第一章宇宙中的地球
课堂练习:举例谈一谈圈层之间的相互作用。
举例谈一谈圈层之间的相互作用,查阅相关资料,说一说你对“物质迁移,能量交换”这句话的理解。
举例谈一谈圈层之间的相互作用,查阅相关资料,说一说你对“物质迁移,能量交换”这句话的理解。大家可以跟贴回答。
大气圈由气体和悬浮物质组成,笼罩着整个地球,是地球的保护层。大气圈使得地球气候变化适宜,并提供生物所需的氧气,促进生物圈的发展 。同时,大气圈与水圈、生物圈和岩石圈共同参与水循环,从而进行物质的迁移与能量的转换,保证了人类和其他生物的生存和发展。生物圈中的多数生物集中分布在大气圈、水圈与岩石圈很薄的接触带中。生物通过完成自身的生命活动获取物质和能量,在改变大气圈和水圈构成、改变岩石圈地表形态等方面有着重要的作用。
总而言之,地球各圈层之间没有明显的界限,它们相互联系、相互渗透,共同组成地球上生物们赖以生存的自然环境
四个圈层之间的界限并不是绝对的,例如水循环就不单单存在于水圈,另外三个圈层也与水循环密不可分。降水发生在大气圈,水汽到达地面也需要大气运动辅助。植物的蒸腾作用也在水循环中扮演重要角色,通过对水分的截留,改变了水循环的过程及速度。径流发生在岩石圈表层以及岩石圈内部,是水循环的重要步骤。
物质在地球上长久地存在,在各种外力作用下变化。如晚古生代时期,蕨类植物繁盛,形成茂密的森林,后来这些高耸的蕨类植物灭绝,随着地壳变动不断埋入地下,长期与空气隔绝,并在高温高压下经过一系列复杂的物理化学因素,形成黑色可燃沉积岩,即煤炭。
能量并非单独存在于某一圈层之内,而是流通在各个圈层。能量转换是维持地表系统正常运行的动力,是联系各圈层的桥梁和纽带。故能量交换具有重要作用
1大气圈与岩石圈之间存在着热能、化学能、动能的交换。例如大气圈存在大量固体尘埃会与岩石圈表面产生摩擦从而产生内能并且产生较大的能量
2水圈与岩石圈之间存在着热能、动能、势能与化学能的交换。水圈中存在着大量的能量与生物也会挤压岩石圈例如海水腐蚀的存在
3生物圈与其它三个圈层之间,普遍存在着热能与化学能的交换。生物圈实质是其他圈的物质循环,生物圈与其他的圈层往往会相互作用从而促进物质的流动,
4当然生物圈中的生物也会影响其他圈层例如人类的活动会导致一些自然现象和其他物种的 的变化例如物种灭绝,地球圈层也会影响生物圈中的生物,例如恐龙灭绝。
圈层之间的相互作用:
1.大气圈与水圈:大气圈与水圈存在一定的热量交换,促使地球上一部分的水蒸发,形成降水和其他的对流性天气,促进大气圈与水圈的水循环。
2.大气圈与生物圈:植物的光合作用离不开空气中的N2,O2等物质,还将生成的氧气释放到大气中为其他生物提供生命活动。植物通过光合作用生成的有机物不仅能为自身提供能量,而且也能将有机物供其他生物消耗,促进碳循环。
3.水圈与生物圈:水圈中的水是地球上大部分生物进行新陈代谢的重要成分,使生物能完成水循环
物质迁移,能量交换:
1.能量的交换:一般在地球上由水循环,生物循环,岩石圈物质循环等形式,植物将太阳能转化为自身的化学能,还有一部分太阳能通过太阳辐射为岩石圈和水圈提供热量,促进水循环。还有一部分太阳能通过长波辐射重新回到大气中,这还有一部分通过大气圈的大气逆反射重新回到地面,形成温室效应,使得地球的温差不会太大。
