人类居住的地球

 

(第一篇  基础知识

第一章 人类居住的地球

1.1 地球在宇宙中的位置

人类居住的地球是太阳系九大行星之一。按离太阳由近及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星—月球,二者组成一个天体系统称为地月系统。地球作为一个行星,起源于原始太阳星云。

地球自西向东自转,同时围绕太阳公转。地球自转与公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替和四季变化。地球自转的速度是不均匀的。同时,由于日、月、行星的引力作用以及大气、海洋和地球内部物质的各种作用,使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都要产生变化。地球自转产生的惯性离心力使得球形的地球由两极向赤道逐渐膨胀,成为目前略扁的旋转椭球体,极半径比赤道半径约短21千米.地球的基本参数可归结为下表(表1-1-1)。

表1-1-1   地球的基本参数

名称

参数值

名称

参数值

赤道半径

6378140m

自转周期

23时56分4秒(平太阳时)

扁率因子

298.257

公转轨道半长径

149597870Km

质量

5.976×1027g

公转轨道偏心率

0.0167

平均密度

5.52g/cm3

公转周期

1恒星年

表面重力加速度(赤道)

978.0cm/s2

黄赤交角

23°27′

表面重力加速度(极地)

983.2cm/s2

 

 

1.2地球的圈层构造

地球可以看作由一系列的同心层组成。它的内部可以划分出许多性质不同的圈层。地球的固体外壳称地壳,地壳以下又可分地幔和地核。地壳及上地幔顶部合称岩石圈。岩石圈之上是由海洋水和陆地水构成的水圈。水圈虽不连续,但占据了地球表面大部分地区。地球上还有各种动物、植物、微生物等,它们构成了生机勃勃的生物圈。这就是地球的圈层构造。人类聚居的自然地理环境主要与大气圈、岩石圈、水圈、生物圈四大圈层息息相关。

地壳的厚度约为10~40km,其下为岩石圈(包括地壳约厚60km),接着是软流圈(60~250km)、过渡带(位于390km和700km处)、然后是岩石质地幔(包括软流圈和下岩石圈厚2650km)。地幔以下为液态地核(厚1700km),过渡带(厚500km)和固态地核(半径为1216km)。这些圈层中,影响地壳运动的主要是软流圈以上各圈层,所以,这一圈层又称构造圈。

1.2.1地球的面纱--大气圈

没有云彩的时候,我们看到的天是蓝色的,这个裹在地球表面的蓝色面纱,是由稠密的空气组成的,称为大气圈。大气圈又可细分为对流层、平流层以及高层大气等。

大气圈的密度要比地球的固体部分小得多,全部大气圈的质量(5600万亿吨)还不到地球总质量的百分之一;而高层的密度比低层还要小得多。如果以海面上的空气密度为1计算的话,整个大气圈质量的90%集中在高于海面16Km的空间内,大体上也就是我们看到的那个蓝色的面纱的厚度。当升到比海面高出80Km的高度,几乎全部大气圈质量的99.999%都集中在这个界限以下;而所余无几的大气占据的空间却极为广大,探测结果表明,地球大气圈没有明显的边界。

对流层:高于海平面10~12Km以内(在地球两极较低,约8Km,在赤道上较高,约为16Km)的这层大气,能因冷热不同而对流,称为对流层。对流层是大气圈中最稠密的一层,大气中的水气也几乎全部集中在这里,特别是在它的下半部。因而这里是风云变幻的主要场所,我们所感受得到的各种天气现象都是在对流层里发生的。

在对流层里,距海面愈高气温愈冷,平均每升高1000m,温度就要降低大约6.5℃。而从对流层顶上开始,温度又随着高度增加而增加。到80Km以上,温度则又升高,在500Km一带,可升高到1000℃。

