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1、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展導論,第二章地球的生態(tài)自然環(huán)境,地球是太陽系的一員，據(jù)考證誕生于于46億年以前。地球有著復雜的圈層結(jié)構(gòu)，包括大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈等。而人類就生存于這些圈層結(jié)構(gòu)之一的生物圈之中。,第二章 地球的生態(tài)自然環(huán)境,第一節(jié) 地球的內(nèi)部構(gòu)造和元素組成 第二節(jié) 地球環(huán)境的圈層構(gòu)造 第三節(jié) 地球各圈層與人類的關(guān)系,第一節(jié) 地球的內(nèi)部構(gòu)造和元素組成,地球從中心起，由地核、地幔和地殼構(gòu)成球?qū)ΨQ的層構(gòu)造。其化學組成能夠從構(gòu)成地殼的主要巖石的產(chǎn)出頻度及其平均化學組成推斷。,一、地球的內(nèi)部圈層,借助于地震波的研究，我們可以來研究地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)。,地幔,地核,,地殼,,1、元素組成的百

2、分比,2、地殼分層及物質(zhì)組成,,硅鋁層：組成、密度,硅鎂層：組成、密度,3、地殼的結(jié)構(gòu)特點,,厚度,硅鎂層分布是連續(xù)的,硅鋁層在大洋底部罕見.,（一）地球內(nèi)部圈層地殼,不均(厚度變化規(guī)律),（二）地球內(nèi)部圈層地幔,1、位置： 地殼與地幔之間,或莫霍面與古登堡面之間.有上地幔和上地幔之分，（距離地球表面2900千米以上）,2、組成物質(zhì)： 主要由含鐵、鎂的硅酸鹽類礦物組成，越往下鐵、鎂的含量逐漸增加.,3、特殊圈層： 1）巖石圈包括地殼和上地幔頂部（軟流層以上），它不是完整一塊，而是被斷裂帶分割成六大塊 。 2）軟流層是在上地幔上部,可能是巖漿的主要發(fā)源地之一。,（三）地球內(nèi)部圈層地核,1、位置

3、： 地球的核心部分，即古登堡面所包圍的球體.,3、組成物質(zhì)： 高溫高壓下的鐵和鎳，外核的物質(zhì)呈液態(tài)或熔融狀態(tài)，內(nèi)核一般認為是固態(tài).,2、分層： 外核與內(nèi)核（以地下5100千米為界）.,火山正在噴出大量濃煙,二、地球的原生生態(tài)環(huán)境問題,巖漿從裂開的地殼慢慢流出來,火山巖漿直沖云霄,整個山被巖漿染得通紅,火山直迫住宅區(qū),火山爆發(fā),海嘯,地震,臺風,第二節(jié) 地球環(huán)境的圈層構(gòu)造,人類生活的地球不是一個均質(zhì)體，具有明顯的圈層結(jié)構(gòu)。地球生態(tài)系統(tǒng)可以看成為由大氣圈、水圈、土壤圈、巖石圈以及生物圈所構(gòu)成。,一、地球各圈層的發(fā)育,地球在大約46億年前形成的時候，是一個炙熱的大火球，還沒有圈層的分化。,地球外面包

4、圍著原始大氣，主要由氫氣、甲烷、氨氣和水蒸氣等組成，是一個還原性的大氣圈。我們今天所見的地球各圈層，是經(jīng)歷了億萬年的發(fā)育才形成的。,,水的出現(xiàn)地球發(fā)育史的第一個重大事件,大約在38億年以前，在某種機制的作用下，地球上出現(xiàn)了水。水分的蒸發(fā)和降雨，降低了地表的溫度，產(chǎn)生了河流、湖泊和海洋， 構(gòu)成水圈，為地球生命的出現(xiàn)創(chuàng)造了最基本的條件。,2. 生命的出現(xiàn) 地球發(fā)育史的第二個重大事件,一般認為生命起源于海洋，因為當時還原性的大氣圈還不能向地球提供必要的保護，使之免遭強烈紫外線的襲擊。頻率高達1022Hz的太陽輻射足以毀滅一切生命，除非這些原始生命處于海洋水層的保護之下。 早期細菌通過發(fā)酵作用取

