地球科學概論第二章 地球的外部圈層

地球科學概論第二章地球的外部圈層第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

第一節(jié)大氣圈一、大氣的組成二、大氣圈的結(jié)構(gòu)三、大氣的熱狀況四、大氣的運動第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日是因地球引力而聚集在地表周圍的氣體圈層。大氣是人類和生物賴以生存必不可少的物質(zhì)條件，也是使地表保持恒溫和水分的保護層，同時也是促進地表形態(tài)變化的重要動力和媒介。大氣圈(atmosphere)第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

一．大氣的組成

大氣圈的總質(zhì)量約5×1018kg，其中絕大部分分布在大氣圈的下層。自然狀態(tài)下的大氣是多種氣體的混合物，主要由氮、氧、二氧化碳、水及一些微量惰性氣體組成。就大氣的組成成分而言，可分為恒定組分、可變組分和不定組分3種。第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日大氣成分的分類及其特點（1）、恒定組分：氮、氧氬（2）、可變組分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽（3）、不等組分：粉塵、硫氧化物、氮氧化物注意：主要是現(xiàn)階段的大氣組成，而且是低層大氣的組分（70km以下）。高層大氣以氮、氧、氫等的原子、離子為主。第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日二、大氣圈的結(jié)構(gòu)

大氣圈的下界通常是指地表，但在地面以下的松散堆積物及某些巖石中也含有少量空氣，它們是大氣圈的地下部分，其深度一般小于3km；其上界并無明確的界限，一般認為在2000～3000

km的高空向行星際塵埃的密度過渡。第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日大氣圈在垂直方向上的物理性質(zhì)有顯著的差異，根據(jù)溫度、成分、電荷等物理性質(zhì)，以及大氣的運動特點，可將大氣圈自地面向上依次分為對流層、平流層、中間層、暖層及散逸層。第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－1大氣的垂直分層第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日三、大氣的熱狀況

大氣的熱量分布狀況是產(chǎn)生各種大氣現(xiàn)象和過程的根本原因。熾熱的太陽以電磁波的形式源源不斷地向宇宙空間放射能量稱為太陽輻射。太陽輻射的能量主要集中在波長較短的可見光部分，所以人們把太陽輻射稱為短波輻射。太陽輻射是地球表面最主要的能量來源。平流層中的臭氧能強烈地吸收波長較短的紫外線；對流層中的水汽和二氧化碳等主要吸收波長較長的紅外線；但能量最多的可見光卻很少被大氣吸收,能夠穿透大氣射到地面上來。大氣直接吸收的太陽輻射能量是很少的(約為19%)。第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－2太陽輻射能隨波長的分布第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－3到達地面的太陽輻射第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

當太陽輻射到達地面后，地面吸收了近一半(約為47%)的太陽輻射能量，地面溫度增高，同時地面也以電磁波的形式向外輻熱量。地面輻射的能量主要集中在紅外線部分，屬于長波輻射。地面輻射極易被對流層中的水汽和二氧化碳所吸收。據(jù)觀測，近地面的大氣能夠吸收地面輻射的75%～95%?？梢姷蛯哟髿庠鰷氐闹苯訜嵩词堑孛孑椛?。第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

氣溫是指大氣的溫度。在同一地點，由于地球的自轉(zhuǎn)使太陽輻射強度發(fā)生晝夜更替，從而導致氣溫日變化。一天之中，最低氣溫出現(xiàn)在日出前后，直至午后2點左右達到最高,以后開始逐漸降低。同一地點的氣溫因地球公轉(zhuǎn)引起的季節(jié)變換而發(fā)生氣溫年變化。氣溫的年變化通常用多年來各月平均氣溫的變化來表示。就北半球來說，大陸上最高月平均氣溫出現(xiàn)在7月(海洋上為8月)；大陸上最低氣溫出現(xiàn)在1月(海洋上為2月)。一年中最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差反映出一地在一年中氣溫變化的幅度，是劃分氣候類型的重要依據(jù)。第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日四、大氣的運動

大氣運動的產(chǎn)生及形式取決于氣壓的作用。一個地方的氣壓隨高度增加而降低，影響氣壓隨高度變化的原因主要是該地上空大氣柱的高度和密度。第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日在水平方向上，由于氣溫差異也會引起該方向上的大氣密度的變化，并產(chǎn)生氣壓的水平變化。由于大氣在垂直或水平方向上存在氣壓差，從而產(chǎn)生了氣壓梯度力，氣壓梯度力可分為水平氣壓梯度力和垂直氣壓梯度力。真正造成大氣水平運動的力是水平梯度力。此外，運動的大氣還會受到地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力及摩擦力的作用。第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－4地轉(zhuǎn)偏向力示意圖第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－5地球上的氣壓帶和風帶第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