2.物质迁移:大气圈,水圈,岩石圈,生物圈都在不断进行着物质交换,促使地球上的生物生机勃勃。
1.由于海陆热力性质差异,地表吸收日照储存太阳能,比热容不同造就白昼热量从陆地传递到海洋,夜晚从海洋传递到陆地,同时在大气圈的作用下,风带动水汽的变迁,聚集在内陆降雨,最终形成一个水循环和热量循环
2当一个圈层运动时往往也会带来其他圈层的变化,例如板块碰撞带来的冲击可能引发海啸进而会改变水圈原有的水汽循环,例如引发海底火山,那么加热的是海水,热流不单加热所进过的区域,而且会加热岩石圈的表面,冷流则对经过的大气和岩石进行冷却作用,使岩石圈的表面发生变化,岩石圈的变化往往会带来水域流通的变化,水圈的变化也会反过来改变岩石圈的外表和海拔高度,不单单进行的物理变化,co2与h2o的化学反应也会影响大气圈的物质和能量
第一,大气圈与水圈之间存在着热能、动能、化学能和势能的传输与交换。由于大气与水体之间温度的差异,大气圈与水圈之间热能交换一直在不停地进行着。如冷空气经过的水面会发生降温现象,热流对大气有增温、增湿作用。由于大气与水面之间的摩擦作用,大气运动往往影响和带动水体的运动,如风吹拂水面会产生波浪,信风作用于洋面产生洋流。当然,水体的运动也会影响和改变大气的运动,如在静风天气时,来到瀑布或快速活动的河流四周,立即感到风的存在,这是大气圈与水圈动能交换的结果。大气与水体(主要是海洋)之间在不断地进行着物质的交换,在交换过程中也会发生某些化学反应,因此两者之间也存在化学能的交换。气压代表了大气势能的大小。当大气压力不同或发生变化时,会改变水体的分布与位势。如气压偏低时,海平面就会升高;当气压偏高时,海平面就会相应降低。如台风经过的海面,由于台风中心气压比较低,往往会导致海平面高出四周几十厘米至几米。当水体分布发生变化时,同样也会引起气压的变化。又如,高山、高原冰川以及中高纬度地区冰盖的发育,将会使这些地区的近地面气压升高,导致区域间的气压差增大
地球表层系统是由岩石圈、大气圈、水圈与生物圈相互作用而成的。要弄清地球表层环境发生、发展过程与变化规律,弄清其空间分布、分异特征与规律, 就必须从圈层的相互作用出发。圈层之间的相互作用,都是通过能量、物质与信息的交换来完成的
第二,大气圈与岩石圈之间存在着热能、化学能、动能的交换。地面与大气之间通过长波辐射、大气逆辐射在进行着热能的交换。大气圈与岩石圈之间也在进行着物质的交换,发生着某些化学反应,如风化作用从大气中吸收CO2,同时也使岩石中的某些元素开释出来,因此两圈之间存在着化学能的交换。通过大气与地面之间的接触与摩擦作用,岩石圈的动能可以传递给大气圈,大气圈的动能也可以传递给岩石圈。如地球自转速度变化,通过地面摩擦动能从岩石圈传递给大气圈,从而导致大气运动速度的改变。研究表明,在厄尔尼诺年,由于地球自转速度的减慢,在赤道四周的大气可以获得1cm/s 的向东相对速度。当然,大气运动的动能也可以通过地面摩擦传递给固体地球。
