环境地学-赵烨-第2章

2-地球环境系统12地球环境系统——目录2.1地球环境系统的外围空间——太阳系2.2地球-月球系统及其运动2.3地球环境系统及其演化2.4地球环境系统中的物质和能量2.5地球环境系统与人类社会的相互关系2.6思考题与个案分析2-地球环境系统22.1地球环境系统的外围空间——太阳系2.1.1太阳系概况太阳系是由恒星太阳、行星及其卫星、小行星、矮行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。太阳是太阳系的中心天体，占太阳系总质量的99.86%，其他天体都在太阳的引力作用下绕其公转。2-地球环境系统3按照2006年在布拉格召开的国际天文学联合会（IAU）新的定义，太阳系中共计有八大行星，按距太阳远近排列依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，按照最新的行星定义，原来的行星冥王星被降级为矮行星。2-地球环境系统4图2-1太阳系组成结构示意图（冥王星被降级为矮行星）2-地球环境系统52.1.2太阳的物质组成和结构太阳是一个炽热的气体球，在广阔的恒星世界中，太阳是一颗中等质量的壮年星。根据天文观测得知，日地平均距离为1.496108km，太阳的平均半径为6.69105km，是地球赤道半径的109倍；太阳体积约为地球体积的130×104倍。2-地球环境系统6太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层顶垂直太阳光束方向的单位面积、单位时间所接受到的太阳辐射能。据20世纪60年代的测量结果，太阳常数为1373W/m2，据此推算的太阳表面平均温度为6000K。2-地球环境系统7太阳大气层从内到外可分为光球、色球和日冕三层。太阳的X射线图像太阳的可见光图像2-地球环境系统8太阳黑子是指光球上经常可以看到许多黑色斑点，是光球表面剧烈旋涡状气流形成的局部强磁场区域，是光球活动的重要标志。太阳黑子在光球表面的大小、多少、位置和形态等时刻都在变化，其变化对地球环境系统变化具有重要的影响。2-地球环境系统92.1.2行星及其运动人类经过千百年的探索，到16世纪著名天文学家哥白尼建立了日心学说，随后人们才逐渐认识到：地球是绕太阳公转的行星之一，而包括地球在内的八大行星则构成了一个围绕太阳运动的行星系。2-地球环境系统10八大行星可归为三类：①类地行星，包括水星、金星、地球、火星等体积和质量都较小，密度大，卫星少的行星；②巨行星，包括木星、土星，其特征是体积和质量大，密度小，卫星多；③远日行星，包括天王星、海王星，其特征介于前两者之间。2-地球环境系统11八大行星都在接近同一平面的近圆形的椭圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转，即行星的轨道运动具有共面性、近圆性和同向性，只有水星稍有偏离。太阳的自转方向也与行星的公转方向相同。2-地球环境系统12行星围绕太阳的运动，都遵循开普勒三大定律：①行星沿椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上；②在行星绕太阳运动的过程中，它的向径（行星与太阳的连线）在单位时间所扫过的面积相等；③行星公转周期T的平方与行星轨道长半径的立方成正比。2-地球环境系统132-地球环境系统14行星围绕太阳公转的运动状态可以用以下5个轨道参数来描述：轨道长半径a和短半径b轨道偏心率e轨道倾角i升交点黄经近日点角距2-地球环境系统15图2-4行星公转轨道要素示意图2-地球环境系统16根据2006年国际天文学联合会的新定义，同样具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体被称为“矮行星”。冥王星被降级为一颗矮行星。2-地球环境系统17小行星是指主要分布于火星和木星轨道之间，围绕太阳旋转的为数众多的小天体。大多数小行星的体积都很小，是形状不规则的石块或碎屑物质。目前已登记在册和编了号的小行星已超过8000颗。2-地球环境系统18彗星是绕太阳运行的一种微小天体，是由冰冻着的各种杂质、尘埃组成云雾状的斑点。