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前言 人類對地球的開發、利用和探索研究活動由來已久,地質學、氣象學、水文學、土壤學和生態學等都有悠久的歷史。近幾十年來,科學家們逐漸熟悉到必須把地球作為一個由相互作用著的各個組元或子系統??主要是地核、地幔、土壤及巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈(包括人類社會) 組成的同一系統, 即地球系統來研究,才能真正深化對地球的研究,才能回答人類所面臨的一系列地球系統行為的緊迫環境題目。

事物是普遍聯系的,地球內部的物質在不斷運動和循環。地球外部的各個圈層之間相互聯系、相互制約,形成人類賴以生存的自然環境。人類與自然環境的關系是相互影響、相互制約的。人類活動在改造環境,環境對人類產生反作用,人類和環境協調發展,才能實現可持續發展的目標。

1地球表層四大圈層

地球表層指與人類直接有關的一部分地球環境,其范疇大致上始大氣對流層頂,下至巖石圈上部,包括大氣、水、巖石、生物在內的特殊圈層。地球表層的各圈層之間有著千絲萬縷的聯系,它們是相互關聯、互相滲透的。巖石圈承載著河流、湖泊,人類和一切生命系統也活躍在這里。在各圈層之間有非常廣泛的物質和能量的傳輸和交換。海洋和大氣之間的相互作用就是非常明顯的例證。大氣和水圈海洋的相互作用,可以影響到全世界的天氣變化。同時,它們承受變化而不產生災難的能力是有限的。

1.1巖石圈

地殼是地球表面一層薄薄的、由巖石組成的固體外殼,地球固體圈層的最外層,巖石圈的重要組成部分,其底界為莫霍洛維契奇不連續面(簡稱莫霍面)。整個地殼均勻厚度約 17 千米,其中大陸地殼厚度較大,均勻為33 千米。高山、高原地區地殼更厚,最高可達70 千米;平原、盆地地殼相對較薄。大洋地殼則遠比大陸地殼薄,厚度只有幾千米。

1.2大氣圈

大氣圈是地球外圈中最外部的氣體圈層,它包圍著海洋和陸地。大氣圈沒有確切的上界,在2000~公里高空仍有淡薄的氣體和基本粒子。在地下,土壤和某些巖石中也會有少量空氣,它們也可以為是大氣圈的一個組成部分。由于地心引力作用,幾乎全部的氣體集中在離地面100公里的高度范圍內,其中75%的大氣又集中在地面至10公里高度的對流層范圍內。對流層的氣溫隨高度的增加而降低,空氣對流運動明顯,是與人類關系最密切的一層,由于云、雨、霧、雪等天氣現象都發生在這一層。平流層大氣以水平運動為主,氣流平穩,適合飛機飛行。氣溫隨著高度的增加而升高,由于平流層的臭氧層吸收了大量的紫外線。高層大氣空氣密度很小,含有電離層,能夠反射無線電波,對人類的無線電通訊活動有重要作用。

地球大氣圈是一個保護層,使人類免受有害射線的照射,同時提供了人類生存所必須的氧氣。人類天天都在呼吸新鮮空氣,吸進氧氣,排出二氧化碳。空氣與陽光、水分一樣是不可缺少的。沒有大氣圈,人類乃至生物界將不能生存。

1.3水圈

水圈是地表和近地表的各種形態水的總稱,包括海洋、湖泊、河流、沼澤、冰川以及土壤和巖石孔隙中的水,生物圈中存在的水等。

水圈的主體是世界大洋,其面積占全球面積71%左右。陸地上的湖泊、河流、沼澤、冰川、地下水,甚至礦物中的水都是水圈的組成部分。可見,水是地球表面分布最廣泛的物質。同時,水也是地表最重要的物質和參與地理環境物質能量轉化的重要因素。在地球全部的水儲量中,陸地淡水僅占2.526%,而且盡大多數又以冰川的形式存在于極地和高緯度、高海拔地區。目前可供人類直接利用的淡水資源很少,因此,節約用水和保護水資源已成為當務之急。

