第一章 人類居住的地球

1.1 地球在宇宙中的位置

人類居住的地球是太陽系九大行星之一。按離太陽由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)榈谌w,。它有一個(gè)天然衛(wèi)星—月球,，二者組成一個(gè)天體系統(tǒng)稱為地月系統(tǒng)。地球作為一個(gè)行星，起源于原始太陽星云,。

地球自西向東自轉(zhuǎn),，同時(shí)圍繞太陽公轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)合產(chǎn)生了地球上的晝夜交替和四季變化,。地球自轉(zhuǎn)的速度是不均勻的,。同時(shí)，由于日,、月,、行星的引力作用以及大氣、海洋和地球內(nèi)部物質(zhì)的各種作用,，使地球自轉(zhuǎn)軸在空間和地球本體內(nèi)的方向都要產(chǎn)生變化,。地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力使得球形的地球由兩極向赤道逐漸膨脹，成為目前略扁的旋轉(zhuǎn)橢球體,，極半徑比赤道半徑約短21千米.地球的基本參數(shù)可歸結(jié)為下表（表1-1-1）,。

表1-1-1   地球的基本參數(shù)

1.2地球的圈層構(gòu)造

地球可以看作由一系列的同心層組成。它的內(nèi)部可以劃分出許多性質(zhì)不同的圈層,。地球的固體外殼稱地殼,，地殼以下又可分地幔和地核。地殼及上地幔頂部合稱巖石圈,。巖石圈之上是由海洋水和陸地水構(gòu)成的水圈,。水圈雖不連續(xù)，但占據(jù)了地球表面大部分地區(qū),。地球上還有各種動(dòng)物,、植物、微生物等,，它們構(gòu)成了生機(jī)勃勃的生物圈,。這就是地球的圈層構(gòu)造。人類聚居的自然地理環(huán)境主要與大氣圈,、巖石圈,、水圈、生物圈四大圈層息息相關(guān),。

地殼的厚度約為10～40km,，其下為巖石圈（包括地殼約厚60km），接著是軟流圈（60～250km）,、過渡帶（位于390km和700km處）,、然后是巖石質(zhì)地幔（包括軟流圈和下巖石圈厚2650km）。地幔以下為液態(tài)地核（厚1700km）,，過渡帶（厚500km）和固態(tài)地核（半徑為1216km）,。這些圈層中,，影響地殼運(yùn)動(dòng)的主要是軟流圈以上各圈層，所以,，這一圈層又稱構(gòu)造圈,。

1.2.1地球的面紗--大氣圈

沒有云彩的時(shí)候，我們看到的天是藍(lán)色的,，這個(gè)裹在地球表面的藍(lán)色面紗，是由稠密的空氣組成的,，稱為大氣圈,。大氣圈又可細(xì)分為對流層、平流層以及高層大氣等,。

大氣圈的密度要比地球的固體部分小得多,，全部大氣圈的質(zhì)量（５６００萬億噸）還不到地球總質(zhì)量的百分之一；而高層的密度比低層還要小得多,。如果以海面上的空氣密度為１計(jì)算的話,，整個(gè)大氣圈質(zhì)量的９０％集中在高于海面１６Km的空間內(nèi)，大體上也就是我們看到的那個(gè)藍(lán)色的面紗的厚度,。當(dāng)升到比海面高出８０Km的高度,，幾乎全部大氣圈質(zhì)量的９９．９９９％都集中在這個(gè)界限以下；而所余無幾的大氣占據(jù)的空間卻極為廣大,，探測結(jié)果表明,，地球大氣圈沒有明顯的邊界。

對流層：高于海平面１０～１２Km以內(nèi)（在地球兩極較低,，約８Km,，在赤道上較高，約為１６Km）的這層大氣,，能因冷熱不同而對流,，稱為對流層。對流層是大氣圈中最稠密的一層,，大氣中的水氣也幾乎全部集中在這里,，特別是在它的下半部。因而這里是風(fēng)云變幻的主要場所,，我們所感受得到的各種天氣現(xiàn)象都是在對流層里發(fā)生的,。

在對流層里，距海面愈高氣溫愈冷,，平均每升高１０００m,，溫度就要降低大約６.５℃。而從對流層頂上開始,，溫度又隨著高度增加而增加,。到８０Km以上,，溫度則又升高，在５００Km一帶,，可升高到１０００℃,。

平流層：在對流層上面，直到高于海面５０Km的這一層,，氣流的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為水平方向運(yùn)動(dòng),，稱為平流層。

高層大氣：平流層以外的大氣,，因受太陽輻射等作用,，氣體分子分裂成為原子，并有發(fā)生電離成為帶電粒子的,，愈高這些作用愈強(qiáng),，于是在地球周圍形成了能夠?qū)щ姟⒛軌蚍瓷錈o線電波的電離層,。它的底部邊界高度約在６５Km左右,，頂部邊界在６５０～１０００Km的高度之間。

高層的大氣表現(xiàn)不出絢麗多彩的天空景象,，但它所表現(xiàn)出的電子磁等現(xiàn)象有力地證明著這里大氣的存在,，那些高空中帶電粒子是受著地球磁場控制的，形成一個(gè)無形而巨大的磁層,。

