第4章-自然地理系统的基本能源.ppt

第一节地球内生能在自然地理系统中的作用 一 重力能1 重力 地球上距地球质心为r的某点单位质量的质点将同时受到两个力的作用 一个是地球作用在该单位质点的引力F r 一个是该单位质点由于地球自转所承受的惯性离心力G r 二力的矢量和称为地球在该点产生的重力矢量g r g r F r G r 地表重力随纬度的差异为 在赤道上r最大 引力F小 离心力G大 故重力P最小 在南 北极点 r最小 离心力G 0 重力P F 其值最大 赤道上的重力约为极点重力的0 993倍 一 重力能 2 重力能 是重力做功所具有的能量 大地水准面是由静止的大洋海平面在陆地下面延伸构成的与重力方向处处垂直的一个封闭曲面 沿大地水准面移动物体时重力不做功 故该曲面是地球表面的重力等位面 又称重力等势面 大地水准面作为一个等势面是一个起伏不规则的曲面 今以大地水准面作为计算陆地高程的基准面 以地球的平均重力 9 8m s2 为g值 基准面以上的大陆总势能Eh mgh 计算得全球陆地的总势能力2 32 1024J 3 重力能对于自然地理系统的意义 重力能对地球上的物质运动起着潜在势能的作用 地球内部物质发生重力分异过程 导致重力能转化为构造应力能 对改变地壳内应力状态和地壳构造活动的形成具有根本性意义 而地壳构造活动又直接改变着地表的面貌 重力能使地球保持着一定厚度和质量的大气圈 控制着环球不同规模的水分循环和地表固体物质的运移过程 并对内 外动力地貌的形成等一系列自然地理过程均起着关键性的控制 调整和平衡作用 重力能或重力作用总是力图使地球上运动着的物质趋向于保持相对稳定 相对平衡的状态 二 地热能 地热能通过地表向外的释放以地热流密度表示 其数值为单位时间单位面积上平均约1 5 10 6cal cm2 s 地球表面的总热流密度Q约为1 01 1021J a 相当于每年每平方厘米地表得到168 210J地热能 地球内部热能的产生 主要是放射性元素衰变释放热量的结果 其它的热量来源有重力分异热 潮汐摩擦热 化学反应热等 此外还可通过火山 地震 温泉 以及构造运动等形式 从局部地区间断地释放热量 二 地热能 地热能对于自然地理系统的意义地球内部的热力状况导致地幔物质产生对流运动 成为地壳板块运动 全球性大陆漂移 海底扩张 重力分异以及引发地壳各种地质构造活动的构造力 从而改变全球自然地理环境的面貌 如显著改变地表形态 主要是大地构造地貌形态以及海陆的分布 尽管地热能对于自然地理环境的作用在短时间内是一种缓慢的不易觉察的动力因素 但由地热能引起的地壳构造应力能对自然地理环境基础的形成和演变 对自然地理系统的结构与功能所施加的影响是十分重要的 第二节太阳能和引潮力在自然地理系统中的作用 一 引潮力地球所受引潮力主要是月球和太阳对地球的万有引力与地球绕地月及日地公共质心运动产生的惯性离心力的合力 月球和太阳引潮力中又以月球的引潮力为主 它是太阳引潮力的2 18倍 引潮力与重力相比较为微小 人们通常是很不易感觉的 但地球对这种力却有显著反应 最直观的反应便是海洋潮汐 引潮力对水圈引起的 潮汐 称为 液体潮 主要体现为海洋潮汐 世界大洋的平均引潮力可使海面垂直涨落约0 8m 引潮力对固体地壳引起的 潮汐 称为 固体潮 固体潮每天的变化十分规则 引潮力对大气层引起的潮汐称为 气潮 据估算 大气中由于月球引潮力所产生的能量 约为地表太阳能总量的3 10 8倍 一 引潮力 一 引潮力 1 海洋潮汐 图1月球引力产生的潮汐摩擦作用 海洋潮汐对自然地理环境的影响意义引潮力对海洋的水平引力作用形成大规模短周期性海洋潮流 在浅海地区潮流对海底产生的摩擦作用 使地球的自转速度变慢 导致日长增加 海洋潮汐的产生使海洋与大陆之间形成一个周期性被疏干的地带 称为 潮间带 它的存在成为地球上海洋生物向陆地 进军 的 滩头阵地 促成陆地生物的发展 改变了自然地理系统的组成与结构 1 海洋潮汐 气潮 引潮力对大气层产生的潮汐作用 可使大气压力产生周期性变化 这种变化即为气潮 对一些天气现象有重要影响 