水體水蒸發進進大氣,又在適當條件下降水回到地面和海洋。陸地降水一部分匯集于江河湖泊,另一部分滲透地下,最后都流進海洋,構成了水的循環。自然界的水就像這樣處于不斷地活動和循環狀態,從而為生物生長提供了適宜的供水條件。只有在水循環的作用下,才能把各個特征不同的水體聯系起來形成水圈。它是生物生存必要的環境條件之一,也對地球表層起著巨大的改造和建設作用。水分和能量的不同組合使地球表面形成了不同的自然帶和自然景觀類型,水溶解巖石中的營養物質,為滿足生物需要創造了條件。水分循環不僅調節天氣、凈化大氣,而且幾乎伴隨一切自然地理過程促進地理環境的發展與演化。

1.4生物圈

由于存在地球大氣圈、地球水圈和地表的礦物,在地球上這個合適的溫度條件下,形成了適合于生物生存的自然環境。人們通常所說的生物,是指有生命的物體,包括植物、動物和微生物。據估計,現有生存的植物約有40萬種,動物約有110多萬種,微生物至少有10多萬種。據統計,在地質歷史上曾生存過的生物約有5-10億種之多,然而,在地球漫長的演化過程中,盡大部分都已經滅盡了。現存的生物生活在巖石圈的上層部分、大氣圈的下層部分和水圈的全部,構成了地球上一個獨特的圈層,稱為生物圈。生物圈是太陽系所有行星中僅在地球上存在的一個獨特圈層。生物在促進太陽能轉化,改變大氣和水圈的組成,參與風化作用和成土過程,改造地表形態等方面起著重要的作用。

人是生物圈中占統治地位的生物,能大規模地改變生物圈,使其為人類的需要服務。然而,人類究竟是生物圈中的一個成員,必須依靠于生物圈提供一切生活資料。人類對生物圈的改造應有一定限度,超過限度就會破壞生物圈的動態平衡,造成嚴重后果。

人類以多種方式轉移地球物質,其以局部效應與整體效應兩種不同形式影響環境。如人類大量開采地下能源,形成塌陷區;人類削山采石,構筑大都市中星羅棋布的高層建筑群,造成地表沉降,還明顯改變其近地面層風場結構,產生干島、濕島、熱島效應等;而一些舉世著名的攔河筑壩、移山填海工程,變山川為湖泊、變水為陸,其嚴重影響生態環境的同時,改變了區域的地殼承力條件。但這類物質轉移,多以局部效應形式影響環境,人類已在關注研究它們的負面影響。人類從多方面對地球進行著改造,然而,人類卻無力完全恢復其本來面目。盡管人們的環境保護意識不斷進步,但自然規律無法改變。地球是人類的生存依靠,人們應全面關注和研究地球發生的一切變化。

2.圈層相互作用與自然地理學

地球表層系統是由巖石圈、大氣圈、水圈與生物圈相互作用而成的。要弄清地球表層環境發生、發展過程與變化規律,弄清其空間分布、分異特征與規律, 就必須從圈層的相互作用出發。圈層之間的相互作用,都是通過能量、物質與信息的交換來完成的。