第三,水圈与岩石圈之间存在着热能、动能、势能与化学能的交换。在水与岩石接触的界面上,由于岩石与水温度的差异,导致两个圈层之间的热能交换。最明显的例子是海底火山、海底熔岩的溢出(如洋中脊),加热了海水。热流不仅热和所经过地区的大气,而且还热和四周的岩石与土壤,冷流则对经过区域的大气和岩石具有冷却作用。岩石圈的变动往往引起水体分布的变化,水体分布的变化也会反过来通过均衡作用引起地面岩石高程的调整。如当山地隆升到一定高度,冰川开始发育,使原来分布于海洋的水体以固态水的形式分布在山体顶部,从而进步这些水的势能。当冰川达到一定厚度,就会导致地面的均衡下沉,反过来对岩石圈的位势产生一定的影响。水圈与岩石圈之间的物质交换也是很频繁的,并且存在着一系列化学反应,从而进行着化学能的交换。如水对岩石的风化、分解与溶蚀,水中碳酸盐、硅酸盐等物质的析出与沉淀,海底火山喷出大量物质到海水中,洋中脊四周熔岩与海水的反应等,都是岩石圈与水圈化学能交换的例证。
第四,生物圈与其它三个圈层之间,普遍存在着热能与化学能的交换。热能的交换很好理解。假如没有一定的气温、水温顺土壤温度,生物是无法生长与发育的,生物需要从三大圈层中吸收热量以保持自身所需要的温度,当然生物呼吸也会放出热量到三大圈层中。化学能的交换主要表现在生物圈与三大圈层之间的`物质交换上,生物生长过程中不断地从环境(三大圈层)吸收营养物质,同时生物的新陈代谢也不断向环境(三大圈层)排泄出物质。生物死亡后生物体被分解,物质回回环境(三大圈层)。通过物质的循环及其化学反应,生物圈与三个圈层之间进行化学能的交换。碳、氮、氧、磷、硫、氯等物质的循环,就是一个很好的例证。
2.2地球表层系统物质迁移、循环与圈层相互作用
能量驱动地球表层系统的物质迁移与循环,反过来,物质迁移与循环不仅带动了能量的活动与传输,而且还导致能量的转化与交换。物质迁移与循环,同能量传输与转化一样,是地球表层系统发展演化的原因与动力,也是圈层间相互联系的纽带、相互作用的桥梁。
水循环似乎是水圈中的物质循环,但实际上水循环跨越了大气圈、生物圈和岩石圈:降水发生在大气圈,水汽的运移是由大气运动完成的;径流发生在岩石圈表层(地表径流)和岩石圈内部(地下径流),是水循环的重要步骤;植物的蒸腾是水循环的重要方面,植被对降水的截留,改变了水循环的过程与速度。
水循环是地球表层系统中最重要的物质循环之一。它对地球表层系统的能量起着再分配的作用。当水蒸发时,吸收大气的热量;当降水发生时,开释热量到大气中;当蒸腾发生时,带走植物体内的热量,同时也吸收大气的热量。它是地球表层系统其它物质运动与循环的传送带。任何物质的运动和循环,都离不开水的运动和循环。如泥沙的搬运、沉积,岩石的风化、分解,元素的迁移等,大都是在水的参与下完成的。
3.圈层相互作用的例证
3.1圈层相互作用与自然灾难(两两关系)
(1)大气圈与水圈的相互作用——风暴潮。风暴潮是指由于强烈的大气扰动引起的海平面异常升高,使海水漫溢上陆的现象。风暴潮是风暴与潮水结合的产物,是大气圈与水圈相互作用的结果。当风暴经过沿海地区时,正值大潮***,风暴与潮水叠加导致异常***位时,就可能形成特大的风暴潮,造成严重的风暴潮灾难。风暴潮的影响大小或者风暴潮灾难的严重程度,除了与风暴强度、潮位状况有关外,还与沿海地区的地形条件有关。不管如何,风暴潮产生于大气圈与水圈的界面上,是大气圈与水圈相互作用的产物。
