第2讲自然科学基础地球篇

06二月20231第二讲地球篇第一节地球概述第二节地理过程第三节地球科学学科概况第四节地学研究新技术--三s技术第五节几种理论现象2第一节地球概述一、美丽的家园二、地球构成31972年“阿波罗”17号的宇航员的一幅太空摄影图06二月20234

“伽利略”号行星探测器于1990年12月11日拍摄的地球全景图，当时“伽利略”号飞行于离地球约2400万公里远的宇宙太空。06二月20235

一幅来自两颗卫星(NASA的Terra卫星和NOAA的GOES卫星）数据的合成图像06二月2023606二月20237中国载人航天拍摄的地球06二月20238地球的构造06二月20239一、地球的外部构造1、大气圈：质量为5.3×1021克占地球总质量的1%，其中氮占78.08%、氧占20.95%、氩占0.934%、二氧化碳占0.033%…06二月202310高度（公里）800600400200100806040200-10004008001200温度（℃）外大气层（人造卫星）暖层或电离层中间层平流层（飞机）对流层(75%大气90％的水汽、)臭氧层（20－25km）无线电波、流星、极光大气的组成干洁空气：通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气。85公里以下干洁空气各成分比例维持常定，85公里以上为非均质层，其中分为氮层（85－200km）、原子氧层（200－1100km）、氦层（1100-3200km）、氢层（3200-9600km）。水汽：整个大气包含的水汽，平均为1.24×1010g，占地球总水量的0.001％；地球年平均降雨量为3.36×1020g，其中88％降在洋面上；大气中的水汽平均每年更替约32次，即11天更替1次。水汽在天气变化、大气能量转化过程及大气与地面的能量交换中起着重要作用。固、液、杂质（悬浮颗粒）：自然源（火山灰、宇宙尘埃、陨石灰烬、植物花粉孢子、岩石风化后的粉尘、海水溅沫蒸发后残留在空中的盐粒等等）；人工源（人类活动和工业生产过程中排放的烟、粉尘等）06二月202311大气的质量和压力06二月202312高度(mi)50403020100100806040200空气质量占总数的百分比％3020100Km050100气压随高度的变化hpa2、水圈（质量为1.41×1024克）06二月202313位置比例海洋97.2冰（冰盖、冰川、海冰）2.15地表以下的水（土壤水、地下水）0.625地表淡水（湖、河）0.009地表咸水（盐湖、内陆海）0.008大气（水蒸气、云）0.0013、生物圈（质量为3×1018克）

范围：上至85公里，下至11公里深的洋底。

生物种类：200万种，其中，动物150万种、植物30万种、微生物10万多种。生物是宇宙中最为活跃的物质形式，在自然界能量的转化与固定、物质的迁移与循环和信息的传递与储存中扮演十分重要的角色。06二月2023144、从元素到生命的进化顺序06二月202315氢致生元素：H、C、N、O、P卤素、一些金属有生单体：氨基酸、糖、核酸碱基有生多体：蛋白质、多糖、核酸最初的生命系统（-4.0×108a）寒武纪前化石（-3.1×108a）现代生命元素形成过程化学进化过程生物进化过程以紫外辐射、放电、火山爆发为能源在海水中合成自然选择、遗传变异浓度增加，这种多分子团聚体通过界膜进行原始的物质和能量交换。二、地球的内部构造地壳：0—30公里，平均密度3克/立方厘米地幔：上地幔33—1000公里，下地幔1000—2900公里地核：外地核2900—4980，过度层4980—5120，内地核5120—6370，中心密度13克/立方厘米，压力超过370万大气压，地核主要由铁和镍等金属物质构成.06二月202316地球内部构造图06二月202317地壳上地幔下地幔外地核过度层内地核06二月202318人改变了自然，自然也改变了人喀麦隆尼斯奥湖灾难

(1986湖底毒气紧贴地面扩散,几个村庄的人和动物正在熟睡时窒息)06二月202319流行性感冒(1918至1919全世界2100万人死亡)06二月202320美反应停（有效地阻止女性怀孕早期的呕吐药物