2.1地球表層能量傳輸、交換與圈層相互作用

能量是維持地球表層系統運行與發展的動力,也是聯系四大圈層的橋梁和紐帶。圈層間進行著多種不同能量的傳輸。

第一,大氣圈與水圈之間存在著熱能、動能、化學能和勢能的傳輸與交換。由于大氣與水體之間溫度的差異,大氣圈與水圈之間熱能交換一直在不停地進行著。如冷空氣經過的水面會發生降溫現象,熱流對大氣有增溫、增濕作用。由于大氣與水面之間的摩擦作用,大氣運動往往影響和帶動水體的運動,如風吹拂水面會產生波浪,信風作用于洋面產生洋流。當然,水體的運動也會影響和改變大氣的運動,如在靜風天氣時,來到瀑布或快速活動的河流四周,立即感到風的存在,這是大氣圈與水圈動能交換的結果。大氣與水體(主要是海洋)之間在不斷地進行著物質的交換,在交換過程中也會發生某些化學反應,因此兩者之間也存在化學能的交換。氣壓代表了大氣勢能的大小。當大氣壓力不同或發生變化時,會改變水體的分布與位勢。如氣壓偏低時,海平面就會升高;當氣壓偏高時,海平面就會相應降低。如臺風經過的海面,由于臺風中心氣壓比較低,往往會導致海平面高出四周幾十厘米至幾米。當水體分布發生變化時,同樣也會引起氣壓的變化。又如,高山、高原冰川以及中高緯度地區冰蓋的發育,將會使這些地區的近地面氣壓升高,導致區域間的氣壓差增大。

第二,大氣圈與巖石圈之間存在著熱能、化學能、動能的交換。地面與大氣之間通過長波輻射、大氣逆輻射在進行著熱能的交換。大氣圈與巖石圈之間也在進行著物質的交換,發生著某些化學反應,如風化作用從大氣中吸收CO2,同時也使巖石中的某些元素開釋出來,因此兩圈之間存在著化學能的交換。通過大氣與地面之間的接觸與摩擦作用,巖石圈的動能可以傳遞給大氣圈,大氣圈的動能也可以傳遞給巖石圈。如地球自轉速度變化,通過地面摩擦動能從巖石圈傳遞給大氣圈,從而導致大氣運動速度的改變。研究表明,在厄爾尼諾年,由于地球自轉速度的減慢,在赤道四周的大氣可以獲得1cm/s 的向東相對速度。當然,大氣運動的動能也可以通過地面摩擦傳遞給固體地球。

第三,水圈與巖石圈之間存在著熱能、動能、勢能與化學能的交換。在水與巖石接觸的界面上,由于巖石與水溫度的差異,導致兩個圈層之間的熱能交換。最明顯的例子是海底火山、海底熔巖的溢出(如洋中脊),加熱了海水。熱流不僅熱和所經過地區的大氣,而且還熱和四周的巖石與土壤,冷流則對經過區域的大氣和巖石具有冷卻作用。巖石圈的變動往往引起水體分布的變化,水體分布的變化也會反過來通過均衡作用引起地面巖石高程的調整。如當山地隆升到一定高度,冰川開始發育,使原來分布于海洋的水體以固態水的形式分布在山體頂部,從而進步這些水的勢能。當冰川達到一定厚度,就會導致地面的均衡下沉,反過來對巖石圈的位勢產生一定的影響。水圈與巖石圈之間的物質交換也是很頻繁的,并且存在著一系列化學反應,從而進行著化學能的交換。如水對巖石的風化、分解與溶蝕,水中碳酸鹽、硅酸鹽等物質的析出與沉淀,海底火山噴出大量物質到海水中,洋中脊四周熔巖與海水的反應等,都是巖石圈與水圈化學能交換的例證。

第四,生物圈與其它三個圈層之間,普遍存在著熱能與化學能的交換。熱能的交換很好理解。假如沒有一定的氣溫、水溫順土壤溫度,生物是無法生長與發育的,生物需要從三大圈層中吸收熱量以保持自身所需要的溫度,當然生物呼吸也會放出熱量到三大圈層中。化學能的交換主要表現在生物圈與三大圈層之間的物質交換上,生物生長過程中不斷地從環境(三大圈層)吸收營養物質,同時生物的新陳代謝也不斷向環境(三大圈層)排泄出物質。生物死亡后生物體被分解,物質回回環境(三大圈層)。通過物質的循環及其化學反應,生物圈與三個圈層之間進行化學能的交換。碳、氮、氧、磷、硫、氯等物質的循環,就是一個很好的例證。

2.2地球表層系統物質遷移、循環與圈層相互作用

能量驅動地球表層系統的物質遷移與循環,反過來,物質遷移與循環不僅帶動了能量的活動與傳輸,而且還導致能量的轉化與交換。物質遷移與循環,同能量傳輸與轉化一樣,是地球表層系統發展演化的原因與動力,也是圈層間相互聯系的紐帶、相互作用的橋梁。

