6.1 地球表层系统

第六章大气圈
6.1 地球表层系统

地球表层系统（the earth surface system）是由岩土圈、大气圈、水圈、生物圈和人类圈所构成的地表自然社会综合体，是人类圈与地球相互作用的复合物质系统，是地球圈层结构中的特定部分，与周围的地球圈层其他部分存在物质能量交换关系，是一个开放的复杂次级巨系统。

钱学森教授于1983年倡议建立“地球表层学”，认为地球表层学是“跨地理学、气象学、地质学、工农业生产技术、技术经济和国土经济的新学科”“是自然科学与社会科学的交叉学科”。

地球表层系统 - 组成

地球呈现出圈层构造，可以划分出内部圈层与外部圈层。内部圈层包括地壳、地幔、地核。 

外部圈层包括岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。岩石圈指地球表层由固体岩石组成的圈层；大气圈指环绕地球的由气体组成的圈层；水圈指地球表层由各种形式存在的水组成的圈层；生物圈指地球表层所有活着的有机体组成的圈层。岩石圈、大气圈、水圈、生物圈在空间上有着一定的交叉，难以绝然分开；在物质交换、能量传递以及发生发展过程方面，更是紧密地联系在一起，相互作用、相互影响。每个圈层均可看作一个次级系统。一般来说，地球表层系统由岩石圈、大气圈、水圈、生物圈交叉而成。人类是生物圈的一部分。为了强调人类的重要性与特殊性，单独列出一个“智慧圈”或“文化圈”、“技术圈”。人类既是生物圈的一部分，又与一般的生物有着一定的区别。

地球表层在物质组成上还有一个特征，就是固态、液态、气态三态物质共存。地球表层是由固态、液态、气态三态物质组成的。例如，岩石、冰是固态；水、岩浆是液态；空气、水汽则是气态。不仅三态物质相互作用，而且在一定的条件下相互转化，成为地球表层系统中物质循环、能量传递与转化的重要表现形式与表征。比如，海水蒸发变为水蒸汽（吸收能量），水蒸汽在空中随气流运动（物质迁移），在高山或高纬地区变为雪（释放能量）降落地表，当气候变暖时冰雪融化又变为水（吸收能量）流入海洋。在这样一个水的三态（水—水汽—冰）转化过程中，不仅完成了物质的循环（海洋—大气—高山、高纬地区—海洋），而且还完成了能量的传递（从大气吸收能量—释放能量到大气—从大气吸收能量）。

地球表层系统 - 结构

垂直分层

从整个地球看，垂直分层现象非常明显。从地核、地幔、地壳，到水圈、大气圈等，都说明地球表层同样具有明显的垂直分层现象。除岩石圈、水圈、大气圈、生物圈显示出垂直方向的明显分层现象外，这些圈内部也表现出明显的垂直分层特征。例如，岩石圈包括上地幔的上部与地壳。地壳又可以分为上部的硅铝层和下部的硅镁层。硅铝层主要由O、Si、Al、K、Na等组成，和花岗岩的成分相似，又称为花岗岩层；硅镁层虽然也以O、Si、Al等为主，但Mg、Fe、Ca等明显增加，和玄武岩成分相似，又称为玄武岩层。大气圈又可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

水平分异

在水平分布方面的差异与变化比如说，南方与北方冷暖不同，大陆东岸与西岸干湿不一，山区与平原的植被、土壤有一定的差异。再如，有的地区火山、地震比较频繁，有的地区却少有发生；有的地区一马平川、一望无际，有的地区却高山峡谷、悬崖峭壁；有的地区常年冰天雪地，有的地区却是四季如春；海洋地壳很薄，大陆地壳却很厚；低纬度地区对流层厚度可达17～18km，而高纬地区却只有7～8km；有的地区林木茂密，有的地区却寸草不生。

立体交叉

组成地表环境的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈，不是绝然分开的，而是相互交叉、相互渗透，在空间上构成了一个立体交叉的结构。岩石圈中有水与大气的参与，水圈中含有大气，水是大气圈的组成成分，生物圈更是岩石圈、水圈、大气圈交叉融合的产物。很难找到一个明显的界限，将其截然分开。

多级嵌套

地球表层环境可以划分为不同空间尺度的环境。例如，地球表层环境可以划分为陆地环境和海洋环境。陆地环境还可以划分为各大洲的环境、各个国家的环境，进一步划分为各区域（如省市）的环境及局地环境。海洋环境可以划分为四个大洋；进一步划分为大洋和边缘海，边缘海还可划分为大陆架与大陆坡，等等。从系统学的角度说，这就是系统的多层次性、多级次性。这些系统不是并列的拼凑在一起的，而是在空间上相互交叉、叠置，并且相互联系、相互作用的。