(2)大气圈与岩石圈的相互作用——沙尘暴。所谓沙尘暴,就是大风扬起的地面尘埃使空气浑浊,水平能见度小于1000m 的恶劣天气现象。假如水平能见度小于10m,则称为黑风暴。首先,沙尘暴的形成需要地面干燥,并且地面上要有比较丰富的碎屑物质,即岩石圈表面要比较破碎或分布有较多的疏松沉积物。沙尘暴多形成于干旱、半干旱地区,中亚、北美、中非和澳大利亚是世界上四大沙尘暴区。在我国主要发生在西北干旱、半干旱地区。其次,沙尘暴的形成还必须具备特定的大气环流条件。只有当大气系统处于不稳定状态,尤其是当狂风或风暴来临的时候,才有可能形成沙尘暴。我国西北地区的沙尘暴多发生在春季,就是由于在春季大气系统处在调整时期,大气系统不稳定,并且经过一个较长的干燥时期,地面比较干燥的缘故。由此可见,沙尘暴是在特定的大气状态下,风暴作用于特定的岩石圈表面而形成的,是大气圈与岩石圈相互作用的产物。
(3)岩石圈与水圈的相互作用——滑坡,崩岸,泥石流,海啸。
滑坡是指斜坡上的土体或岩体沿一定的滑动面整体下滑的现象。滑坡形成的必要条件是: 岩体存在一定产状的软弱面或破裂面,岩体具有一定的临空面。滑坡的诱发因素是: 地震、火山爆发、水的浸泡和润滑作用、水动力或人为对坡脚稳定性的破坏。抛开人类活动的影响,自然状态下发生的滑坡,主要是岩石圈与水圈相互作用的结果。岩石(包括碎屑堆积物)的组成、性质、结构、构造,决定了岩体是否存在一定产状的软弱面或破裂面,岩石圈的变动(地震、火山爆发和地壳运动)不仅是滑坡发生的诱发因素,而且与水动力对沟谷的腐蚀作用一起,决定了岩体是否有临空面、岩体是否稳定。地面水或地下水对岩体的浸泡和对软弱面的润滑,是滑坡发生的诱发因素。可以说,岩石圈与水圈相互作用产生了滑坡。
崩岸是指河岸、湖岸、海岸的崩塌。崩岸的发生,一是与组成河岸、湖岸、海岸的岩石或碎屑物的性质、结构、构造有关,破碎的、结构疏松的岩石或碎屑物轻易发生崩岸; 二是与水动力对河岸、湖岸、海岸的腐蚀有关,水动力对河岸、湖岸、海岸的腐蚀越强,越轻易发生崩岸。因此崩岸多发生在河流凹岸,湖流靠近的湖岸或迎波岸(波浪正面冲击的湖岸),潮流或潮沟逼近的海岸或波浪正面冲击的海岸。可见,崩岸也是岩石圈与水圈共同作用的产物。
地层表面的各个圈层相互联系,相互制约,形成人们生存的自然环境,它们都是通过能量,物质与信息的交换完成的。
岩石圈是地球表面一层薄薄的由岩石构成的固体外壳,岩石圈的物质循环是自然界重要的物质循环,形成了地球上重要的矿产资源,改变了地表形态,实现了圈层之间的物质交换和能量传输,从而改变了地表环境。
原始大气层和水圈由原始地球表层释放气体形成的,经过长期演化形成了如今的大气圈和水圈,在它们与岩石圈的接触地带经过长期的化学演化,从而形成有机物质。能量驱动地球表层系统的物质循环和迁移,能量驱动地球表层系统的物质迁移与循环,反过来,物质迁移与循环不仅带动了能量的活动与传输,而且还导致能量的转化与交换。物质迁移与循环,同能量传输与转化一样,是地球表层系统发展演化的原因与动力,也是圈层间相互联系的纽带、相互作用的桥梁。能量驱动地球表层系统的物质迁移与循环,反过来,物质迁移与循环不仅带动了能量的活动与传输,而且还导致能量的转化与交换。物质迁移与循环,同能量传输与转化一样,是地球表层系统发展演化的原因与动力,也是圈层间相互联系的纽带、相互作用的桥梁。
1.水圈与大气圈,水圈中大部分水以液态形式储存于海洋、河流、湖泊、水库、沼泽及土壤中;部分水以固态形式存在于极地的广大冰原、冰川、积雪和冻土中;水汽主要存在于大气中,三者常通过热量交换而部分相互转化。