水循環似乎是水圈中的物質循環,但實際上水循環跨越了大氣圈、生物圈和巖石圈:降水發生在大氣圈,水汽的運移是由大氣運動完成的;徑流發生在巖石圈表層(地表徑流)和巖石圈內部(地下徑流),是水循環的重要步驟;植物的蒸騰是水循環的重要方面,植被對降水的截留,改變了水循環的

過程與速度。

水循環是地球表層系統中最重要的物質循環之一。它對地球表層系統的能量起著再分配的作用。當水蒸發時,吸收大氣的熱量;當降水發生時,開釋熱量到大氣中;當蒸騰發生時,帶走植物體內的熱量,同時也吸收大氣的熱量。它是地球表層系統其它物質運動與循環的傳送帶。任何物質的運動和循環,都離不開水的運動和循環。如泥沙的搬運、沉積,巖石的風化、分解,元素的遷移等,大都是在水的參與下完成的。

3.圈層相互作用的例證

3.1圈層相互作用與自然災難(兩兩關系)

(1)大氣圈與水圈的相互作用??風暴潮。風暴潮是指由于強烈的大氣擾動引起的海平面異常升高,使海水漫溢上陸的現象。風暴潮是風暴與潮水結合的產物,是大氣圈與水圈相互作用的結果。當風暴經過沿海地區時,正值大潮***,風暴與潮水疊加導致異常***位時,就可能形成特大的風暴潮,造成嚴重的風暴潮災難。風暴潮的影響大小或者風暴潮災難的嚴重程度,除了與風暴強度、潮位狀況有關外,還與沿海地區的地形條件有關。不管如何,風暴潮產生于大氣圈與水圈的界面上,是大氣圈與水圈相互作用的產物。

(2)大氣圈與巖石圈的相互作用??沙塵暴。所謂沙塵暴,就是大風揚起的地面塵埃使空氣渾濁,水平能見度小于1000m 的惡劣天氣現象。假如水平能見度小于10m,則稱為黑風暴。首先,沙塵暴的形成需要地面干燥,并且地面上要有比較豐富的碎屑物質,即巖石圈表面要比較破碎或分布有較多的疏松沉積物。沙塵暴多形成于干旱、半干旱地區,中亞、北美、中非和澳大利亞是世界上四大沙塵暴區。在我國主要發生在西北干旱、半干旱地區。其次,沙塵暴的形成還必須具備特定的大氣環流條件。只有當大氣系統處于不穩定狀態,尤其是當狂風或風暴來臨的時候,才有可能形成沙塵暴。我國西北地區的沙塵暴多發生在春季,就是由于在春季大氣系統處在調整時期,大氣系統不穩定,并且經過一個較長的干燥時期,地面比較干燥的緣故。由此可見,沙塵暴是在特定的大氣狀態下,風暴作用于特定的巖石圈表面而形成的,是大氣圈與巖石圈相互作用的產物。

(3)巖石圈與水圈的相互作用??滑坡,崩岸,泥石流,海嘯。

滑坡是指斜坡上的土體或巖體沿一定的滑動面整體下滑的現象。滑坡形成的必要條件是: 巖體存在一定產狀的軟弱面或破裂面,巖體具有一定的臨空面。滑坡的誘發因素是: 地震、火山爆發、水的浸泡和潤滑作用、水動力或人為對坡腳穩定性的破壞。拋開人類活動的影響,自然狀態下發生的滑坡,主要是巖石圈與水圈相互作用的結果。巖石(包括碎屑堆積物)的組成、性質、結構、構造,決定了巖體是否存在一定產狀的軟弱面或破裂面,巖石圈的變動(地震、火山爆發和地殼運動)不僅是滑坡發生的誘發因素,而且與水動力對溝谷的腐蝕作用一起,決定了巖體是否有臨空面、巖體是否穩定。地面水或地下水對巖體的浸泡和對軟弱面的潤滑,是滑坡發生的誘發因素。可以說,巖石圈與水圈相互作用產生了滑坡。