）灾难

(1960全世界8000名婴儿四肢缩短畸形)06二月202321美国巴灵格陨石坑

（公元前5万年,坑的四周高于地面300余米)06二月202322美洲天花(1519至1540古西班牙入侵墨西哥时携带天花病毒,使入侵后3年中近300万人死亡)06二月202323孟加拉气旋

(1970年,100万尸体污染,疾病蔓延)06二月202324水土流失06二月202325切尔诺贝得核事故(1986工程师因冷却水泵开慢,核燃料芯体升温爆炸,将热放射性灰尘送入大气中)06二月202326塞浦路斯的蝗虫

(1881收集蝗虫卵1300吨)06二月202327酸雨(阻止树枝和幼芽发育导致死亡,德国一半森林死亡)06二月202328意埃特纳火山喷发物将形成酸雨落下06二月202329泰坦尼克号沉没

(1912年,共有1513人死亡)06二月202330挑战者号失事(1986年1月28日)06二月202331印尼坦博拉火山

(1815年,火山爆发后,山顶从4100m减为2850m)06二月202332艾滋病(80年代起,目前60万患者)06二月202333安克雷奇地震

(1964年,震后地面裂缝达50cm,落差达6m)06二月202334臭氧洞(氟氯碳化物使臭氧层变化导致皮肤癌病例增加)06二月202335菲律宾渡船与油轮相撞

(1987约4000人死亡)06二月202336黄河洪水06二月202337其中：1887死200万；1931死300万;1938死50万第二节地理过程一、气候过程二、地貌过程三、水文过程四、地生态过程06二月202338一、气候过程

连续包围地球的气态物质称为大气。大气的存在与人类、生命有机体息息相关。大气中的氧为人类、生物呼吸所不可缺少；二氧化碳是植物生长所必须的化合物；大气的保温作用使地球具有生物生存的温度；大气又可以阻挡太阳紫外线大量进入地球表面，对地球上的生物起着保护作用。除此之外，更重要的是，大气中进行着复杂的气候过程，这一点对地球环境有着深刻影响。06二月202339二、地貌过程

陆地表面各种各样的形态，总称地形（topographyf）。地形指的是地物和地貌的总称。按其形态可分为山地、高原、平原、丘陵和盆地五种类型。地形是内力和外力共同作用的效果，它时刻在变化着。此外，还有受外力作用而形成的河流、三角洲、瀑布、湖泊、沙漠等，外力是指地球表面在太阳能和重力驱动下，通过空气、流水和生物等活动所起的作用。06二月202340三、水文过程

水是地表分布最广和最重要的物质，是参与地表物质能量转化的重要因素。水是自然资源的重要组成部分，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础。从全球范围讲，水是连接所有生态系统的纽带，自然生态系统既能控制水的流动又能不断促使水的净化和反复循环。因此水在自然环境中，对于生物和人类的生存来说具有决定性的意义。由于太阳辐射，海面和陆面每年约有488000km3水分蒸发。自海洋表面蒸发的水分，直接降落海洋中，就形成了海洋水的内循环。海洋表面蒸发的水分被气流带到陆地上空以雨雪形式降落到地面时，形成土壤水、河流，最终注入海洋，这就是水分的海陆循环。06二月202341四、地生态过程

地生态过程是一种重要的地理过程。生态就其本意来说是生物与其所处的相互关系。生态系统指包括了特定地域或环境中的全部生物或生物群落与物理环境（自然环境）相互作用的任何统一体。在这个系统内部，能量的流动形成了一定的供养结构、生物多样性和物质循环，后者特指生物与非生物之间的物质交换。06二月202342第三节地球科学概述

地球科学：是以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。分支：主要包括地理学(含土壤学与遥感)、地质学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学和空间物理学以及新的交叉学科（地球系统科学、地球信息科学）等分支学科。43地球科学是一个大题目，纵横几万里，上下数亿年，几乎辐射到自然科学的其他各个领域。对地球的认识同世界各民族的起源、历史、文化乃至这个世界文明的进展，都是紧密联系在一起的。44地理学（geography）是关于地球及其特征、居民和现象的学问。它是研究地球表层各圈层相互作用关系，及其空间差异与变化过程的学科体系，主要包括自然地理学和人文地理学两大部分。06二月20234506二月202346地质学