地球表层系统 - 功能

一、物质传输、能量流动、信息传递 

地球表层系统在各个圈层之间、各个地域之间、各个不同层次的系统之间，存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。垂直方向上，各个圈层之间、各个圈层内部的各个次级层次之间，都可能存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。例如，大气圈与水圈之间、大气圈与岩石圈之间、水圈与岩石圈之间存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。再如，大气圈中的对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层之间，海洋的表层、中层与深层之间，岩石圈的地壳、上地幔、软流圈之间也存在物质的传输、能量的流动和信息的传递。水平方向上，大洋与大陆之间、大洋与大洋之间、大陆与大陆之间、地区与地区之间存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。通常所讲的海气相互作用、陆海相互作用，就是指由于海洋与大气、大陆与海洋之间的物质、能量、信息的交换而导致的正、负反馈作用。 

生物圈很难与其他圈层截然分开，它与其他圈层相互交织在一起，与其它圈层之间也存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。例如，生物圈与大气圈之间、生物圈与水圈之间、生物圈与岩石圈之间，以及生物圈内部的各个部分之间如动物、植物、微生物之间，乔木层、灌木层、枯枝落叶层之间，也都存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。不同层次之间同样存在物质的传输、能量的流动和信息的传递。通常所说的大气循环、水分循环、地质循环、生物地球化学循环（如碳循环、氮循环、磷循环、氧循环等）等，都是跨圈层、跨层次，在空间上立体交叉，在时间上具有不同尺度的物质传输过程。在这样的物质传输过程中，伴随着物态的变化、能量的流动与转化，以及信息的传递。 

二、地球表层系统的可预测、可调控功能 

由于地表系统存在物质的传输、能量的流动和信息的传递，并且由于物质的传输、能量的流动和信息的传递，决定了系统的结构与功能，决定了系统的演化，故可以通过研究地表系统物质传输、能量流动和信息传递的过程与规律，来预测系统的可能变化，通过改变系统的物质流、能量流或信息流，来改变系统的结构与演化的趋势，从而达到对地表系统进行优化、调控的目的。

地球表层系统 - 对人类影响

人类诞生

到目前为止，科学家只发现地球上存在着人类。人类在地球表层环境中产生，人类是地球表层环境发展、演化、分异的产物。 

研究发现，人类是由森林古猿的一支演化而来的。第三纪晚期是古猿的繁盛时期。由于环境的变化，森林面积缩小，草原范围扩大。一部分森林古猿仍然留在森林中生活，它们逐渐演化成今天的猩猩、大猩猩等。另外一部分古猿不得不在草原上生活。草原环境的生活，促使它们直立行走和利用前肢抓取食物。从而引起身体器官功能的改变，尤其是大脑的发育。当草原上生活的古猿不仅学会了使用工具，而且学会了制造工具时，也就完成了由古猿向人类的转化，人类也就诞生了。可以看出，在古猿向人类发展、转化的过程中，地球表层环境的变化与分异发挥了重要的作用。

三大人种形成

一般来说，可以把人类分为三个种族，即三大人种。它们是尼格罗人种、欧罗巴人种和蒙古人种。也就是通常所说的黑种人、白种人和黄种人。 

尼格罗人种形成于热带的草原旷野上，那里太阳辐射强烈，而色素较深的黑皮肤和浓密的卷发能对身体与头部起保护作用，宽阔的口裂与外粘膜发达的厚唇，以及宽大的鼻腔也有助于冷却吸入的空气。欧罗巴人种，主要形成于欧洲的中部与北部。那里的气候寒冷，云量多而日照弱，因此人体的肤色、发色和眼睛的颜色都较为浅淡。人的鼻子高耸，鼻道狭长，使鼻腔粘膜面积增大 ，从而使寒冷空气被吸入肺部时可以变得温暖些。蒙古人种形成的环境没有非洲的炎热和欧洲的寒冷，故形成较为适中的人体特征。 

即使是同一人种，由于各个地区环境的差异，不同地区的人的人体特征、性格也存在一定的差异。例如，有的地区人的身高普遍较高，有的地区却普遍较矮；有的地区人的肤色深一些，有的地区则浅一些；有的地区人的体形魁梧一些，而有的地区却小巧一些；如此等等。

