环境地学 赵烨 第2章.

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1、2 地球环境系统目录 2.1 地球环境系统的外围空间太阳系 2.2 地球-月球系统及其运动 2.3 地球环境系统及其演化 2.4 地球环境系统中的物质和能量 2.5 地球环境系统与人类社会的相互关系 2.6 思考题与个案分析 12-地球环境系统 2.1 地球环境系统的外围空间太阳系 2.1.1 太阳系概况 太阳系是由恒星太阳、行星及其卫星、小 行星、矮行星、彗星、流星体和行星际物质构成 的天体系统。太阳是太阳系的中心天体，占太阳 系总质量的99.86%，其他天体都在太阳的引力作 用下绕其公转。 22-地球环境系统 按照2006年在布拉格召开的国际天文学联 合会（IAU）新的定义，太阳系中共计有

2、八大行 星，按距太阳远近排列依次为水星、金星、地 球、火星、木星、土星、天王星和海王星，按 照最新的行星定义，原来的行星冥王星被降级 为矮行星。 32-地球环境系统 图2-1 太阳系组成结构示意图 （冥王星被降级为矮行星） 42-地球环境系统 2.1.2 太阳的物质组成和结构 太阳是一个炽热的气体球，在广阔的恒星世 界中，太阳是一颗中等质量的壮年星。根据天文 观测得知，日地平均距离为1.496 108 km，太阳 的平均半径为6.69 105 km，是地球赤道半径的 109倍；太阳体积约为地球体积的130104倍。 52-地球环境系统 太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气 层顶垂直太阳光束方

3、向的单位面积、单位时间所 接受到的太阳辐射能。据20世纪60年代的测量结 果，太阳常数为1373 W/m2，据此推算的太阳表 面平均温度为6000 K。 62-地球环境系统 太阳大气层从内到外可分为光球、色球和 日冕三层。 太阳的X射线图像 太阳的可见光图像 72-地球环境系统 太阳黑子是指光球上经常可以看到许多黑 色斑点，是光球表面剧烈旋涡状气流形成的局 部强磁场区域，是光球活动的重要标志。太阳 黑子在光球表面的大小、多少、位置和形态等 时刻都在变化，其变化对地球环境系统变化具 有重要的影响。 82-地球环境系统 2.1.2 行星及其运动 人类经过千百年的探索，到16世纪著名天文 学家哥白尼

4、建立了日心学说，随后人们才逐渐认 识到：地球是绕太阳公转的行星之一，而包括地 球在内的八大行星则构成了一个围绕太阳运动的 行星系。 92-地球环境系统 八大行星可归为三类：类地行星，包括水 星、金星、地球、火星等体积和质量都较小，密 度大，卫星少的行星；巨行星，包括木星、土 星，其特征是体积和质量大，密度小，卫星多； 远日行星，包括天王星、海王星，其特征介于 前两者之间。 102-地球环境系统 八大行星都在接近同一平面的近圆形的椭 圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转，即行星的 轨道运动具有共面性、近圆性和同向性，只有 水星稍有偏离。太阳的自转方向也与行星的公 转方向相同。 112-地球环境系统 行

5、星围绕太阳的运动，都遵循开普勒三大定 律：行星沿椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一 个焦点上；在行星绕太阳运动的过程中，它的 向径（行星与太阳的连线）在单位时间所扫过的 面积相等；行星公转周期T的平方与行星轨道 长半径的立方成正比。 122-地球环境系统 132-地球环境系统 行星围绕太阳公转的运动状态可以用以下5 个轨道参数来描述： 轨道长半径a和短半径b 轨道偏心率e 轨道倾角i 升交点黄经 近日点角距 142-地球环境系统 图2-4 行星公转轨道要素示意图 152-地球环境系统 根据2006年国际天文学联合会的新定义，同 样具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道 附近其他物体的天体被称为“