地质学是对地球的起源、历史和结构进行研究的学科。主要研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史。在现阶段，由于观察、研究条件的限制，主要以岩石圈为研究对象，并涉及水圈、大气圈、生物圈和岩石圈下更深的部位，以及某些地外物质。06二月202347地球物理学地球物理学是通过定量的物理方法研究地球的学科，特别是通过地震反应、折射、重力、地磁、电、电磁和放射能的方法。06二月202348大气科学大气科学研究大气的结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律，是地球科学的一个分支。研究对象主要是地球以及太阳系其他行星的大气圈。06二月202349海洋学海洋学是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及开发利用海洋的知识体系。是地球科学的组成部分。海洋学与物理学、化学、生物学、地质学以及大气科学、水文科学等密切相关。06二月202350水文学水文学属于地球科学，研究的是关于地球表面、土壤中、岩石下和大气中水的发生、循环、含量、分布、物理化学特性、影响以及与所有生物之间的关系的科学。06二月202351气象学气象学是把大气当作研究的客体，从定性和定量两方面来说明大气特征的学科，集中研究大气的天气情况和变化规律和对天气的预报。气象学是大气科学的一个分支。06二月202352自然地理学自然地理学是地理学两大分支之一，注重于研究自然环境的形式和活动。而相反的，对建成环境的研究则归属于人文地理学。在自然地理研究中，地球常按照不同的环境被分为几个圈层，如大气圈、生物圈、岩石圈、水圈等。对自然地理学的研究常常使用跨学科的研究方法以及系统思维。06二月202353地貌学又称地形学，是一门研究地球表面起伏形态、分布规律、物质结构、发展历史和开发利用的科学，是自然地理学的一个分支学科，也是地质学和地理学之间的一门边缘交叉学科。从语源来看，地貌学的英文Geomorphology源自希腊语，由Geo（地球）、Morphe（外表形态）和Logos（论述）三词组成，即关于地球外表面貌的论述。

06二月202354土壤学土壤学是研究土壤及其生成的学科，是土壤科学的分支。它对研究植物的生长，繁殖以至分布都起着重要影响。从农业角度来看，土壤是指陆地上能够让植物生长的疏松表层。06二月202355矿物学矿物学是运用物理学（如X光衍射）、化学方法（化学计量）等不同领域来研究矿物的物理、化学性质、晶体结构、自然分布和状态的一门科学。06二月202356古生物学古生物学是研究古地质时代中的生物及其发展的科学。对古代生物的形态、分类、生活方式、生存条件和地史分布等进行研究。

06二月202357大地测量学大地测量学，根据德国大地测量学家F·R·Helmert的经典定义，它是一门量测和描绘地球表面的学科，也包括确定地球重力场和海底地形。

06二月202358环境科学环境科学是一门研究环境的物理、化学、生物三个部分的学科。它提供了综合、定量，和跨学科的方法来研究环境系统。由于大多数环境问题涉及人类活动，因此经济、法律和社会科学知识往往也可用于环境科学研究。06二月20235906二月20236006二月202361地球化学地球化学是一门属于地学和化学相互融合的边缘学科，主要研究化学元素和其同位素在地球（广义可包括部分天体）演化历史中的分布、分配、迁移等规律的科学。06二月2023623S技术是遥感技术(Remotesensing，RS)、地理信息系统(Geographyinformationsystems，GIS)和全球定位系统(Globalpositioningsystems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。06二月202363第四节三s技术

关于遥感的科学含义通常有广义和狭义两种解释，广义的解释是，一切与目标物不接触的远距离探测。狭义的解释是，运用现代光学、电子学探测仪器，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波特性记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。经过几十年的发展，目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术。06二月202364遥感技术遥感原理

太阳作为电磁辐射源，它所发出的光也是一种电磁波。当太阳光从宇宙空间经大气层照射到地球表面时，地面上的物体就会对由太阳光所构成的电磁波产生反射和吸收。由于每一种物体的物理和化学特性以及入射光的波长不同，因此它们对入射光的反射率也不同，各种物体对入射光反射的规律叫做物体的反射光谱，遥感探测正是将遥感仪器所接受到的目标物的电磁波信息与物体的反射光谱相比较，从而可以对地面的物体进行识别和分类。这就是遥感所采用的基本原理。06二月202365全球定位系统利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。现在国际上已经公认：将这一全球定位系统简称为GPS。该系统利用人造地球卫星在全球范围内，全天候为海上、陆地、空中的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。06二月202366GPS定位原理定位的过程，简单来讲就是通过一个函数GetLocation(),从已知的[Position1,d1]、[Position2,d2]、[Position3,d3]、[Position4,d4]四对数据中求出Location的值。06二月202367GPS应用

