地球科学概论第二章 地球的外部圈层

1、地球科学概论第二章 地球的外部圈层第1页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 第一节 大气圈 一、大气的组成 二、大气圈的结构 三、大气的热状况 四、大气的运动第2页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层。 大气是人类和生物赖以生存必不可少的物质条件， 也是使地表保持恒温和水分的保护层， 同时也是促进地表形态变化的重要动力和媒介。大气圈(atmosphere)第3页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 一大气的组成 大气圈的总质量约51018kg，其中绝大部分分布在大气圈的下层。 自然状态下的大气

2、是多种气体的混合物，主要由氮、氧、二氧化碳、水及一些微量惰性气体组成。 就大气的组成成分而言，可分为恒定组分、可变组分和不定组分3种。第4页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二大气成分的分类及其特点（1）、恒定组分：氮、氧氩（2）、可变组分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽（3）、不等组分：粉尘、硫氧化物、氮氧化物注意：主要是现阶段的大气组成，而且是低层大气的组分（70km以下）。 高层大气以氮、氧、氢等的原子、离子为主。第5页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二二、大气圈的结构 大气圈的下界通常是指地表，但在地面以下的松散堆积物及某些岩石中也含有少量空气，它们是

3、大气圈的地下部分，其深度一般小于3km； 其上界并无明确的界限，一般认为在20003000 km的高空向行星际尘埃的密度过渡。第6页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二大气圈在垂直方向上的物理性质有显著的差异，根据温度、成分、电荷等物理性质，以及大气的运动特点，可将大气圈自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层。第7页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图21 大气的垂直分层第8页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第9页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二三、大气的热状况 大气的热量分布状况是产生各

4、种大气现象和过程的根本原因。炽热的太阳以电磁波的形式源源不断地向宇宙空间放射能量称为太阳辐射。太阳辐射的能量主要集中在波长较短的可见光部分，所以人们把太阳辐射称为短波辐射。 太阳辐射是地球表面最主要的能量来源。平流层中的臭氧能强烈地吸收波长较短的紫外线；对流层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波长较长的红外线；但能量最多的可见光却很少被大气吸收,能够穿透大气射到地面上来。大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的(约为19%)。第10页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图22 太阳辐射能随波长的分布第11页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图23 到达地面的太阳辐

5、射第12页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 当太阳辐射到达地面后，地面吸收了近一半(约为47%)的太阳辐射能量，地面温度增高，同时地面也以电磁波的形式向外辐热量。地面辐射的能量主要集中在红外线部分，属于长波辐射。地面辐射极易被对流层中的水汽和二氧化碳所吸收。据观测，近地面的大气能够吸收地面辐射的75%95%。可见低层大气增温的直接热源是地面辐射。第13页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 气温是指大气的温度。在同一地点，由于地球的自转使太阳辐射强度发生昼夜更替，从而导致气温日变化。一天之中，最低气温出现在日出前后，直至午后2点左右达到最高,以后开始

6、逐渐降低。同一地点的气温因地球公转引起的季节变换而发生气温年变化。气温的年变化通常用多年来各月平均气温的变化来表示。就北半球来说，大陆上最高月平均气温出现在7月(海洋上为8月)；大陆上最低气温出现在1月(海洋上为2月)。一年中最高月平均气温与最低月平均气温之差反映出一地在一年中气温变化的幅度，是划分气候类型的重要依据。第14页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二四、大气的运动 大气运动的产生及形式取决于气压的作用。一个地方的气压随高度增加而降低，影响气压随高度变化的原因主要是该地上空大气柱的高度和密度。第15页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二在水平方

7、向上，由于气温差异也会引起该方向上的大气密度的变化，并产生气压的水平变化。由于大气在垂直或水平方向上存在气压差，从而产生了气压梯度力，气压梯度力可分为水平气压梯度力和垂直气压梯度力。真正造成大气水平运动的力是水平梯度力。此外，运动的大气还会受到地转偏向力、惯性离心力及摩擦力的作用。第16页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图24 地转偏向力示意图第17页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第18页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图25 地球上的气压带和风带第19页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第20页，

8、共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第21页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 第二节 水 圈 一、水圈的组成 二、水圈的循环第22页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 水圈(hydrosphere) 是指由地球表层水体所构成的连续圈层。 水是一切生物生存必不可少的物质条件， 对地球表层环境的形成和改造起到重要的作用。第23页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二水的基本特性（1）水分子的结构特点第24页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二（2）水的特性水的三种状态的转化对地球环境的影响是非常重