气潮在高空可形成50m s的强风 从而影响全球高空气流 月相变化引起的气潮对台风及飓风有影响 天气预报方面月相变化对气潮的影响也是一个值得考虑的因素 气潮加强了大气圈内的物质循环 使天气变化复杂化 2 气潮 固体潮 引潮力对固体地壳引起的 潮汐 固体潮使地面发生升降变动 地面的升降幅度理论上的最大值可大于50cm 一般则在30cm左右 固体潮在地表产生的地球物理现象主要还有重力的变化 地倾斜的变化 地面两点间距离的相对变化 以及地球自转速度的变化等 固体潮引起的重力和地形的变化 影响地壳运动的平衡 与地震的发生有一定联系 3 固体潮 二 太阳辐射能在自然地理系统中的作用 1 太阳辐射能的意义太阳不断地向宇宙空间以电磁波的形式辐射巨大的能量 到达地球外界的太阳能每年为5 526 1024J 虽然这部分能量只占太阳总辐射能的22亿分之一 对于地球自然地理系统而言却是极其重要的能量 与其它进入自然地理系统的能量相比 太阳辐射能几乎成为使地球自然地理系统内所有地理过程得以运行的全部能源 2 进入地球范围的太阳能的分配 进入地球范围的太阳能在地表和大气中作如下分配 以到达地球大气层顶的太阳辐射能为100 其中 37 被大气中的云 尘埃物质和地面直接反射回宇宙空间 反射量分别为27 7 和3 63 被大气层和地面吸收 大气吸收20 地面海洋和陆地吸收43 大气和地表所吸收的63 太阳能 便为自然地理系统的各组成部分所吸收 流通 转化 成为驱动全部自然地理过程的根本动力 3 太阳总辐射能在地球表面的分布 1 在赤道和热带地区收入的 吸收的 辐射能大于输出 支出 的辐射能 属于能量盈余地区 2 中 高纬度地区则为地面输出辐射能大于输入的辐射能 属于太阳能量亏损地区 3 在南 北半球南 北纬30 40度之间地面 则是太阳能收支量相等的地区 3 太阳总辐射能在地球表面的分布 图2各纬度地面与大气对流层辐射收支 1 收入辐射值 2 支出辐射值 3 能量输送值 A收支平衡点 箭头为能量输送方向 4 经向热运动 由于低纬与高纬地区间净辐射的分布差异 形成经向热力梯度 中低纬度地区的热能向高纬地区输送 称之为 经向热运动 年经向热输送量以在中纬地带为最大 除经向热运动外 海陆之间形成的周期性转换方向的热力梯度转化成压力梯度 形成的大气环流 对于全球能量调整和区域性热量平衡起着十分重要的作用 3 太阳总辐射能在地球表面的分布 三 地球表层的能量系统 地球表层的能量系统包括两大能量循环系统 由大气圈对流层 陆地表层和海洋表层所构成的地气能量循环 以生物 植物 动物 微生物 为主体 并与其非生物环境紧密联系而构成的能量循环生态系统 1 太阳能在无机圈中的传输与转化 1 大气圈 全球大气循环 2 水圈 地面热辐射通过水分蒸发和蒸腾 转化为汽化潜热 引起地球上水体的三相变化及循环 在太阳能和重力的共同作用下 水在自然地理系统中不停地从一个圈层向另一个圈层转移运动着 形成水分循环 其循环方式主要有两种 一是通过汽 液 固三态转化的方式在各圈层中运动 一是液态水在热力和重力作用下 通过洋流或陆地地表及地下径流进行物质和能量的传输 3 岩石圈 地表岩石在太阳辐射能的直接作用与间接作用下 发生风化 搬运 堆积作用 为土壤的形成提供成土母质 并在水流和气流作用下参与地质循环 2 生态系统中的能量流动与转化 生物循环 绿色植物也面对不同的太阳辐射能具有选择性吸收 透射和反射作用 1 植物有机体对太阳能的吸收与转化 1 植物有机体对太阳能的吸收与转化 植物叶面对太阳短波辐射是按短波吸收率进行吸收的 对来自大气层和近地面的长波辐射是按长波辐射率进行吸收的 同时植物叶面以长波辐射的形式向天空和附近地面发放辐射 自养植物的营养器官所吸收的太阳能的转化 转化为热能消耗于植物体的增温和用于促进植物水分的蒸腾 一少部分可见光的光能转化为化学能用于合成复杂的有机物质 6CO2 12H2O674千卡太阳能C6H12O6 6H2O 6O2 1 植物有机体对太阳能的吸收与转化 当叶面温度与气温不相同时 叶面与自由空气间可进行热能的传递与交换 