并以傳統(tǒng)學科為手段來理解演變過程中發(fā)生的復雜的相互作用及原因。四、地球系統(tǒng)科學具有的特點12五、地球系統(tǒng)科學的研究方法步驟1.觀測數(shù)據(jù)的采集；2.觀測數(shù)據(jù)的分析和解釋；3.概念和數(shù)值模式的建立（和實驗）；4.模式的驗證，并用它作未來變化趨勢的統(tǒng)計預報。五、地球系統(tǒng)科學的研究方法步驟13第二節(jié)地球動力系統(tǒng)地球是一個動力系統(tǒng)，地球上所有物質(zhì)都在不斷地運動，而且都具有一定的速度、一定的演化過程并有一定的動力學機制。地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)；空氣的流動；大氣的溫度、濕度與成分的變化；水體的流動、化學成分的變化；生物的繁衍、死亡、進化與變異；巖石圈的變形與變位，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；地幔物質(zhì)的分異、混雜與熱對流；地核的轉(zhuǎn)動和物質(zhì)成分的變化。第二節(jié)地球動力系統(tǒng)地球是一個動力系統(tǒng)，地球上所有物質(zhì)14地球上不同物質(zhì)的運動都有其獨特的動力學機制。地球內(nèi)部和外部因素：—地球內(nèi)部：重力場、自轉(zhuǎn)、溫度、壓力、物質(zhì)成分的不均一等；—地球外部：月球、行星、太陽系、銀河系等的引力和輻射。地球上不同物質(zhì)的運動都有其獨特的動力學機制。15第三節(jié)開放的地球系統(tǒng)地球誕生以來，整個系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間一直發(fā)生著質(zhì)量、能量、動量的交換。

—接受外界的：原始地球的形成；隕石撞擊地球；接受太陽能的輻射；接受宇宙射線的輻射。第三節(jié)開放的地球系統(tǒng)地球誕生以來，整個系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間16

—地球自身耗散：火山爆發(fā)；噴泉；地球自轉(zhuǎn)消耗轉(zhuǎn)動慣性能，自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢?！厍蜃陨砗纳ⅲ?7要把地球當作宇宙系統(tǒng)中的一份子，當作開放系統(tǒng)來看。自轉(zhuǎn)速度的變化，地極移動，地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道半徑或偏心率的變化，日月或大行星對地球引力的變化，太陽輻射能（如黑子）的變化，隕石撞擊太陽系在銀河系內(nèi)公轉(zhuǎn)一周等宇宙因素都可以對地球各圈層的運動變化發(fā)生作用。要把地球當作宇宙系統(tǒng)中的一份子，當作開放系統(tǒng)來看。18第四節(jié)圈層間的強相互作用

地球系統(tǒng)的復雜性：組成地球系統(tǒng)的大量不同的單元（子系統(tǒng)）間的強相互作用（非線性的作用），使地球系統(tǒng)自發(fā)地涌現(xiàn)出總體性狀、結構與動力學行為。

耦合作用：兩個系統(tǒng)通過相互作用，彼此影響以致緊密聯(lián)合起來的現(xiàn)象。

解耦作用：通過相互作用之后，兩體系解除耦合關系，仍分別各具特色、自成體系的現(xiàn)象。第四節(jié)圈層間的強相互作用地球系統(tǒng)的19地球各圈層的強相互作用表現(xiàn)為：1.相鄰兩圈層之間強相互作用：水圈—大氣圈—生物圈—巖石圈；殼—幔、核—幔。