第二節(jié)水圈一、水圈的組成二、水圈的循環(huán)第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

水圈(hydrosphere)是指由地球表層水體所構(gòu)成的連續(xù)圈層。水是一切生物生存必不可少的物質(zhì)條件，對地球表層環(huán)境的形成和改造起到重要的作用。第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日水的基本特性（1）水分子的結(jié)構(gòu)特點第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日（2）水的特性水的三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)化對地球環(huán)境的影響是非常重要的。水分子具有締合現(xiàn)象：流動性好、表面張力強、粘性但較弱。水具有很強的溶解能力水具有很高的熱容量水具有反常膨脹性第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日一、水圈的組成

自然界的水以氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)三種形式存在于大氣圈、生物圈、海洋與大陸表層之中。地球水體的總質(zhì)量1.5×1018t，體積約1.4×1018m3，其中，海洋水約占97.212％，大陸表面水約占2.167％，地下水為0.619％，大氣水占0.001％。第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日一、水圈的組成如果設想將地球表面全部削平，水圈的水體足以覆蓋整個地球達2700多m厚。按天然水所處的環(huán)境不同可分為：海水、大氣水和陸地水3類。第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日陸地表面水地下水冰川大氣水海洋第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

（一）海水（的運動）1、波浪是海水最基本的運動形式。當風刮過海面時，風與海水面之間產(chǎn)生摩擦力，使海水產(chǎn)生運動形成波浪。海水運動時，水質(zhì)點基本上繞某個平衡位置作圓周運動，只是向前移動很小的距離。第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日水質(zhì)點作圓周運動時，當運動到最高點就形成波峰，運動到最低點就構(gòu)成波谷，而波高就相當于水質(zhì)點運動圓周的直徑。水質(zhì)點的運動圓周隨水深增加變得越來越小，當水深達1/2波長時，水質(zhì)點的運動圓周直徑僅為0.04波高，一般把此深度認為是波浪作用的下限。地震、火山噴發(fā)可釋放出巨大的能量，使海水強烈運動，產(chǎn)生洶涌的海浪，稱海嘯。第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

2、潮汐指全球性海水周期性漲落現(xiàn)象。潮汐的引潮力主要是月球、太陽對地球的引力和地球繞地月系質(zhì)心旋轉(zhuǎn)、繞太陽公轉(zhuǎn)的慣性離心力的合力，所以引潮力主要包括太陽－地球間和地球－月球間的引潮力兩部分。太陽由于距離地球太遠，其引潮力僅為月球的46.6％。由潮汐引起的海面高度變化迫使海水作大規(guī)模水平運動稱為潮流。

第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日3、海流(洋流)是指大洋中沿一定方向有規(guī)律移動的海水。洋流可分表層洋流和深層洋流。4、

濁流是海洋(或湖泊)中載有大量懸浮物質(zhì)的高密度水下重力流。第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－8世界洋流略圖第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日（二）陸地水1、地面流水是指沿陸地表面流動的水體，其水源主要有大氣降水、冰雪融水、地下水和湖泊等。地面流水根據(jù)水源補給特點可分為常年性流水(河流)和暫時性流水(片流、洪流)。

第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

（1）暫時性流水是指補給水源不穩(wěn)定(時有、時無)的地面流水，這種流水的水源一般都是大氣降水。暫時性流水包括片流和洪流。片流是指沿山體斜坡無固定水道的面狀流水，它發(fā)生在大氣降水剛降落到地面之后，其特點是水層薄、速度慢、呈網(wǎng)狀。洪流是指大氣降水后沿溝谷的水流，它是由片流匯集到溝谷形成的，其特點是流速快，有固定的水道。

第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日（2）河流是地表面具有固定河道的線狀常年性流水。河流有穩(wěn)定的補給水源，它的水源一般以地下水、冰雪融水為主。第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－9水系和流域示意圖第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日2、地下水是埋藏在地表以下巖石和松散堆積物空隙中的水體。水源主要來自地面流水和大氣降水。

巖石中空隙的體積與巖石的總體積之比稱為空隙率。空隙的連通性越好越利于地下水的運動。第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日巖石或堆積物能透過地下水的能力稱巖石的透水性。由透水性較好的巖石組成的巖層稱為透水層；儲存有地下水的透水層稱含水層。相反，地下水不易透過的巖層稱不透水層或隔水層。

第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

地下水的存在形式有吸著水、薄膜水、毛細水、重力水，前兩者吸附在巖石的表面，一般不運動。毛細水受表面張力作用逆重力方向運動。重力水在重力的影響下作垂直向下或水平運動。第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