5、得能量，并在生命過程中放出二氧化碳，逐漸改變了原始大氣的組成。到大約20億年前，出現(xiàn)了更為進化的細菌和藍藻等生物。從此，開始了一種新的生命過程光合作用，大氣圈中首次出現(xiàn)了氧氣。,光合作用,在綠色植物、海藻、藻類和某些細菌中，以光作為能量來源，用二氧化碳和水合成碳氫化合物的過程。大部分形式的光合作用都釋放氧氣作為副產(chǎn)品。,3. 含氧大氣圈的形成,經(jīng)過大約4億年的積累，到距今16億年以前，一個含氧的大氣圈終于形成。性質(zhì)極其活潑的氧氣對大氣圈進行了一場“氧革命”，導致還原性的原始大氣逐漸向含有二氧化碳、水和臭氧的氧化性大氣轉(zhuǎn)化。這一過程不僅進一步改變了大氣圈的組成，而且臭氧在高空的積累逐漸形成了保護

6、地球的臭氧層，為更高等的海洋生物進化和生命登陸創(chuàng)造了條件。,4. 生物圈的進化,12億年前出現(xiàn)最早的真核細胞； 5億年前出現(xiàn)海洋無脊椎動物； 4.5億年以前，在溫暖濕潤的河口地帶，一種叫做頂囊蕨的植物開始登陸。 2億年前哺乳動物出現(xiàn)。 在這漫長的歷史長河中，由于地殼的變化、氣候的變異和其他種種原因，有些物種消亡了，新的物種產(chǎn)生了物競天擇，適者生存的自然法則。,生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng) 今天，大約有500萬至5000萬種生物組成了五彩繽紛的生物界，構(gòu)成了包括人類在內(nèi)的生物圈。包括從海平面以下10km到海平面以上9km的范圍。在這個范圍內(nèi)有正常的生命存在，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不斷進行著物

7、質(zhì)、能量和信息的交換和循環(huán)。,5. 巖石圈和土壤圈的形成,生物的出現(xiàn)，將大氣圈中大量的二氧化碳轉(zhuǎn)移至巖石圈中，形成了大量的碳酸鹽巖石，不僅改變了巖石圈的組成，而且生物與巖石風化物的相互作用，在地表上形成了土壤?？梢姡寥廊Φ男纬墒桥c生物圈息息相關(guān)、互相促進的。,從地球各圈層發(fā)育的過程中，我們看到了生物的能動作用?？梢院敛豢鋸埖卣f，地球今天的面貌是生物創(chuàng)造的。愛護和保護生物圈，就是愛護和保護地球的現(xiàn)在和未來。,二、大氣圈,大氣圈是是在生命活動參與下長期發(fā)育而形成的。 1、大氣圈的結(jié)構(gòu)： 按照氣溫隨高度的變化規(guī)律，將地表以上的大氣圈層劃分為：對流層、平流層、中間層、熱成層、散逸層。 2、大氣圈

8、的總質(zhì)量： 估計在5.21015t，相當于地球質(zhì)量（5.9741021t）的百萬分之一。在地心引力作用下，大氣的質(zhì)量主要集中在大氣圈的下部，其中50%幾乎在距地表5km以下，75%在10km以下，90%在30km以下。,大氣圈的分層---對流層： 對流層位于大氣圈的最下層，平均厚度為12km，是大氣圈中最活躍的一層，存在強烈的垂直對流作用和水平運動。對流層的一個重要性質(zhì)是大氣溫度隨高度增加而下降，其平均遞減率為-6.5/km。,大氣圈的分層---平流層： 平流層位于對流層頂至大約50km的高度，也叫同溫層。其下部有一等溫層。上部溫度隨高度增加而上升。,大氣圈的分層---中間層： 中間層位