9、要的。水分子具有缔合现象：流动性好、表面张力强、粘性但较弱。水具有很强的溶解能力水具有很高的热容量水具有反常膨胀性第25页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第26页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二一、水圈的组成 自然界的水以气态、 固态和液态三种形式存在于大气圈、生物圈、海洋与大陆表层之中。 地球水体的总质量1.51018t，体积约1.41018m3， 其中，海洋水约占 97.212，大陆表面水约占2.167，地下水为0.619，大气水占0.001。第27页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二一、水圈的组成 如果设想将地球表面全

10、部削平，水圈的水体足以覆盖整个地球达2700多m厚。 按天然水所处的环境不同可分为：海水、大气水和陆地水3类。第28页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二陆地表面水地下水冰川大气水海洋第29页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 （一） 海水（的运动）1、波浪是海水最基本的运动形式。当风刮过海面时，风与海水面之间产生摩擦力，使海水产生运动形成波浪。海水运动时，水质点基本上绕某个平衡位置作圆周运动，只是向前移动很小的距离。第30页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二水质点作圆周运动时，当运动到最高点就形成波峰， 运动到最低点就构成波谷，

11、而波高就相当于水质点运动圆周的直径。水质点的运动圆周随水深增加变得越来越小，当水深达1/2波长时，水质点的运动圆周直径仅为0.04波高，一般把此深度认为是波浪作用的下限。地震、火山喷发可释放出巨大的能量，使海水强烈运动，产生汹涌的海浪，称海啸。第31页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第32页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第33页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第34页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第35页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第36页，共80页，2022年，5月

12、20日，21点28分，星期二第37页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第38页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 2、潮汐 指全球性海水周期性涨落现象。 潮汐的引潮力主要是月球、太阳对地球的引力和地球绕地月系质心旋转、绕太阳公转的惯性离心力的合力，所以引潮力主要包括太阳地球间和地球月球间的引潮力两部分。太阳由于距离地球太远，其引潮力仅为月球的46.6。 由潮汐引起的海面高度变化迫使海水作大规模水平运动称为潮流。 第39页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第40页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第41页，共

13、80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二3、海流(洋流)是指大洋中沿一定方向有规律移动的海水。洋流可分表层洋流和深层洋流。4、 浊流是海洋(或湖泊)中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流。第42页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图28 世界洋流略图第43页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第44页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二（二）陆地水1、地面流水是指沿陆地表面流动的水体，其水源主要有大气降水、冰雪融水、地下水和湖泊等。地面流水根据水源补给特点可分为常年性流水(河流)和暂时性流水(片流、洪流)。 第45页，共8

14、0页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 （1）暂时性流水是指补给水源不稳定(时有、时无)的地面流水，这种流水的水源一般都是大气降水。暂时性流水包括片流和洪流。片流是指沿山体斜坡无固定水道的面状流水，它发生在大气降水刚降落到地面之后，其特点是水层薄、速度慢、呈网状。洪流是指大气降水后沿沟谷的水流，它是由片流汇集到沟谷形成的，其特点是流速快，有固定的水道。 第46页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二（2）河流是地表面具有固定河道的线状常年性流水。河流有稳定的补给水源，它的水源一般以地下水、冰雪融水为主。第47页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期

15、二图29 水系和流域示意图第48页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第49页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第50页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二2、地下水是埋藏在地表以下岩石和松散堆积物空隙中的水体。水源主要来自地面流水和大气降水。 岩石中空隙的体积与岩石的总体积之比称为空隙率。空隙的连通性越好越利于地下水的运动。第51页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二岩石或堆积物能透过地下水的能力称岩石的透水性。由透水性较好的岩石组成的岩层称为透水层；储存有地下水的透水层称含水层。相反，地下水不易透过的岩层称不

16、透水层或隔水层。 第52页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 地下水的存在形式有吸着水、薄膜水、毛细水、重力水，前两者吸附在岩石的表面，一般不运动。毛细水受表面张力作用逆重力方向运动。重力水在重力的影响下作垂直向下或水平运动。第53页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第54页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 地下水按运动特征和埋藏条件可分为包气带水、潜水、承压水三种基本类型： 包气带水是指埋藏在包气带中的地下水。包气带意指岩石空隙未被地下水充满的地带。包气带中的地下水以吸着水、薄膜水、毛细水为主，而重力水较少。包气带水以垂直运