2.生物圈与水圈,人类大规模的活动对水圈中水的运动过程有一定的影响。大规模的砍伐森林、大面积的荒山植林、大流域的调水、大面积的排干沼泽、大量抽用地下水等,都会促使水的运动和交换过程发生相应变化,从而影响地球上水分循环的过程和水量平衡的组成。人类的经济繁荣和生产发展也都依赖于水。如水力发电、灌溉、航运、渔业、工业和城市的发展,无不与水息息相关。
3.举例:
人类(生物圈)在岩层(岩石圈)上修建了大坝。
被大坝阻挡的水(水圈),通过下渗成为地下水(水圈),或者通过蒸发进入大气(大气圈)。
人类(生物圈)进行水力(水圈)发电。
1.大气圈与生物圈 大气圈为生物圈内的生物生存提供了适宜的大气;生物圈内植物的蒸腾作用能增加大气湿度。
2.水圈与生物圈 水圈为生物的生存氧化提供必要条件,而生物圈又影响水圈的运动和循环。
3.大气圈与水圈 降水就是从大气圈产生,而水圈里水蒸发又能增加大气圈湿度。
4.水圈与岩石圈 水圈对塑造地表形态,成岩成矿都有影响,岩石圈又影响了水圈的分布。
5.生物圈与岩石圈 生物圈对岩石进行分化和破坏,而岩石圈里的矿,又对生物圈里的人类生存起到重要作用。
因此,岩石圈,大气圈,水圈,生物圈四大圈层相互联系,相互作用,共同形成了人类赖以生存的自然地理环境。
大气圈和水圈可能是由普通球粒陨石类物质构成的原始地球“表层”释放的气体形成的,其中水汽成分凝结降落形成了原始水圈。原始大气圈和原始水圈经长期演化,特别是经过生物作用后才形成了现今的大气圈和水圈。原始大气圈和水圈形成之后,在它们与岩石圈的接触地带,无机物经化学演化形成有机物质,生命从无机界中产生出来,再经过长期的进化形成了现今的生物圈。大气圈、水圈和生物圈,是互相渗透的,也是互相重叠的。
地球大气圈是一个保护层,使人类免受有害射线的照射,同时提供了人类生存所必须的氧气。人类天天都在呼吸新鲜空气,吸进氧气,排出二氧化碳。空气与阳光、水分一样是不可缺少的。没有大气圈,人类乃至生物界将不能生存。
水体水蒸发进进大气,又在适当条件下降水回到地面和海洋。陆地降水一部分汇集于江河湖泊,另一部分渗透地下,最后都流进海洋,构成了水的循环。自然界的水就像这样处于不断地活动和循环状态,从而为生物生长提供了适宜的供水条件。水分和能量的不同组合使地球表面形成了不同的自然带和自然景观类型,水溶解岩石中的营养物质,为满足生物需要创造了条件。
生物在促进太阳能转化,改变大气和水圈的组成,参与风化作用和成土过程,改造地表形态等方面起着重要的作用。人类以多种方式转移地球物质,其以局部效应与整体效应两种不同形式影响环境。如人类大量开采地下能源,形成塌陷区;人类削山采石,构筑大都市中星罗棋布的高层建筑群,造成地表沉降,还明显
改变其近地面层风场结构,产生干岛、湿岛、热岛效应等;
大气圈与水圈之间存在着热能、动能、化学能和势能的传输与交换。由于大气与水体之间温度的差异,大气圈与水圈之间热能交换一直在不停地进行着水体的运动也会影响和改变大气的运动,如在静风天气时,来到瀑布或快速活动的河流四周,立即感到风的存在,这是大气圈与水圈动能交换的结果。。气压代表了大气势能的大小。当大气压力不同或发生变化时,会改变水体的分布与位势。如气压偏低时,海平面就会升高;当气压偏高时,海平面就会相应降低。