9、于平流層頂?shù)酱蠹s80km的高度，溫度隨高度增加而下降。,臭氧層破壞,大氣圈的分層---熱成層： 熱成層位于中間層頂以上，有稱增溫層或電離層，溫度隨高度增加急劇上升，直至100km高度。該層空氣分子在各種射線作用下大都發(fā)生電離，成為原子、離子和自由電子，電離層之名因此而得。,大氣圈的分層---逸散層： 逸散層位于熱成層之上，也稱外大氣層，是大氣圈的最外層，大約延伸至800km的高度。這里大氣極其稀薄，地心引力微弱，大氣質(zhì)點之間鮮有碰撞。有些運動速度較快的質(zhì)點完全擺脫地球引力而逸入宇宙空間。,大氣圈的分層,三、水圈,海洋和陸地上的液態(tài)水和固態(tài)水構(gòu)成一個大體連續(xù)的圈層覆蓋在地球表面，稱為水圈。,

10、它包括江河湖海中一切淡水、咸水、土壤水、淺層和深層地下水以及南北兩極冰帽和各大陸高山冰川中的冰，還包括大氣圈中水蒸氣和水滴。,甘肅金塔沙漠邊緣的綠洲，鴛鴦池水庫,地球上海洋面積占全球面積的71%，含鹽的海洋水占全部水資源的97.3%，人類難以直接利用。,2.7%的淡水中，又有68.7%是以冰川和冰帽的形式存在于南北極和高山地區(qū)，亦難以被人類直接利用。,天湖：成都至拉薩,四、土壤圈,土壤是地球陸地上能供植物生長與繁殖的疏松表層。除了江河湖海等水體和兩極冰蓋與高山冰川覆蓋的地區(qū)以外，幾乎都有土壤存在。各種土壤在地球表面形成一個斷續(xù)分布的圈層，覆蓋于巖石圈之上，其厚度由幾厘米至幾米不等。,五、巖石圈

11、,巖石圈是人類生存環(huán)境中最下面的一個圈層，又是地球內(nèi)部各圈層的最外層。本課程將巖石圈看作地殼的同義語，包括地球最外層的巖石、風化殼。平均厚度為33-35km。,六、生物圈,生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，包括從海平面以下10km到海平面以上9km的范圍。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不斷進行著物質(zhì)、能量和信息的交換和循環(huán)。歷經(jīng)30億年的發(fā)展歷程。,,,30億年前出現(xiàn)原始細菌開始， 20億年前出現(xiàn)了能進行光合作用的固氮生物， 約16億年前形成了含氧氣的大氣圈。 7億年前出現(xiàn)了多細胞生物。 5億年前出現(xiàn)無脊椎動物。 2億年前出現(xiàn)哺乳類動物。 在這漫長的歷史長河中，由于地殼的變化、氣候的變異和其他種種原因，有些物種消亡

12、了，新的物種產(chǎn)生了，形成了今天五彩繽紛的生物圈。,第三節(jié) 地球各圈層與人類的關(guān)系,在茫茫宇宙中，地球是迄今發(fā)現(xiàn)存在智能生物的唯一天體?？茖W研究發(fā)現(xiàn)，這決不是偶然的，而正是在于地球環(huán)境的獨特構(gòu)造。,一、大氣圈與人類的關(guān)系,地球大氣的主要成分是氮和氧，這種組成在太陽系八大行星中非常特殊。 恒定組分：包括氮、氧、氬、氦、氪、甲烷、氫、氙等，這些氣體之間的比例，從地表到90km的高度范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。 非恒定組分：包括二氧化碳、水汽、二氧化硫、臭氧等。此外，大氣中含有一些固態(tài)和液態(tài)雜質(zhì)，主要是火山、地震、巖石風化、森林火災和人為活動產(chǎn)生的煙塵、硫化物和氮氧化物等。,氧氣的作用： 目前下層大氣中氧氣的濃