崩岸是指河岸、湖岸、海岸的崩塌。崩岸的發生,一是與組成河岸、湖岸、海岸的巖石或碎屑物的性質、結構、構造有關,破碎的、結構疏松的巖石或碎屑物輕易發生崩岸; 二是與水動力對河岸、湖岸、海岸的腐蝕有關,水動力對河岸、湖岸、海岸的腐蝕越強,越輕易發生崩岸。因此崩岸多發生在河流凹岸,湖流靠近的湖岸或迎波岸(波浪正面沖擊的湖岸),潮流或潮溝逼近的海岸或波浪正面沖擊的海岸。可見,崩岸也是巖石圈與水圈共同作用的產物。

泥石流是含有大量泥沙、石塊等固體物質的洪流。它暴發忽然,歷時短暫,來勢兇猛,具有強大的破壞力。泥石流的發育必須具備三個條件: 流域內具備豐富的、破碎的、易于搬運的固體物質; 具備豐富的并且能夠在一定時間內集中在一起的水; 比降比較大的溝谷。要滿足第一個條件,要求巖體破碎、易于風化,這是由巖石圈的結構與性質決定的。假如某一地區構造復雜、斷層交錯,巖石往往比較破碎。要滿足第二個條件,要么在一定時間內有足夠的降水,要么在一定時間內要足夠的冰川融水、上游河水、地下水或其它來源的水的積累,這是由水圈的性質及其變化決定的。第三個條件是由巖石圈與水圈共同決定的。構造斷裂、巖石性質與巖石圈的變動(構造活動)在一定程度上控制了溝谷的發育與溝谷的比降,水流對谷地的腐蝕也在一定程度上影響了谷地的性質。盡管重力作用過程也對谷地的發育與特征產生了一定的影響,但重力作用的強弱同樣受巖性、構造及其構造活動的控制,也受水的影響。假如巖石破碎、構造活動強烈、并有水的參與,重力作用就會明顯加強。泥石流的發生還與其它圈層的變化有一定的關系,如植被發育好壞(生物圈)、降水的性質(大氣圈與水圈的相互作用)等。但是從以上分析可以看出,泥石流的發生,是一定的條件下巖石圈與水圈相互作用的結果。

某些突發事件引起的短時內海平面的大幅度升降,稱為海嘯。大部分海嘯是由于海底地震引起的,地震波傳到海底,由于海底的劇烈波動或震動,引起海水的劇烈波動,從而發生海嘯。巖石圈的破裂造成地震,地震導致了海平面大幅度的升降波動??海嘯。可以說,海嘯是巖石圈的突變導致水圈的突變而形成的。海嘯發生于并作用于巖石圈與水圈的界面四周??海底與海岸。海嘯影響的大小,更是取決于兩個圈層之間的相互作用。巖石圈的變動越劇獵冬產生的地震越強,引發的海嘯尤溪人規模越大。海嘯規模越大,對巖石圈的改造(對海底與沿海地區的腐蝕、堆積)也越強烈。

3.2圈層相互作用與地貌塑造(三三關系,四圈關系)

從圈層相互作用的角度來說,河流地貌、海岸地貌是水作用于巖石而產生的地貌,是水圈與巖石圈相互作用的結果;風沙地貌是干燥天氣條件下風作用于巖石圈表面而產生的地貌,是大氣圈與巖石圈相互作用的產物;冰川地貌、冰緣地貌是特定天氣條件下,固態和液態水對巖石表面進行作用而形成的地貌,是大氣圈、水圈、巖石圈相互作用的結果。

黃土地貌是水、重力等作用于特殊的巖石??黃土而形成的地貌,而黃土一般都是干燥天氣條件下風作用于巖石表面而形成的,因此黃土地貌也可以以為是大氣圈、水圈、巖石圈相互作用的產物。