平流层:在对流层上面,直到高于海面50Km的这一层,气流的特点主要表现为水平方向运动,称为平流层。

高层大气:平流层以外的大气,因受太阳辐射等作用,气体分子分裂成为原子,并有发生电离成为带电粒子的,愈高这些作用愈强,于是在地球周围形成了能够导电、能够反射无线电波的电离层。它的底部边界高度约在65Km左右,顶部边界在650~1000Km的高度之间。

高层的大气表现不出绚丽多彩的天空景象,但它所表现出的电子磁等现象有力地证明着这里大气的存在,那些高空中带电粒子是受着地球磁场控制的,形成一个无形而巨大的磁层。

1.2.2生命的摇篮-水圈

地球水圈介于大气圈和岩石圈之间。海洋面积约占地球表面的71%,如果把海洋中所有的水均匀地铺盖在地球表面,地球表面就会形成一个厚度约2700m的水圈。水圈由海洋、湖泊、江河、沼泽、地下水及冰川等液态水和固态水组成。据估算,地球表层的总水量约为14亿立方千米,其中海洋水占97.3%,以冰川为主的陆上水占2.7%,大气中的水与前两者相比小得几乎可以忽略不计。

在太阳的照射下,地球水圈处于不间断的循环运动之中。海洋和陆地上的水受热蒸发形成水气升入空中,成为大气水;大气水在适宜的条件下又凝结为雨雪降到地面或海洋。地面上的水或汇入江河湖海,或渗入土壤成为地下水,或直接蒸发进入大气,循环往复。在这循环运动中,大气是水分的重要运输工具。由于地球上永不停息地进行着大规模的水循环,才使得地球表面沧桑巨变,万物生机盎然。

1.2.3生机勃勃的生物圈

生物圈的概念是由奥地利地质学家休斯(E.Suess)在1375年首次提出的,是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它在地面以上达到大致23km的高度,在地面以下延伸至12km的深处,其中包括平流层的下层、整个对流层以及沉积岩圈和水圈。但绝大多数生物通常生存于地球陆地之上和海洋表面之下各约100m厚的范围内。

生物圈主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质三部分组成。生命物质又称活质,是生物有机体的总和;生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿物质相互作用的生成物,如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等;生物惰性物质是指大气低层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。

大多数生物生存于土壤上层几十厘米内,植物根系可伸得较深。限制生命向深层分布的主要因素为缺光、缺氧。石油细菌可生活在地下2500~3000m深处。水圈中几乎到处有生物,但水体表层和底层生物较多。限制生物分布于深海的主要因素除缺光、缺氧外还有随深度而增加的压力。但在大洋11000m以下仍有深海生物。大气圈厚度有1000Km以上,接近地面的对流层是发生天气现象的场所,也是直接构成生物的气体环境。大多数鸟类只能在1000m以下的空中活动,极少数能飞到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、低温和低气压。有些昆虫可能被大气环流带到22000m高的平流层中,但万米以上的空中不能为生物提供长期生活条件,故此空间称为“副生物圈”。生物圈是一个不断进行物质循环和能量流动,并具有一定调节功能的动态平衡的系统。人类对生物圈的主要影响有:温室效应、破坏大气臭氧层、酸雨和排放有毒物质造成环境污染。生物圈存在的基本条件是:第一、可以获得来自太阳的充足光能。第二,要存在可被生物利用的大量液态水。第三,生物圈内要有适宜生命活动的温度条件,在此温度变化范围内的物质存在气态、液态和固态三种变化。第四,要有提供生命物质所需的各种营养元素,包括氧(O2)、二氧化碳(CO2)、氮(N)、碳(C)、钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)、硫(S)等,它们是生命物质的组成或中介。