13、度為21%，這是億萬年來生物圈進化 與大氣圈相互作用的結(jié)果。 30億年前，大氣圈中氧濃度只有現(xiàn)在的千分之一，原始的生命為了躲避紫外線致命的傷害，只能存在于水下10m深處。 到距今6億年時，氧濃度達到現(xiàn)水平的百分之一，出現(xiàn)了臭氧的保護， 生命開始出現(xiàn)。氧濃度達到現(xiàn)水平的十分之一，臭氧的濃度進一步增加，生命才能從海洋登上陸地，這是生命史上的第二個關(guān)鍵濃度。,大氣中氧濃度下降，則不僅生活在高海拔的人會經(jīng)受高山反應之苦，而且氧化反應受到抑制，燃料燃燒產(chǎn)生的一氧化碳等有毒氣體將積累在大氣圈。 大氣中氧濃度增高，譬如從現(xiàn)有的21%增高至25%，則雷電就能把嫩枝和草地點燃，造成連綿不斷的火災，使全球植被遭到

14、破壞。 目前還沒有觀測到大氣氧濃度的這種戲劇性變化。然而，作為大氣微量組分的一些氣體濃度已經(jīng)發(fā)生實質(zhì)性變化則是不爭的事實。其中最引人注目的是CO2和O3等氣體濃度的變化。,一定濃度CO2的存在，對地表溫度的調(diào)節(jié)至為重要。因為CO2和某些氣體 一樣，具有能讓太陽輻射中的短波輻射通過而吸收地表長波輻射，從而使地表增溫的效應，即所謂溫室效應，此類氣體稱為：溫室氣體。若無這些溫室氣體的存在，有關(guān)計算推斷地球的年平均溫度應為-18攝氏度，而不是現(xiàn)在13-15攝氏度。就是說，天然的溫室效應 使全球溫度上升了31-33攝氏度。,大氣圈中另一種敏感的微量組分是甲烷，俗稱沼氣。目前，其濃度低于百萬分之二。如果其

15、濃度過高，在現(xiàn)有的氧濃度下就會因閃電而燃燒。更為重要的是，甲烷的溫室效應比二氧化碳強300多倍，它所造成的增溫作用占全球人為增溫作用的1/4。天然沼澤和人工的水稻田是產(chǎn)生甲烷的主要場所。有人認為反芻動物產(chǎn)生的甲烷可能是大氣圈甲烷的重要來源之一。為此美國科學院專門 立項研究牛群打嗝所排出甲烷對大氣圈的影響，成為環(huán)境科學研究的趣聞。,大氣圈各組分之間保持著精細的平衡，這是地球環(huán)境億萬年來發(fā)育的結(jié)果。保持這種平衡乃維護生物圈所必需，破壞這種平衡就是破壞生命的基礎(chǔ)。然而，人類社會實現(xiàn)工業(yè)化以來，規(guī)模和強度日益加大的人類活動正在破壞這種平衡，這是人類面臨的重大環(huán)境問題之一。,二、水圈與人類的關(guān)系,各種生

16、命起源的假說都少不了水這一要素。如今地球表面的70%以上覆蓋著水，大多數(shù)生物體內(nèi)水的含量也達2/3以上。研究還發(fā)現(xiàn)，人體血液的礦化度為0.9g/L，與30億年前的海水是相 同的。靜脈點滴用的生理鹽水為濃度為0.9g/L的NaCl溶液，與原始海水一致。在自然界的植物體內(nèi)，水分含量更高，有些甚至高達95%。這一切都充分表明地球上生命的產(chǎn)生和進化都離不開水。,水對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,水是無色透明的，它允許太陽光中的可見光和紅外線部分透過，給水生植物光合作用提供所需的光能。對生物體有害的短波紫外線則被阻擋在外。這對地球生命的產(chǎn)生和進化起到了關(guān)鍵作用，對生活在水中的各種生物也具有重要意義。,水是一

17、種極好的溶劑，為生命過程中營養(yǎng)物和廢棄物的傳輸提供了最基本的媒介。水的介電常數(shù)在所有的液體中是最高的，使得大多數(shù)離子化合物能夠在其中溶解并發(fā)生最大程度的電離，這對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生物體內(nèi)各類生化反應的進行具有重要意義。,水對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,地球最大的空調(diào)系統(tǒng)。除液氨外，水的比熱是所有的液體和固體中最大的，為4.18J/(g.)。此外，水的蒸發(fā)熱也極高，在20下為2.4kJ/g。正是由于這種高比熱、高蒸發(fā)熱的特性，地球表面的儲水體，白天吸收到達地表的太陽光的熱量，夜晚又將熱量釋放到大氣中，避免了劇烈的溫度變化，使地表溫度長期保持在一個相對恒定的范圍內(nèi)。月球表面都是巖石，石頭的比熱只有水

