(第一篇 基礎(chǔ)知識(shí)
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(yáng)系九大行星之一。按離太陽(yáng)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(yáng)星云。
地球自西向東自轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞太陽(yáng)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)
名稱
參數(shù)值
名稱
參數(shù)值
赤道半徑
6378140m
自轉(zhuǎn)周期
23時(shí)56分4秒(平太陽(yáng)時(shí))
扁率因子
298.257
公轉(zhuǎn)軌道半長(zhǎng)徑
149597870Km
質(zhì)量
5.976×1027g
公轉(zhuǎn)軌道偏心率
0.0167
平均密度
5.52g/cm3
公轉(zhuǎn)周期
1恒星年
表面重力加速度(赤道)
978.0cm/s2
黃赤交角
23°27′
表面重力加速度(極地)
983.2cm/s2
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(guò)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(guò)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(méi)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(duì)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(wàn)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(wú)幾的大氣占據(jù)的空間卻極為廣大，探測(cè)結(jié)果表明，地球大氣圈沒(méi)有明顯的邊界。
對(duì)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(duì)流，稱為對(duì)流層。對(duì)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(chǎng)所，我們所感受得到的各種天氣現(xiàn)象都是在對(duì)流層里發(fā)生的。
在對(duì)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(duì)流層頂上開(kāi)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(duì)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(yáng)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?chē)纬闪四軌驅(qū)щ?、能夠反射無(wú)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(chǎng)控制的，形成一個(gè)無(wú)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(yáng)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(wàn)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(duì)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(duì)流層是發(fā)生天氣現(xiàn)象的場(chǎng)所，也是直接構(gòu)成生物的氣體環(huán)境。大多數(shù)鳥(niǎo)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(chóng)可能被大氣環(huán)流帶到22000m高的平流層中，但萬(wàn)米以上的空中不能為生物提供長(zhǎng)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(duì)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(lái)自太陽(yáng)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(yíng)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(guó)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(méi)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?。上地幔由硅、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(lái)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(cè)分析，地核分為外地核、過(guò)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(guò)渡層的厚度只有515Km，物質(zhì)處于由液態(tài)向固態(tài)過(guò)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(wàn)個(gè)大氣壓，到了核心部分便增加到360萬(wàn)個(gè)大氣壓了。這樣大的壓力，我們?cè)诘厍虮砻媸呛茈y想象的?？茖W(xué)家作過(guò)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(shuō)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(duì)它了解得還很少。