彗星的质量很小，大的彗星的质量约为1020kg，即不及地球质量的1/104；小彗星的质量不到1012kg，不及月球质量的1/(100×108)。2-地球环境系统192.2地球-月球系统及其运动2.2.1月球概况地球是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序为太阳系的第三颗行星。地球有一个天然卫星——月球，二者组成一个天体系统——地月系统。2-地球环境系统20月球直径约为3476km，是地球的3/11；月球体积只有地球的1/49，月球质量约为7.35×1019t，约为地球质量的1/81，可见，月球平均密度为3.341g/cm3，约为地球平均密度的60.5%。月球表面的重力加速度为1.622m/s2，相当于地球表面重力加速度的1/6。2-地球环境系统21月球围绕地球公转的轨道是一个椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上，月球绕地球公转方向与地球绕太阳公转的方向相同，即由西向东转。月球轨道的偏心率（e）为0.0549，近地点平均距离为363300km，远地点平均距离为405500km。2-地球环境系统22图2-5地球与月球运动图解2-地球环境系统23月食和日食是特殊的天象，也是短暂而无明显危害的自然现象，它们的发生都与月球、地球、太阳三者的相对运动密切相关。2-地球环境系统24图2-6日蚀过程示意图2-地球环境系统25图2-72007年8月28日的月全食的全过程2-地球环境系统26图2-8月蚀过程示意图2-地球环境系统272.2.2地球自转地球自转就是地球绕其本身轴线做的旋转运动。其自转运动的方向在北半球来看呈现逆时针方向，也就是自西向东。太阳从东方升起也正是由于地球向这个方向自转的结果。2-地球环境系统28图2-9恒星日与太阳日的比较图（E表示地球，F表示恒星）2-地球环境系统29地球自转使地球表面对称地出现两个线速度和角速度都为零的点，它们被分别称为南极点和北极点，两者的连线就是地轴。经过南北两个极点并与地表相交的大圆，称为经线圈；所有的经线圈都被南北极点等分为两个相对的半圆，称为经线。2-地球环境系统30地球的自转使得地球表面不同区域都能周期性地接受太阳辐射，从而缓和了地球表面环境变化的时空梯度，为生物生存创造了适宜的气压、温度、湿度等气候条件；地球自转对沿海地区潮汐涨落具有重要的阻尼与缓和作用；地转偏向力对地球环境系统中的物质运动有重要的影响。2-地球环境系统312.2.3地球公转地球在椭圆轨道上围绕太阳的运动称为公转。从地球北极高空来看，地球公转的方向也是自西向东的，即呈现逆时针方向。地球公转也是一种周期性运动，地球围绕太阳公转一周所需的时间为一年。2-地球环境系统32图2-10恒星年与回归年的比较2-地球环境系统33地球公转轨道是一个近似圆形的椭圆，其偏心率约为0.017，太阳位于椭圆的一个焦点上，每年大约在1月3日地球距离太阳最近，此时地球在轨道上的位置称为近日点，这时日地的距离只有1.4703108km；大约在7月4日地球距离太阳最远，此时地球在轨道上的位置称为远日点，这时的日地距离则为1.5087108km。2-地球环境系统34图2-11地球公转轨道示意图2-地球环境系统35图2-12地球公转过程示意图2-地球环境系统36图2-13请问这是大致几月份的影像图？现在是北京时间大致几点钟？2-地球环境系统372.3地球环境系统及其演化2.3.1地球环境系统概况地球是目前发现的唯一有适宜生物生长发育的温度场、压力场、电磁辐射场、充裕氧气和液态水的星球；唯一经由板块构造过程不断更新的地表结构，使生命体所必需养分反复循环的星球。地球质量5.976×1024kg，平均密度5.52g/cm3。2-地球环境系统38将假想的、静止的平均海平面（称为大地水准面）又通过大陆和岛屿而围成的整个地球的形体，作为大地球体。大地水准面的特征就是处处和铅垂线相垂直。由于铅垂线的方向取决于地球内部质量的吸引力，而地球内部质量分布不均，这引起铅垂线方向的变化，导致和铅垂线垂直的大地水准面成为一个复杂的曲面。