18、的20%，所以月球表面的氣溫變化可以從+120到-150。,水對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,水在4時的密度最大，這一特性在控制水體溫度分布和垂直循環(huán)中起著重要作用。在氣溫急劇下降的夜晚，水面上較重的水層向水底沉降，與下部水層更換，使得溶解在水中的氧及其他營養(yǎng)物得以在整個水域分布均勻，當水體趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)，水底溫度是4，在這一層中水生生物可以幸存。 冰輕于水。冰的密度比水小，只有0.92g/cm3，可以浮在水面上。這一特性對水下生物具有十分重要的意義。否則，氣溫降低時水面結(jié)成的冰會沉入水底，從而導致整個水體完全凍結(jié)，給水下生物帶來滅頂之災。,三、土壤圈與人類的關(guān)系,土壤圈是與大氣圈、水圈同樣重要

19、的第三大環(huán)境要素。土壤和巖石共同構(gòu)成了大地，但土壤和巖石是有區(qū)別的。土壤由巖石演化而來，并覆蓋在巖石的表面，土壤與巖石最大的不同在于它具有肥力，即提供和調(diào)節(jié)水、氣、熱和營養(yǎng)元素的能力，為植物的生長提供了必要的條件。地球半徑約為6400km而地表土壤的厚度僅為幾十厘米，相比之下微乎其微，但卻正是這薄薄的一層土壤，才使得地球上有廣闊的森林、農(nóng)田和草場，人類得以從中獲得寶貴的生產(chǎn)和生活資源。,土壤圈的二種原生環(huán)境問題,鹽漬化：當土壤含鹽量達到占干土重0.2%時，作物生長受阻，這種土壤稱為鹽漬化土。當土壤含鹽量達到2%以上時，大多數(shù)作物無法生長，這類土壤就是鹽土。距估計當前世界水澆地的14%受鹽漬化影

20、響。 水澇，即沼澤化：傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，如溝灌和渠灌，常有過量水分滲至底土，在排水不良的地形部位上潛水位逐漸提高， 使土壤表層和表下層水分過多，造成缺氧環(huán)境，妨礙作物生長，俗稱水澇。據(jù)世界觀測研究所估算，鹽漬化與水澇使世界糧食減產(chǎn)1%，每年減產(chǎn)糧食達10105t之多。,1. 化石燃料 從人類全部歷史來看，化石燃料大規(guī)模使用的歷史尚不足200年。歷史上長期使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸稈和畜糞。進入20世紀以后，煤炭才開始占主導地位。石油更是一個后來者，從1920年起其開采量大幅度上升，開始了能源供應的“石油時代”。從1929年至1971年，世界煤炭產(chǎn)量增長了70%，同期石油產(chǎn)量增長了1000%。

21、,四、人類與巖石圈,2 . 礦物原料 人類利用礦物資源的歷史不算長，大約在公元前6000年人類首次學會從礦石中提取金屬，進入青銅時代。3000年以后，到了公元1709年，英國人達比發(fā)明了用焦炭作燃料熔煉鐵，才進入近代的鋼鐵時代，鋼鐵也成了現(xiàn)代一切工業(yè)的基礎(chǔ)。,總之，巖石圈是人類所需要的礦物原料和化石燃料的儲藏所，其儲量是巨大的。但是，由于人口的持續(xù)增長和技術(shù)的迅速進步，對礦產(chǎn)與能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)原料與燃料行將耗竭。如何迅速實現(xiàn)向新材料與新能源的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)成為關(guān)系到人類未來生存與發(fā)展的要務(wù)。,五、人類與生物圈,生物圈：指地球上有生命的部分，即地球上所有生物，包括人類及其生存環(huán)境的整體。 生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，在這一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部，不斷進行著物質(zhì)、能量和信息的交換與循環(huán)，其結(jié)果對于地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡與人類的持續(xù)發(fā)展有著非常重要的作用。,