地下水按運動特征和埋藏條件可分為包氣帶水、潛水、承壓水三種基本類型：

包氣帶水是指埋藏在包氣帶中的地下水。包氣帶意指巖石空隙未被地下水充滿的地帶。包氣帶中的地下水以吸著水、薄膜水、毛細水為主，而重力水較少。包氣帶水以垂直運動為主。

第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

潛水是埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層以上、具有自由表面的重力水，也稱飽水帶水。其自由表面稱潛水面。潛水在重力的作用下一般從高處往低處流，以近水平方向流動為主。

第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

承壓水是指埋藏在兩個穩(wěn)定隔水層之間的透水層內(nèi)的重力水，故又稱層間水。承壓水受兩隔水層所限，位置低的水體受位置高的水體的靜壓力，這種壓力常稱水頭壓力。承壓水的運動一般為從補給區(qū)流向排泄區(qū)。第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日3、湖泊是陸地上較大的集水洼地,全世界湖泊的總面積約27×105km2，占陸地面積的1.8％。湖泊的規(guī)模不等，所處位置的高低相差懸殊。湖水主要來自大氣降水、地面流水和地下水，其次是冰川融水和殘留海水。湖水通過蒸發(fā)、下滲和流泄等方式不斷消耗。一般將有出口流泄的湖稱泄水湖，無出口的稱不泄水湖。第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日據(jù)湖水中含鹽量的多少，可把湖泊分為含鹽量低于0.3‰的淡水湖、含鹽量為0.3‰～24.7‰的半咸水湖及含鹽量高于24.7‰的咸水湖。潮濕氣候區(qū)的泄水湖通常為淡水湖，干旱氣候區(qū)的不泄水湖則常為咸水湖。湖水的運動方式有波浪、潮汐、湖流和濁流等。第六十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

4、沼澤是陸地上潮濕積水、喜濕性植物大量生長并有泥炭堆積的地方。沼澤主要分布在濕潤氣候區(qū)，不論熱帶、溫帶和寒帶都可產(chǎn)生。世界上沼澤總面積達35×105km2，占陸地面積的2.3％。第六十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

（三）冰川冰川是指由積雪形成的、并能運動的冰體。它是陸地上以固體形式存在的水。冰川主要分布于地球兩極及高山地區(qū)，覆蓋陸地面積的10％，集中了全球85％的淡水。據(jù)估計，如果全球的冰川融化注入海洋，可使全世界海平面上升66m。

氣候寒冷是冰川形成的必要條件，另外要有豐富降雪量和合適冰雪堆積的場所。雪線是指終年積雪區(qū)的下部界限。第六十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第六十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第六十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－14新雪轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｑ┖捅ū倪^程第六十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－15山谷冰川（祁連山）第六十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第六十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

分布于陸地表面的冰川可分為大陸冰川和山岳冰川兩類。大陸冰川是分布在高緯度和極地地區(qū)的冰川，又稱冰盾或冰蓋，其特點是雪線位置低，分布面積大，冰層厚，流動速度稍快，并由中間向四周流動。山岳冰川是分布于高山地帶的冰川，其特點是雪線位置高，規(guī)模小，冰層薄，受地形控制，呈線狀分布。第六十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第七十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第七十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日（四）大氣水是指存在于大氣圈中的水，它以汽態(tài)的形式存在。據(jù)估算，大氣中水的總量約為1.3×1013m3，而絕大多數(shù)分布于大氣圈的對流層中。常用濕度來表示大氣中的水含量。大氣的濕度可分為相對濕度和絕對濕度。第七十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日所謂的相對濕度是指空氣實際水汽壓與當時同溫度下飽和水汽壓的百分比，而絕對濕度是指一定量空氣中的水汽質(zhì)量體積之比(g/m3)。相對濕度會隨氣溫而變化，如果當水汽壓不變時，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對濕度會減小；反之，則增大。所以在一天之內(nèi)，在清晨相對濕度最高，中午相對濕度最低。第七十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日二、水圈的循環(huán)

水的循環(huán)是自然水體運動的最基本特征，它還可分為大循環(huán)和小循環(huán)。海洋表層水體經(jīng)蒸發(fā)作用，一部分水進入大氣圈，并運動到陸地的上空，當氣溫降低時，水蒸汽又凝結(jié)成雨、雪降到陸地。降落到陸地上的水一部分進入地下成為地下水，另一部分又蒸發(fā)回到大氣圈，其余部分則以地面流水的形式又回到海洋。這樣水就從海洋到陸地再回到海洋完成一個完整的水循環(huán)過程，這稱為水圈的大循環(huán)。水圈的小循環(huán)是指陸地內(nèi)部或海洋內(nèi)部的水循環(huán)，當然水圈的小循環(huán)還可以進一步劃分為更次一級的水循環(huán)。第七十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日圖2－16自然界的水循環(huán)第七十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)生物圈一、生物圈的概念二、生物圈的組