2.不相鄰圈層之間相互作用：重力場—地球深部物質(zhì)；地表磁場—內(nèi)外核；巖石圈內(nèi)的地溫場—深部地幔傳導熱、對流熱和殼內(nèi)放射性元素蛻變熱；地內(nèi)熱—地震；厄爾尼諾、拉尼娜—地幔放氣、排熱。地球各圈層的強相互作用表現(xiàn)為：20第五節(jié)不可逆的進化地球演化隨時間演化的不對稱性和單向性。生物界：由低級到高級、簡單到復雜演變。無機界：經(jīng)過多年的隕石研究、高溫高壓實驗以及宇宙化學、天體物理學、天文學、地質(zhì)學和生物學的研究，發(fā)現(xiàn)宇宙中地球的各圈層—地核、地幔、地殼、大氣圈、水圈與生物圈，都是在相互作用下，不斷地由簡單到復雜、由低級到高級的演化發(fā)展，并按照各自的規(guī)律(自組織性)、不可逆地、前進式的演化。第五節(jié)不可逆的進化地球演化隨時間演化的不對稱性和單向性21137億年前的宇宙大爆炸形成眾多的星系和恒星；通過恒星內(nèi)的熱核反應和超新星的爆炸形成輕重不同的元素（以H、He為主）。45.5億年前的一次罕見的超新星爆炸的沖擊波使由星際間冷的固體塵埃和氣體組成的原始太陽星云運動加速、密度增大，發(fā)生凝聚，形成太陽以及圍繞它旋轉(zhuǎn)的星云物質(zhì)。太陽周圍的固體、氣體物質(zhì)，經(jīng)過冷凝，以固體顆粒為中心，通過反復隨即碰撞吸積、逐漸增大質(zhì)量，形成八大行星（先形成類木行星，后形成類地行星）。137億年前的宇宙大爆炸形成眾多的星系和恒星；通過恒星內(nèi)的熱22原始地球處于高溫熔融狀態(tài)，形成圈層化的重力分異作用。強烈的熱活動便于物質(zhì)分異與遷移，形成地核、地幔。在火山作用、隕石撞擊的作用下，在40億年前逐漸形成原始大陸，晶體結構較松散的鋁硅酸鹽在地表聚集形成陸殼。同時，巖漿活動排氣形成初步的大氣圈；氣體冷凝下來逐漸形成水圈。這種大氣與水侵蝕地表、分解硅酸鹽，使Ca2+、Mg2+、K+、Na+溶于水，并形成白云巖、灰?guī)r（固炭）、海水也變咸。原始地球處于高溫熔融狀態(tài)，形成圈層化的重力分異作用。強烈的熱23陸核的主要增生時期為距今30~18億年。起初由于235U誘發(fā)裂變能和3+Al輻射能的作用猛烈，地球內(nèi)部熱活動一直比較強烈，物質(zhì)在垂直方向上的分異、對流、遷移等作用都相當劇烈。18億年以后，235U誘發(fā)裂變能已釋放完畢，熱能的釋放主要靠較弱的、長壽命放射性元素238U、Th和K等，能量顯著降低，使地球內(nèi)部變冷，巖石可塑性變小，導致上地幔的頂部層位和地殼合成一個統(tǒng)一的巖石圈。陸核的主要增生時期為距今30~18億年。24第六節(jié)均變與災變均變論：18世紀末葉到19世紀初葉，地質(zhì)學的奠基人，郝頓(Hutton)和萊伊爾(Lyell,C)認為：許多大變化是由一系列微小的變動逐漸積累而形成的。這是“均變論”的主要觀點。災變論：以居維葉(Cuvier,G)為代表的“災變論”認為：生物演化過程中，“沒有一種緩慢進行的原因能產(chǎn)生突然的效果”，“所以地球上的生命進程曾多次被可怕事件所打斷”，“地球表面曾經(jīng)歷過相繼的革命及各種災變”。第六節(jié)均變與災變均變論：18世紀末葉到19世紀初葉，地質(zhì)25穩(wěn)定期（均變）：是一種非平衡的相對靜態(tài)，演化呈現(xiàn)為相對有序的特征。大氣圈的年平均溫度基本穩(wěn)定；氣候帶的劃分基本固定；海平面變化幅度較?。簧锓€(wěn)定地繁衍、復蘇或發(fā)育；地磁極變化幅度較小。穩(wěn)定期（均變）：是一種非平衡的相對靜態(tài)，演化呈現(xiàn)為相對有序26穩(wěn)定期的地質(zhì)表現(xiàn)：地層內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)沉積、地層間呈現(xiàn)為整合接觸關系、地熱能穩(wěn)定積累，熱活動微弱；巖漿活動稀少和微弱；以埋藏變質(zhì)為主；構造應力逐漸積累與調(diào)整，主應力方向不明顯，差應力值?。话鍓K穩(wěn)定升降，水平位移量較??；巖石變形微弱；隕擊作用微弱，各天體處于相對穩(wěn)定。穩(wěn)定期的地質(zhì)表現(xiàn)：27活躍期（災變）：突變期或災變期，呈現(xiàn)為極不平衡的無序狀態(tài)。常表現(xiàn)為發(fā)生異常氣象，大氣溫度劇變，氣候帶遷移；海平面大幅度升降；生物種群滅絕；地磁極翻轉(zhuǎn)?；钴S期（災變）：突變期或災變期，呈現(xiàn)為極不平衡的無序狀態(tài)。28活躍期的地質(zhì)表現(xiàn)：地層中出現(xiàn)沉積間斷，地層間呈現(xiàn)出角度不整合接觸關系；地球內(nèi)部熱能大量釋放，巖漿活動與各種變質(zhì)作用劇烈；巖石圈內(nèi)構造應力猛烈釋放，巖石發(fā)生強烈變形，構造應力的定向性明顯，差應力值較大，板塊升降幅度與水平位移量都較大；常發(fā)生大規(guī)模的隕擊事件，各天體對地球的引力作用常出現(xiàn)某種的異常變化?；钴S期的地質(zhì)表現(xiàn)：29災變事件的滯后現(xiàn)象首先，以一次巨大的隕擊作用作為誘發(fā)因素，引起全球電磁場劇變和地磁極的翻轉(zhuǎn)，隕石撞擊巖石圈表層引起大爆炸，粉塵升到大氣圈上部，遮蔽了太陽幅射能，造成全球氣溫驟降；或可引起海平面的劇烈變化，發(fā)生海嘯；隕擊作用后幾年到數(shù)萬年的時間內(nèi)，大氣與海洋環(huán)境的巨大變化，使不能適應環(huán)境的生物大量滅絕。災變事件的滯后現(xiàn)象30

如果隕擊在海洋巖石圈上(其厚度僅數(shù)十千米)，在重力均衡作用下，將誘發(fā)深部地幔物質(zhì)上涌，促使海洋板塊擴張，進