喀斯特地貌是在一定的大氣、天氣和生物條件下,水對巖石溶蝕、淀積、腐蝕、沉積的結果,在一定程度上反映了水、大氣、生物、巖石的相互作用,是水圈、大氣圈、巖石圈、生物圈相互作用的產物。喀斯特作用的發生必須具備四個基本條件:巖石的可溶性;巖石的透水性;水的溶蝕力;水的活動性。巖石的可溶性、透水性是由巖石圈的結構與變動(構造運動)決定的;水的活動性取決于天氣條件、地形坡度以及巖石的空隙類型與連通性;水的溶蝕力不僅取決于水的性質,而且還受大氣CO2 含量、生物產生的有機酸多少的影響與控制。喀斯特作用、喀斯特地貌的空間分布,同樣受巖石圈結構、水的分布以及天氣與生物的空間分異的影響。因此,喀斯特作用是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈相互作用的一個很好的例證。

3.3圈層相互作用與中國三大自然區的形成(四圈關系)

中國的自然區劃,有相對比較一致的意見是將中國劃分出三個大區: 東部季風區、西北干旱區和青躲高原區(高冷區)。這三個大區在成因上是有聯系的。由于青躲高原的隆升,導致和加強了東亞季風,形成了水熱同季的中國東部季風區,青躲地區變成海拔高度大、天氣嚴冷的環境,中國西北地區盛行下沉氣流,天氣干燥,并且由于高原的阻擋作用,來自印度洋的水汽難以到達西北內陸地區,從而形成了西北干旱區。總之,由于青躲高原的隆升,改變了區域大氣環流的格式,影響到水汽的走向,從而影響植被的分布,形成我國的三大自然區,是巖石圈→大氣圈→水圈→生物圈的過程。

3.4圈層相互作用與土壤形成 (四圈關系)

土壤發生在巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈的界面上,是巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈相互作用的產物。土壤的發育,離不開生物與巖石的相互作用,也離不開大氣與水的參與。實際上,土壤是在一定的水氣條件下生物與巖石相互作用,經過一系列物理、化學和生物化學過程形成的。美國土壤學家Jenny,考慮到其它因素的影響以及不同土壤形成過程中的主導因素不同,提出了一個函數關系式:S= f(Cl,O,R,P,T,......)

式中,S為土壤,Cl為天氣,O 為生物,R 為地形,P為母質,T為時間,省略號為尚未確定的其它因素。從上述函數式可以看出,土壤是多要素共同作用的結果。盡管在不同的地區可能起主導作用的因素不同,但回結起來土壤是巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈相互作用的產物。

同時,土壤也不斷的與其他圈層進行著相互作用。土壤為動植物提供營養物質和水分,我們吃的食品,使用的紙張,建筑,衣物都依靠于土壤(土壤→生物圈)。土壤能過濾和凈化水體,能改變水體的化學性質并影響雨后地下水的補充量和空氣的水汽量(土壤→水圈)。土壤能存儲和傳輸熱能,影響大氣的溫度,并控制土壤中動植物的活動(土壤→大氣圈→生物圈)。

小結

通過以上分析,地球表層的四大圈層并沒有明顯界限,它們是相互滲透,相互影響的,地球表面上任何事件的發生都可能是兩個或多個圈層相互作用的結果。例如,天氣干燥,輕易引起森林火災(即大氣圈→生物圈),森林火災能破壞植被,植被減少使得土壤腐蝕加劇(生物圈→巖石圈),而水土流失的加劇,使得河水流沙量增多(巖石圈→水圈),河流中泥沙含量的增多,則會影響到河流中的動植物(水圈→生物圈)。可見,一個事件或現象,只要是跟地理圈層有關,就有可能是多個圈層間相互作用相互影響的結果。因此,分析事件發生背后的多方面原因和可能造成的一系列的鏈式反應,把圈層的相互作用考慮進來,把地球表層四大圈層當一個完整的系統來研究,該是面對地表題目時一個應有的熟悉。

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