1.2.4地球的外衣--地壳

地壳是地球内部圈层的最外层,由风化的土层和坚硬的岩石组成,所以地壳也可称为岩石圈。地壳只占地球体积的0.5%。如果把地幔、地核比作蛋清和蛋黄,那地壳就像蛋壳。地壳的平均厚度约为33Km,约占地球半径的1/200。地壳的厚度在地球各地是不同的。有的地方较厚,如我国青藏高原厚度可达60-80Km,有的地方较薄,如大西洋海盆厚度仅有5-6Km,太平洋海盆厚约8Km。地壳由两部分组成。上部主要由密宽较小、比重较轻的花岗质岩石组成。它的主要成分是硅、铝元素,因此,这一层又称为“硅铝层”。地壳的下部主要由密度较大、比重较重的玄武岩组成。它的主要成分是镁、铁、硅元素,所以这一层又称“硅镁层”。在大洋底部,由于地壳已经很薄,一般只有硅镁层而没有硅铝层。此外,在地壳的最上层,还有一些厚度不大的沉积岩、变质岩和风化土,它们构成地壳的表皮。

在地壳中,蕴藏着极为丰富的矿产资源。目前已发现的矿物就有3千多种,其中金、银、铜、铁、锡、钨、锰、铅、锌、汞、煤、石油等,都是人类物质文明不可缺少的资源。

1.2.5地球的中间层--地幔

地幔介于地壳和地核之间,深度一般从地面以下33Km到2900Km,占地球总体积的83.3%,因为它在地壳和地核的中间,所以又称“中间层”。

地幔可分为上下两层。上地幔由硅、氧、铁、镁等元素组成,其中铁镁含量比地壳中的铁镁含量多,因此这层又称为地幔硅镁层。一般认为,这里的物质处于局部熔融状态,它像一条传送带,带动着地壳缓慢地移动,并促使地球下层的物质与上层物质进行交换。这里也是岩浆的发源地,广泛分布于地壳的玄武岩就是从这一层喷发出来的。下地幔除硅酸盐岩石外,金属氧化物与硫化物显著增加,它的物质比重比上地幔物质比重要大,呈固体状态。

据推算,地幔层的温度高达1000-2000℃,内部压力达9000-382000个大气压,物质密度达3.3-4.6 g/cm3。在这种高温、高压和高密度的环境条件下,物质处于一种塑性的固体状态。它好像沥青一样,在短时间内具有固体的性质,如果放久了就会变形,具有可塑性。在地幔的上层,由于压力较小,物质呈半熔融状态,被称为“软流层”。坚硬的地壳,就浮在这个软流层上。一旦在地壳的浅薄地段发生裂缝,灼热的岩浆就会沿着裂缝喷出地面,引起火山爆发。

1.2.6地球的核心-地核

地核是地球的核心。从下地幔的底部一直延伸到地球核心部位,距离约为3473Km。据科学观测分析,地核分为外地核、过渡层和内地核三个层次。外地核的厚度为1742Km,平均密度约10.5g/cm3,物质呈液态。过渡层的厚度只有515Km,物质处于由液态向固态过渡状态。内地核厚度1216Km,平均密度增至12.9g/cm3,主要成分是以铁、镍为主的重金属,所以又称铁镍核。

地核的总质量为1.88×1021t,占整个地球质量的31.5%,体积占整个地球的16.2%。由于地核处于地球的最深部位,受到的压力比地壳和地幔部分要大得多。在外地核部分,压力已达到136万个大气压,到了核心部分便增加到360万个大气压了。这样大的压力,我们在地球表面是很难想象的。科学家作过一次试验,在每平方厘米承受1770吨压力的情况下,最坚硬的金刚石会变得像黄油那样柔软。

地核内部温度也很高,估计可高达2000-5000℃,物质的密度平均在10- 16g/cm3之间。在这种高温、高压和高密度的情况下,我们平常所说的“固态”或“液态”概念,已经不适用了。因为地核内的物质既具有钢铁那样的“钢性”,又具有像白蜡、沥青那样的“柔性”(可塑性)。这种物质不仅比钢铁还坚硬十几倍,而且还能慢慢变形而不会断裂。地核内部这些特殊情况,即使在实验室里也难以模拟,所以人们对它了解得还很少。

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