17、动为主。 第55页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上、具有自由表面的重力水，也称饱水带水。其自由表面称潜水面。潜水在重力的作用下一般从高处往低处流，以近水平方向流动为主。 第56页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第57页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 承压水是指埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水，故又称层间水。承压水受两隔水层所限，位置低的水体受位置高的水体的静压力，这种压力常称水头压力。承压水的运动一般为从补给区流向排泄区。第58页，共80页，2022年，5月20日，21

18、点28分，星期二第59页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二3、湖泊是陆地上较大的集水洼地,全世界湖泊的总面积约27105km2，占陆地面积的1.8。湖泊的规模不等，所处位置的高低相差悬殊。湖水主要来自大气降水、地面流水和地下水，其次是冰川融水和残留海水。湖水通过蒸发、下渗和流泄等方式不断消耗。一般将有出口流泄的湖称泄水湖，无出口的称不泄水湖。第60页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 据湖水中含盐量的多少，可把湖泊分为含盐量低于0.3的淡水湖、含盐量为0.324.7的半咸水湖及含盐量高于24.7的咸水湖。 潮湿气候区的泄水湖通常为淡水湖，干旱气候区的

19、不泄水湖则常为咸水湖。 湖水的运动方式有波浪、潮汐、湖流和浊流等。 第61页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 4、沼泽是陆地上潮湿积水、喜湿性植物大量生长并有泥炭堆积的地方。沼泽主要分布在湿润气候区，不论热带、温带和寒带都可产生。世界上沼泽总面积达35105km2，占陆地面积的2.3。第62页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 （三）冰川冰川是指由积雪形成的、并能运动的冰体。它是陆地上以固体形式存在的水。冰川主要分布于地球两极及高山地区，覆盖陆地面积的10，集中了全球85的淡水。据估计，如果全球的冰川融化注入海洋，可使全世界海平面上升66 m。 气

20、候寒冷是冰川形成的必要条件，另外要有丰富降雪量和合适冰雪堆积的场所。雪线是指终年积雪区的下部界限。第63页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第64页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第65页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图214 新雪转变为粒雪和冰川冰的过程第66页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图215 山谷冰川（祁连山）第67页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第68页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 分布于陆地表面的冰川可分为大陆冰川和山岳冰川两类。

21、 大陆冰川是分布在高纬度和极地地区的冰川，又称冰盾或冰盖，其特点是雪线位置低，分布面积大，冰层厚，流动速度稍快，并由中间向四周流动。 山岳冰川是分布于高山地带的冰川，其特点是雪线位置高，规模小，冰层薄，受地形控制，呈线状分布。第69页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第70页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第71页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二（四）大气水是指存在于大气圈中的水，它以汽态的形式存在。据估算，大气中水的总量约为 1.31013m3，而绝大多数分布于大气圈的对流层中。常用湿度来表示大气中的水含量。大气的湿度可分

22、为相对湿度和绝对湿度。第72页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 所谓的相对湿度是指空气实际水汽压与当时同温度下饱和水汽压的百分比， 而绝对湿度是指一定量空气中的水汽质量体积之比(g/m3)。 相对湿度会随气温而变化，如果当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小；反之，则增大。所以在一天之内，在清晨相对湿度最高，中午相对湿度最低。第73页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二二、水圈的循环 水的循环是自然水体运动的最基本特征，它还可分为大循环和小循环。海洋表层水体经蒸发作用，一部分水进入大气圈，并运动到陆地的上空，当气温降低时，水蒸汽又凝结成雨、雪降到陆地。降落到陆地上的水一部分进入地下成为地下水，另一部分又蒸发回到大气圈，其余部分则以地面流水的形式又回到海洋。这样水就从海洋到陆地再回到海洋完成一个完整的水循环过程，这称为水圈的大循环。水圈的小循环是指陆地内部或海洋内部的水循环，当然水圈的小循环还可以进一步划分为更次一级的水循环。第74页，共80页，2022年，5月20日，21点28分，星期二图216 自然界的水循环第75页，共80页，2022年，5月20