在民用领域，GPS主要应用于船舶、飞机、汽车等运动物体的导航。目前，车载GPS系统已经成为许多汽车厂商的可选件。同时，公安、银行运钞、救护、邮政等部门纷纷使用GPS接收机，建立指挥中心，通过GIS实时显示、监控特种车辆，实施有效管理，应付突发事件。06二月202368地理信息系统是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。06二月20236906二月20237006二月20237106二月202372第五节几种理论和现象地球系统科学的产生地球科学是包括地质科学、水文科学和大气科学的知识体系。进入80年代，人地新型关系将地球系统作为互相作用的集合，在此基础上产生了地球系统科学。美国国家航空和宇宙管理局（NASA）出资资助美国大学地理系的地球系统科学研究，每5年出一本《地球系统科学报告》。联合国《21世纪议程》将地球系统科学作为可持续发展战略的科学基础之一。地球系统科学◆地球系统科学通过研究大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成的地球表层系统，探讨地球系统各圈层相互作用的物理、化学、生物机制，分析人类活动引起的地球生态环境变化。

◆地球系统科学中的时间尺度是一个关键指标。◆地球系统科学应该能够阐明产生于10年至100年时间尺度内的各种地球环境现象、过程。地球系统科学的研究对象和发展趋势全球变化：全球变化是地球系统科学的核心问题。包括温室效应、海平面上升、海岸线变迁、湖泊变迁等自然环境变化。区域模型：卫星和计算机可以同步处理地球上任何地区的信息，加速了全球变化在全球范围内的研究。宏观调控信息系统：运用环境工程，解决生态农业、生态工业内部及其两者之间的匹配问题。地球系统科学的三个研究层次透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。

温室效应温室效应后果？对环境的影响①全球变暖②地球上的病虫害增加③海平面上升④气候反常⑤土地沙漠化⑥缺氧06二月202377对经济的影响①农业生产②水资源短缺③自然灾害频发④男女比例失调：高温环境容易创造男宝宝，低温环境容易创造女宝宝。厄尔尼诺词源于西班牙语，原意为“圣婴”。19世纪初，在南美洲厄尔尼诺的厄瓜多尔、秘鲁等西班牙语系的国家，渔民们发现，每隔几年，从10月至第二年的3月便会出现一股沿海岸南移的暖流，使表层海水温度明显升高。南美洲的太平洋东岸本来盛行的是秘鲁寒流，随着寒流移动的鱼群使秘鲁渔场成为世界四大渔场之一，但这股暖流一出现，性喜冷水的鱼类就会大量死亡，使渔民们遭受灭顶之灾。由于这种现象最严重时往往在圣诞节前后，于是遭受天灾而又无可奈何的渔民将其称为上帝之子－－圣婴。后来，在科学上此词语用于表示在秘鲁和厄瓜多尔附近几千公里的东太平洋海面温度的异常增暖现象。当这种现象发生时，大范围的海水温度可比常年高出3－6摄氏度。太平洋广大水域的水温升高，改变了传统的赤道洋流和东南信风，导致全球性的气候反常。06二月202378正常情况下，热带太平洋区域的季风洋流是从美洲走向亚洲，使太平洋表面保持温暖，给印尼周围带来热带降雨。但这种模式每2—7年被打乱一次，使风向和洋流发生逆转，太平洋表层的热流就转而向东走向美洲，随之便带走了热带降雨，出现所谓的“厄尔尼诺现象”。太平洋中、东部海域大范围内海水温度异常升高，海水水位上涨，并且形成一股暖流向南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变成暖水域，引起暴风骤雨，从而造成太平洋西部地区干旱，而太平洋东部地区降雨过多的异常气候现象。06二月20237906二月202380对我国气候的影响（1）台风减少。西太平洋热带风暴（台风）的产生次数及在我国沿海登陆次数均较