6、矮行星”。冥王星被 降级为一颗矮行星。 162-地球环境系统 小行星是指主要分布于火星和木星轨道之 间，围绕太阳旋转的为数众多的小天体。大多 数小行星的体积都很小，是形状不规则的石块 或碎屑物质。目前已登记在册和编了号的小行 星已超过8000颗。 172-地球环境系统 彗星是绕太阳运行的一种微小天体，是由冰 冻着的各种杂质、尘埃组成云雾状的斑点。彗星 的质量很小，大的彗星的质量约为1020 kg，即不 及地球质量的1/104；小彗星的质量不到1012kg， 不及月球质量的1/(100108)。 182-地球环境系统 2.2 地球-月球系统及其运动 2.2.1月球概况 地球是太阳系八大行星之一，

7、按离太阳由近 及远的次序为太阳系的第三颗行星。地球有一个 天然卫星月球，二者组成一个天体系统 地月系统。 192-地球环境系统 月球直径约为3476 km，是地球的3/11；月球 体积只有地球的1/49，月球质量约为7.351019 t， 约为地球质量的1/81，可见，月球平均密度为 3.341g/cm3，约为地球平均密度的60.5%。月球表 面的重力加速度为1.622m/s2，相当于地球表面重 力加速度的1/6。 202-地球环境系统 月球围绕地球公转的轨道是一个椭圆，地球 位于椭圆的一个焦点上，月球绕地球公转方向与 地球绕太阳公转的方向相同，即由西向东转。月 球轨道的偏心率（e）为0.05

8、4 9，近地点平均距离 为363 300 km，远地点平均距离为405 500 km。 212-地球环境系统 图2-5 地球与月球运动图解 222-地球环境系统 月食和日食是特殊的天象，也是短暂而无明 显危害的自然现象，它们的发生都与月球、地球 、太阳三者的相对运动密切相关。 232-地球环境系统 图2-6 日蚀过程示意图 242-地球环境系统 图2-7 2007年8月28日的月全食的全过程 252-地球环境系统 图2-8 月蚀过程示意图 262-地球环境系统 2.2.2 地球自转 地球自转就是地球绕其本身轴线做的旋转运 动。其自转运动的方向在北半球来看呈现逆时针 方向，也就是自西向东。太阳从

9、东方升起也正是 由于地球向这个方向自转的结果。 272-地球环境系统 图2-9 恒星日与太阳日的比较图（E表示地球，F表示恒星） 282-地球环境系统 地球自转使地球表面对称地出现两个线速 度和角速度都为零的点，它们被分别称为南极 点和北极点，两者的连线就是地轴。经过南北 两个极点并与地表相交的大圆，称为经线圈； 所有的经线圈都被南北极点等分为两个相对的 半圆，称为经线。 292-地球环境系统 地球的自转使得地球表面不同区域都能周期 性地接受太阳辐射，从而缓和了地球表面环境变 化的时空梯度，为生物生存创造了适宜的气压、 温度、湿度等气候条件；地球自转对沿海地区潮 汐涨落具有重要的阻尼与缓和作用

10、；地转偏向力 对地球环境系统中的物质运动有重要的影响。 302-地球环境系统 2.2.3 地球公转 地球在椭圆轨道上围绕太阳的运动称为公转 。从地球北极高空来看，地球公转的方向也是自 西向东的，即呈现逆时针方向。地球公转也是一 种周期性运动，地球围绕太阳公转一周所需的时 间为一年。 312-地球环境系统 图2-10 恒星年与回归年的比较 322-地球环境系统 地球公转轨道是一个近似圆形的椭圆，其偏 心率约为0.017，太阳位于椭圆的一个焦点上，每 年大约在1月3日地球距离太阳最近，此时地球在 轨道上的位置称为近日点，这时日地的距离只有 1.4703108 km；大约在7月4日地球距离太阳最远