人口分布

从人口的分布看，目前约占地球表面71%的海洋几乎无人居住。即使陆地上，也有35%-40%的地区基本上无人居住。全球人口的1/3集中在1/7的土地上。世界上人口最密集的地区是南亚、东南亚和东亚，次为西欧、中欧和南欧，再次为北美大西洋沿岸和五大湖地区。人烟稀少的地区是北美洲和亚洲的近极地和高寒地带，以及撒哈拉、中亚和澳大利亚的荒漠地带。

此外，热带的亚马逊流域、刚果河（扎伊尔河）流域，因开发难度大，人口密度也很小。中国的人口分布也很不均匀：东部地区，尤其是沿海地区人口密度大，而西部地区，尤其是干旱和高寒地区密度小。黄河与长江中下游平原地区人口密度大，而上游山区密度小。 

在古代社会，生产力水平还很低下，人类的生活受到自然环境的极大制约。在气候适宜、水源充足、地势平坦、土地肥沃的地方，人类便于取得生活所需的条件，因而容易成为人类定居、生活、繁衍的好地方，人口密度也就大一些。进入近代工业社会以后，尽管生产力得到很大的提高，但人类的生产、生活还在很大程度上依赖于自然环境与资源。人口的分布受到地表环境的影响也是不言而喻的。尽管人类发展到今天，已经开始向知识经济社会迈进。知识经济社会，人类对于自然资源的依赖不再像以前那么强，但人类的生产与生活不可能完全摆脱地球表层环境的影响。

人体健康

从人体血液的元素组成看，60多种化学元素的含量与地壳元素的含量有着明显的相关关系。这是人类长期生活在地球表层，通过新陈代谢与地球表层环境不断进行物质交换的结果。保持这种不间断的交换和平衡，对维持人类的健康与生存发展是必不可少的。化学元素在地球表层的分布是不均匀的。这种不均匀超出一定限度，会导致环境与生命之间元素交换平衡状态的破坏，影响人类的健康与生存。地方病的发生，就是与一些地方某些元素过剩或者缺乏造成的。

例如，缺乏碘，会出现甲状腺肿大；氟过剩，会导致氟骨病；尽管克山病和大骨节病的病因还不完全清楚，但研究发现，与硒缺乏有关。这也从另一角度说明，地球表层环境对人类的影响。

自然灾害

地球表层环境时刻都在发生着变化。有些变化给人类带来了巨大的损失，称之为自然灾害。大家比较熟悉的自然灾害包括火山、地震、台风、海啸、洪涝、干旱、滑坡、泥石流、沙尘暴等。这些自然灾害干扰了人类的生活与生产过程，甚至给人类的生命财产带来了威胁。发生在中生代与新生代界面附近的小行星撞击地球的事件，导致了恐龙等生物的大绝灭。

社会发展

社会的发展，在一定程度上也受到地球表层环境的影响。人类早期的社会大分工便是以自然为基础的。在那些水草丰足的地方适宜放牧，便逐渐出现了专门从事畜牧业的部落；而在那些土地肥沃宜于垦殖的地方，逐步出现了从事农业的部落。这就是第一次社会大分工。社会的分工促进了生产力的发展。构成这种社会劳动分工的自然基础，正是地球表层环境的地域差异性。 

地球表层环境的差异与自然资源分布的不平衡，造成了生产条件的不同。从而对人类社会的发展产生了或多或少、有利不利的影响。一般来说，优越的自然环境有助于加快社会发展的进程，恶劣的自然环境则阻碍社会的发展。亚非的一些大河流域，气候温和、土地肥沃、水源充足，有利于人类定居与耕作，甚至在较低的生产力水平也可能出现剩余产品。

历史上这样的大河流域往往形成古代文明的中心：在北非有尼罗河流域的埃及，在西亚有两河流域的巴比伦，在南亚有印度河流域的印度，在东亚有黄河、长江流域的中国。它们早在公元前三千多年至两千多年前就脱离了原始社会，建立起奴隶制国家。社会发展到今天，已经进入了资本主义社会或社会主义社会。

令人惊讶的是在文明世界的今天，仍然残留着许多原始社会的部落。在南美的亚马逊雨林中，在非洲的丛林中，在太平洋的一些岛屿上，都居住着至今仍处在石器时代的原始人群。当代的原始居民大都分布在热带区域的孤立环境中。高山、密林、海洋等自然屏障限制了他们与外部的沟通，又由于当地的自然条件能够满足其原始生活所需，抑制了这些原始部落发展生产的要求。社会的发展被自然因素延缓了。