1.2.2生命的搖籃-水圈

地球水圈介于大氣圈和巖石圈之間,。海洋面積約占地球表面的71%,如果把海洋中所有的水均勻地鋪蓋在地球表面,地球表面就會(huì)形成一個(gè)厚度約2700m的水圈。水圈由海洋,、湖泊,、江河、沼澤,、地下水及冰川等液態(tài)水和固態(tài)水組成,。據(jù)估算，地球表層的總水量約為14億立方千米,其中海洋水占97.3%,，以冰川為主的陸上水占2.7%,，大氣中的水與前兩者相比小得幾乎可以忽略不計(jì)。

在太陽的照射下,，地球水圈處于不間斷的循環(huán)運(yùn)動(dòng)之中,。海洋和陸地上的水受熱蒸發(fā)形成水氣升入空中，成為大氣水,；大氣水在適宜的條件下又凝結(jié)為雨雪降到地面或海洋,。地面上的水或匯入江河湖海，或滲入土壤成為地下水,，或直接蒸發(fā)進(jìn)入大氣,，循環(huán)往復(fù),。在這循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，大氣是水分的重要運(yùn)輸工具,。由于地球上永不停息地進(jìn)行著大規(guī)模的水循環(huán),，才使得地球表面滄桑巨變，萬物生機(jī)盎然,。

1.2.3生機(jī)勃勃的生物圈

生物圈的概念是由奧地利地質(zhì)學(xué)家休斯（E.Suess)在1375年首次提出的,，是指地球上有生命活動(dòng)的領(lǐng)域及其居住環(huán)境的整體。它在地面以上達(dá)到大致23km的高度,，在地面以下延伸至12km的深處,，其中包括平流層的下層、整個(gè)對流層以及沉積巖圈和水圈,。但絕大多數(shù)生物通常生存于地球陸地之上和海洋表面之下各約100m厚的范圍內(nèi)。

生物圈主要由生命物質(zhì),、生物生成性物質(zhì)和生物惰性物質(zhì)三部分組成,。生命物質(zhì)又稱活質(zhì)，是生物有機(jī)體的總和,；生物生成性物質(zhì)是由生命物質(zhì)所組成的有機(jī)礦物質(zhì)相互作用的生成物,，如煤、石油,、泥炭和土壤腐殖質(zhì)等,；生物惰性物質(zhì)是指大氣低層的氣體、沉積巖,、粘土礦物和水,。

大多數(shù)生物生存于土壤上層幾十厘米內(nèi)，植物根系可伸得較深,。限制生命向深層分布的主要因素為缺光,、缺氧。石油細(xì)菌可生活在地下2500～3000m深處,。水圈中幾乎到處有生物,，但水體表層和底層生物較多。限制生物分布于深海的主要因素除缺光,、缺氧外還有隨深度而增加的壓力,。但在大洋11000m以下仍有深海生物。大氣圈厚度有1000Km以上,，接近地面的對流層是發(fā)生天氣現(xiàn)象的場所,，也是直接構(gòu)成生物的氣體環(huán)境。大多數(shù)鳥類只能在1000m以下的空中活動(dòng),，極少數(shù)能飛到5000m以上的空中,。限制生物向高空分布的主要因素是缺氧,、缺水、低溫和低氣壓,。有些昆蟲可能被大氣環(huán)流帶到22000m高的平流層中,，但萬米以上的空中不能為生物提供長期生活條件，故此空間稱為“副生物圈”,。生物圈是一個(gè)不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),，并具有一定調(diào)節(jié)功能的動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)。人類對生物圈的主要影響有：溫室效應(yīng),、破壞大氣臭氧層,、酸雨和排放有毒物質(zhì)造成環(huán)境污染。生物圈存在的基本條件是：第一,、可以獲得來自太陽的充足光能,。第二，要存在可被生物利用的大量液態(tài)水,。第三,，生物圈內(nèi)要有適宜生命活動(dòng)的溫度條件，在此溫度變化范圍內(nèi)的物質(zhì)存在氣態(tài),、液態(tài)和固態(tài)三種變化,。第四，要有提供生命物質(zhì)所需的各種營養(yǎng)元素,，包括氧（O₂）,、二氧化碳（CO₂）、氮（N）,、碳（C）,、鉀(K)、鈣（Ca）,、鐵（Fe）,、硫（S）等，它們是生命物質(zhì)的組成或中介,。