11、，此时地球在轨道上的位置称为远日点，这时的 日地距离则为1.5087108 km。 332-地球环境系统 图2-11 地球公转轨道示意图 342-地球环境系统 图2-12 地球公转过程示意图 352-地球环境系统 图2-13 请问这是大致几月份的影像图？ 现在是北京时间大致几点钟？ 362-地球环境系统 2.3 地球环境系统及其演化 2.3.1 地球环境系统概况 地球是目前发现的唯一有适宜生物生长发育的 温度场、压力场、电磁辐射场、充裕氧气和液态水 的星球；唯一经由板块构造过程不断更新的地表结 构，使生命体所必需养分反复循环的星球。地球质 量5.9761024kg，平均密度5.52 g/cm3

12、。 372-地球环境系统 将假想的、静止的平均海平面（称为大地水 准面）又通过大陆和岛屿而围成的整个地球的形 体，作为大地球体。大地水准面的特征就是处处 和铅垂线相垂直。由于铅垂线的方向取决于地球 内部质量的吸引力，而地球内部质量分布不均， 这引起铅垂线方向的变化，导致和铅垂线垂直的 大地水准面成为一个复杂的曲面。 382-地球环境系统 图2-14 大地水准面和参考扁球比较图 392-地球环境系统 图2-15 地球表面、大地水准面与参考扁球体面的比较示意图 402-地球环境系统 对于地球椭球体大小和形体由于各国采用不同 的资料，其椭球体的元素值也是不同的。世界各 国常用地球椭球体模型的数据，如

13、下表所示。 412-地球环境系统 图2-16 422-地球环境系统 2.3.2 地球环境系统的组成结构 地球环境系统简便的划分是分为地圈和生物 圈，其中地圈是各种地球物理状态的整体综合， 包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈；生物圈也 称为全球生态系统，其中包含生物圈中重要的组 成成分智慧圈。 432-地球环境系统 2.3.3 地核和地幔系统 根据对地震波传播的研究，地球内部分为四 个主要圈层，即地壳、地幔、地外核和地内核。 各个圈层之间存在着一个物理上不连续的界面， 即莫霍洛维奇界面(Mohorovicic Discontinuity)，简 称莫霍面、古登堡面（Gutenbery Discont

14、inuity） 和利曼界面（Rehmann Discontinuity）。 442-地球环境系统 在地质学研究中常常将地壳和上地幔顶部刚 性岩石层统称为岩石圈，其厚度约60120km。 岩石圈厚度不均一，通常认为在大洋中脊处岩石 圈厚度接近于零，到大陆下部大约100150km 处，岩石圈厚度和地球的半径比较起来，只是薄 薄的一层，几乎可以忽略不计。 452-地球环境系统 2.3.4 地球表层系统 地球表层系统是由大气圈、水圈、生物圈 、土壤圈、岩石圈和人类智慧圈所组成的复杂 开放系统，也是环境科学、环境地学和地理科 学重要的研究内容。 462-地球环境系统 图2-17 地球环境系统示意图 47

15、2-地球环境系统 2.3.5 地球演化 根据地球最古老的岩石及其放射性同位素的 测定，地球大约诞生于46亿年前。地球形成的早 期是一个灸热的球体，球体表面的大气中几乎没 有氧气，即早期的地球是一个无生命的世界。经 过数十亿年的演化才逐渐形成了现代地球环境。 482-地球环境系统 2.4 地球环境系统中的物质和能量 2.4.1 物质形态、结构与质量 物质是指那些具有质量并占据一定空间的客 观存在。在地球环境系统之中物质常以固态、液 态、气态和等离子态存在；其存在形式可归结为 元素和化合物两大类。 492-地球环境系统 在环境科学与环境地学研究中，W.G.Hoekstra 于1972年认为，生命有机体对于任何一种化学元 素的适应范围都是比较狭窄的，例如家畜生长发 育所必需的化学元素如铁、锌、锰、铜、硒