蒸腾作用中 水气从叶面向空气中传送 蒸腾的汽化潜热量等于蒸发速度 W 与叶面下蒸发时的汽化潜热 L 之积 在光合作用中空气中的二氧化碳向叶面输送 其光合热等于二氧化碳运输速度 M 与其固定热 P 之积 2 植物动物微生物之间的能量流动与消耗 生态系统中的能量流动 首先从第一性生产过程中植物体内的能量分配与消耗开始 正常情况下 第一性总生产量的50 以上用于植物自身的生命活动 其余40 除了少量暂时存在体内外 大部分有两个转移方向 通过昆虫 鸟类和各种草食动物的采食 能量转移到动物肌体 伴随植物枝叶的掉落 能量转移到地表 潜存于土壤腐殖质层中 食物链 植物 一级消费者 二级消费者 吃入能量 消化能量 代谢能量 净能 各级消费者 流失流失流失粪便尿气热量试验证明 伴随食物进入草食动物肌体内的能量只有10 的净能被吸收利用于肌体的建造 实际转移到下一级消费者肉食动物体内的能量也在10 左右 其余部分的能量消耗于生命活动中的消化和代谢过程 2 植物动物微生物之间的能量流动与消耗 四 太阳总辐射的气候计算法 太阳总辐射值表示着全球或某一区域能量总输入的大小 该值对农业生产的光能利用有直接的影响 太阳总辐射值为到达地表水平面的直接辐射与大气散射辐射之和 在气候学计算上一般采用经验公式 式中 S 当地碧空条件下的天文辐射值 cal cm d n 实际日照时数 h d N 可日照时数 h d a b 为待定系数 a与大气散射状况 地表反射性质有关 b与大气透明度有关 四 太阳总辐射的气候计算法 对于S0的取值可用天文辐射年变程曲线内插求得 即以每月15日天文辐射日总量代表月平均值 或按以下天文辐射日总量公式计算 式中 T 周期长度 取一天的长度 即1440min I0 太阳常数 取1 95卡 厘米2 分 任意时刻以天文单位表示的日地距离 在0 9833 1 0167天文单位之间取值 0 分别为当地日出日没时角 地理纬度和赤纬 太阳总辐射的气候计算法经验公式 彭曼法 我国八个地区四季a b系数与相关系数r 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 图3能量在自然地理系统中的一般流动过程 牛文元 1981 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 假定系统是确定性的 非随机的 过程是线性的 时不变的 能量在系统内各分室间的流通为受控制的 在以上设定条件下 能量在系统内各分室中的流通状态变化 可用一类微分方程表达 式中 dx dt 能量 状态随时间的变化率 F 对系统的 能量 输入变量 组 A 能量 流通速率矩阵 X 各分室 能量 状态变量 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 据图3可知 外界对系统的输入变量为F01 F05 F06 组成输入向量组 其中 F01 外环境对大气分室输入的太阳辐射能 F05 F06 分别为地壳向土壤分室和水体分室输入的热能 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 状态变量X是由系统内6个分室的状态变量构成的向量组 其中 X1 X2 X3 X4 X5 X6 分别为大气分室 植物分室 动物分室 微生物分室 土壤分室和水体分室t时刻的能量 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 根据图3中表示的系统内各分室间能量的传输方向 今将各分室的能量随时间的状态变化率表示为 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 如方程中的dxi dt在状态方程中用表示 将以上各式中的输出项归并 另用一常系数aii表示i分室能量的总输出流通率 以上各式又可写成如下形式 四 自然地理系统中能量状态方程的一般表达式 上述方程组用矩阵形式表示 即为自然地理系统的能量转换状态方程组表达式 X F A