地球表层系统 - 人类作用

随着社会的进步、科技生产力的提高，人类对地球表层环境的作用与影响越来越大。

改变地表环境结构

人类的活动，改变了地表环境的结构。比如，毁林垦种使森林变为农田，城市的建造使森林、草地或者农田变为混凝土为主的地面，过度放牧或开垦使草原变为荒漠，水库的建设使旱地变为水面，干旱区节水灌溉技术使戈壁、荒漠变为良田，如此等等。总而言之，人类已经和正在改变地表环境的结构。

改变地表环境演化方向

如果没有人类活动的影响，地表环境将按照自身演化的规律进行演化。人类活动的影响已经达到可以改变地表环境演化方向的程度。比如说，科学家研究认为，第四纪中冰期/间冰期旋回持续的时间大致上为10万年，其中间冰期持续时间只有1万年。冰后期作为一个现代间冰期，已经经历了大约1万年的时间。也就是说现代间冰期即将结束，新的冰期即将开始，今后世界气候将向寒冷方向发展。然而由于人类活动的影响，大气中的CO3等温室气体大幅度增加，从而将导致世界气候的变暖。有人预测，由于温室效应，未来气候不是变冷，而是变暖。

改变地表环境变化速率

由于人类活动的影响，地表环境变化的速率也会发生改变。有人估算过，在土壤侵蚀过程中，由于人类的影响，全球平均每年每平方千米的土地上，损失掉的土壤为1，500～85，000mm3。而天然侵蚀的背景值却只有12～1,500立方米，前者是后者的125～170倍。也就是说，由于人类活动的影响，使土壤侵蚀的过程加快了一百多倍。另据美国的资料，在13个州约5万个测点上所得到的数据表明，原来植被覆盖的土壤每年每公顷损失0.85t，而一旦被人开垦后，土壤损失的数字一下子上升到83.55吨，提高了98.3倍。这些事例表明，人类已经和正在改变地表环境变化的速率。

改变地表环境物质循环

人类改变地表环境的物质循环表现在多个方面。一个典型的例子就是对水的控制。人类建造水库，改变了水流下泄的速度与时间；建造排灌工程，可以把低处的水调到高处；跨流域调水，更是改变了两个流域水分的循环。例如，即将实施的南水北调工程，将把长江流域的水调到黄河流域。不仅会使长江入海流量减少，而且会增加黄河流域的水量。从而使两个流域的水分循环发生变化。 

再如，人类燃烧化石燃料，使大气中二氧化碳的含量大幅度增加；人类利用氟里昂作为制冷剂，泄露到大气中，破坏了臭氧层；化肥的使用改变了地表环境中氮、磷、钾等元素的自然循环过程，导致了湖泊的富营养化；灌溉和水库的建设，增加了局部地区地面的水蒸发，从而使降水也增加。

改变地表环境能量平衡

人类改变了地面的结构，从而也就改变了地面的反射率，使地面接收到太阳辐射量增加或者减少，也就改变了地表环境的能量平衡。沙漠化使地面反射率增加，后果是使地面接收到的太阳辐射减少，使地面温度降低；城市热岛效应使城市中心温度比周围地区温度高；由于水的热容量比较大，水库对热量的调节比较明显，从而使水库及其周围的气温日较差与年较差都较小。温室效应也是人类改变地表环境能量平衡的绝好的实例：化石燃料燃烧使得大气CO2浓度升高，引起地面长波辐射减少，导致地面温度升高。

对资源消耗与破坏

人类在不断地开发利用自然资源。有些资源是可再生的，有些资源则是不可再生的。由于长期的开发利用，一些资源面临枯竭的危险。与此同时，一些资源受到了严重的破坏。由于人类不合理的垦殖，土壤侵蚀速率增大了许多倍；由于过度开垦与过度放牧，沙漠化的速度加快；另外全世界每年有3，000 km2的耕地因城市建设被占用。加上人口的急剧增加，人均耕地面积越来越少。由于水资源分布在时间与空间上的不均匀性，也由于人类对水资源的不合理利用以及对水资源的污染，人类正面临着水危机。矿产资源是不可再生资源，并且矿产资源的储量是有限的。据估计，按照现在的发展速度，世界石油只能再用100～150年，煤可以再用150～250年，金属矿藏也将在不久的将来全部用完。由于人类活动的影响，森林面积迅速减小，生物灭绝的速度比自然灭绝速度加快了50～100倍。资源的枯竭与破坏，为今后人类的生产、生活带来许多不便，为今后社会的发展带来困难。

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