1.2.4地球的外衣--地殼

地殼是地球內(nèi)部圈層的最外層,，由風(fēng)化的土層和堅(jiān)硬的巖石組成，所以地殼也可稱為巖石圈,。地殼只占地球體積的0.5%,。如果把地幔、地核比作蛋清和蛋黃,，那地殼就像蛋殼,。地殼的平均厚度約為33Km，約占地球半徑的1／200,。地殼的厚度在地球各地是不同的,。有的地方較厚,，如我國青藏高原厚度可達(dá)60-80Km，有的地方較薄,，如大西洋海盆厚度僅有5-6Km,，太平洋海盆厚約8Km。地殼由兩部分組成,。上部主要由密寬較小,、比重較輕的花崗質(zhì)巖石組成。它的主要成分是硅,、鋁元素,，因此，這一層又稱為“硅鋁層”,。地殼的下部主要由密度較大,、比重較重的玄武巖組成。它的主要成分是鎂,、鐵,、硅元素，所以這一層又稱“硅鎂層”,。在大洋底部，由于地殼已經(jīng)很薄,，一般只有硅鎂層而沒有硅鋁層,。此外，在地殼的最上層,，還有一些厚度不大的沉積巖,、變質(zhì)巖和風(fēng)化土，它們構(gòu)成地殼的表皮,。

在地殼中,蘊(yùn)藏著極為豐富的礦產(chǎn)資源,。目前已發(fā)現(xiàn)的礦物就有3千多種，其中金,、銀,、銅、鐵,、錫,、鎢、錳,、鉛,、鋅、汞,、煤,、石油等,，都是人類物質(zhì)文明不可缺少的資源。

1.2.5地球的中間層--地幔

地幔介于地殼和地核之間,，深度一般從地面以下33Km到2900Km,，占地球總體積的83.3%，因?yàn)樗诘貧ず偷睾说闹虚g,所以又稱“中間層”,。

地?？煞譃樯舷聝蓪印Ｉ系蒯Ｓ晒?、氧,、鐵、鎂等元素組成,，其中鐵鎂含量比地殼中的鐵鎂含量多,，因此這層又稱為地幔硅鎂層。一般認(rèn)為,，這里的物質(zhì)處于局部熔融狀態(tài),，它像一條傳送帶，帶動(dòng)著地殼緩慢地移動(dòng),，并促使地球下層的物質(zhì)與上層物質(zhì)進(jìn)行交換,。這里也是巖漿的發(fā)源地，廣泛分布于地殼的玄武巖就是從這一層噴發(fā)出來的,。下地幔除硅酸鹽巖石外,，金屬氧化物與硫化物顯著增加，它的物質(zhì)比重比上地幔物質(zhì)比重要大,，呈固體狀態(tài),。

據(jù)推算，地幔層的溫度高達(dá)1000-2000℃,，內(nèi)部壓力達(dá)9000-382000個(gè)大氣壓,，物質(zhì)密度達(dá)3.3-4.6 g/cm³。在這種高溫,、高壓和高密度的環(huán)境條件下,，物質(zhì)處于一種塑性的固體狀態(tài)。它好像瀝青一樣,，在短時(shí)間內(nèi)具有固體的性質(zhì),，如果放久了就會(huì)變形，具有可塑性,。在地幔的上層,，由于壓力較小，物質(zhì)呈半熔融狀態(tài),被稱為“軟流層”。堅(jiān)硬的地殼,，就浮在這個(gè)軟流層上,。一旦在地殼的淺薄地段發(fā)生裂縫，灼熱的巖漿就會(huì)沿著裂縫噴出地面,，引起火山爆發(fā),。

1.2.6地球的核心-地核

地核是地球的核心。從下地幔的底部一直延伸到地球核心部位,，距離約為3473Km,。據(jù)科學(xué)觀測分析，地核分為外地核,、過渡層和內(nèi)陸核三個(gè)層次,。外地核的厚度為1742Km，平均密度約10.5g/cm³,，物質(zhì)呈液態(tài),。過渡層的厚度只有515Km，物質(zhì)處于由液態(tài)向固態(tài)過渡狀態(tài),。內(nèi)陸核厚度1216Km,，平均密度增至12.9g/cm³,主要成分是以鐵、鎳為主的重金屬,，所以又稱鐵鎳核,。

地核的總質(zhì)量為1.88×1021t，占整個(gè)地球質(zhì)量的31.5％,，體積占整個(gè)地球的16.2％,。由于地核處于地球的最深部位，受到的壓力比地殼和地幔部分要大得多,。在外地核部分,，壓力已達(dá)到136萬個(gè)大氣壓,，到了核心部分便增加到360萬個(gè)大氣壓了,。這樣大的壓力，我們在地球表面是很難想象的,?？茖W(xué)家作過一次試驗(yàn)，在每平方厘米承受1770噸壓力的情況下,，最堅(jiān)硬的金剛石會(huì)變得像黃油那樣柔軟,。

地核內(nèi)部溫度也很高，估計(jì)可高達(dá)2000-5000℃,，物質(zhì)的密度平均在10- 16g/cm³之間,。在這種高溫、高壓和高密度的情況下，我們平常所說的“固態(tài)”或“液態(tài)”概念,，已經(jīng)不適用了,。因?yàn)榈睾藘?nèi)的物質(zhì)既具有鋼鐵那樣的“鋼性”，又具有像白蠟,、瀝青那樣的“柔性”（可塑性）,。這種物質(zhì)不僅比鋼鐵還堅(jiān)硬十幾倍，而且還能慢慢變形而不會(huì)斷裂,。地核內(nèi)部這些特殊情況,，即使在實(shí)驗(yàn)室里也難以模擬，所以人們對它了解得還很少,。