2-地球环境系统39图2-14大地水准面和参考扁球比较图2-地球环境系统40图2-15地球表面、大地水准面与参考扁球体面的比较示意图2-地球环境系统41对于地球椭球体大小和形体由于各国采用不同的资料，其椭球体的元素值也是不同的。世界各国常用地球椭球体模型的数据，如下表所示。2-地球环境系统42图2-162-地球环境系统432.3.2地球环境系统的组成结构地球环境系统简便的划分是分为地圈和生物圈，其中地圈是各种地球物理状态的整体综合，包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈；生物圈也称为全球生态系统，其中包含生物圈中重要的组成成分——智慧圈。2-地球环境系统442.3.3地核和地幔系统根据对地震波传播的研究，地球内部分为四个主要圈层，即地壳、地幔、地外核和地内核。各个圈层之间存在着一个物理上不连续的界面，即莫霍洛维奇界面(MohorovicicDiscontinuity)，简称莫霍面、古登堡面（GutenberyDiscontinuity）和利曼界面（RehmannDiscontinuity）。2-地球环境系统45在地质学研究中常常将地壳和上地幔顶部刚性岩石层统称为岩石圈，其厚度约60～120km。岩石圈厚度不均一，通常认为在大洋中脊处岩石圈厚度接近于零，到大陆下部大约100～150km处，岩石圈厚度和地球的半径比较起来，只是薄薄的一层，几乎可以忽略不计。2-地球环境系统462.3.4地球表层系统地球表层系统是由大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类智慧圈所组成的复杂开放系统，也是环境科学、环境地学和地理科学重要的研究内容。2-地球环境系统47图2-17地球环境系统示意图2-地球环境系统482.3.5地球演化根据地球最古老的岩石及其放射性同位素的测定，地球大约诞生于46亿年前。地球形成的早期是一个灸热的球体，球体表面的大气中几乎没有氧气，即早期的地球是一个无生命的世界。经过数十亿年的演化才逐渐形成了现代地球环境。2-地球环境系统492.4地球环境系统中的物质和能量2.4.1物质形态、结构与质量物质是指那些具有质量并占据一定空间的客观存在。在地球环境系统之中物质常以固态、液态、气态和等离子态存在；其存在形式可归结为元素和化合物两大类。2-地球环境系统50在环境科学与环境地学研究中，W.G.Hoekstra于1972年认为，生命有机体对于任何一种化学元素的适应范围都是比较狭窄的，例如家畜生长发育所必需的化学元素如铁、锌、锰、铜、硒的需要量与最小中毒量之间的比值为50左右。摄取过量或不足，都会破坏生命体内的生理平衡，从而发生生理异常引起病患。2-地球环境系统512.4.2能量形态与质量能量是度量物质运动的一种物理量，一般解释为物质做功的能力。能量的基本类型有：势能、动能、热能、电能、磁能、光能、化学能和原子能等，能量的不同形式可以相互转化。地球环境系统中大约99％的能量均来自于太阳辐射能。2-地球环境系统522.4.3物质与能量的转化物理、化学和生物转化物质转化定律在地球环境研究过程中，应该从调节物质转化过程、调控能量流过程两个途径入手，协调人类活动与地球环境之间的相互关系。2-地球环境系统532.4.4物质与能量转化的一般规律在地球环境系统中物质、能量的迁移转化过程一般遵守以下基本规律：能量守恒定律：能量永不消失，只能转化；在所有的能量转化过程中，总会有能量的损失；物质、能量、空间、时间和多样性都属于资源的范畴。2-地球环境系统542.5地球环境系统与人类社会的相互关系2.5.1人类是地球环境系统演化的产物人类学研究成果表明，我们人类作为一个物种首先出现在距今约300万年前的第四纪初期，人类演化分为猿人阶段、古人阶段、新人阶段。2-地球环境系统552.5.2人类对地球环境系统的影响在人类社会生存和发展的过程中，人类无时无刻不从地球环境系统之中采集和利用各种资源，也无时无刻不在改造着地球环境。这种改造可以划归为人类有意识的和无意识的两种方式。2-地球环境系统56人类积极地改造和优化区域自然环境，也给地球环境带来了巨大的生机和活力，同时由于地球环境系统的复杂多变性和人类认识的局限性，人类社会在自身生存和发展的过程中，也给了地球环境