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《環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展》第二章.ppt

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1、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展導(dǎo)論,第二章地球的生態(tài)自然環(huán)境,地球是太陽(yáng)系的一員,據(jù)考證誕生于于46億年以前。地球有著復(fù)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(lèi)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(lèi)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(chēng)的層構(gòu)造。其化學(xué)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(xué)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(lái)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(diǎn),,厚度,硅鎂層分布是連續(xù)的,硅鋁層在大洋底部罕見(jiàn).,(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(lèi)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(rèn)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(wèn)題,巖漿從裂開(kāi)的地殼慢慢流出來(lái),火山巖漿直沖云霄,整個(gè)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(tái)風(fēng),第二節(jié) 地球環(huán)境的圈層構(gòu)造,人類(lèi)生活的地球不是一個(gè)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(shí)候,是一個(gè)炙熱的大火球,還沒(méi)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(gè)還原性的大氣圈。我們今天所見(jiàn)的地球各圈層,是經(jīng)歷了億萬(wàn)年的發(fā)育才形成的。,,水的出現(xiàn)地球發(fā)育史的第一個(gè)重大事件,大約在38億年以前,在某種機(jī)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(gè)重大事件,一般認(rèn)為生命起源于海洋,因?yàn)楫?dāng)時(shí)還原性的大氣圈還不能向地球提供必要的保護(hù),使之免遭強(qiáng)烈紫外線(xiàn)的襲擊。頻率高達(dá)1022Hz的太陽(yáng)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(hù)之下。 早期細(xì)菌通過(guò)發(fā)酵作用取

5、得能量,并在生命過(guò)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(jìn)化的細(xì)菌和藍(lán)藻等生物。從此,開(kāi)始了一種新的生命過(guò)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(lèi)和某些細(xì)菌中,以光作為能量來(lái)源,用二氧化碳和水合成碳?xì)浠衔锏倪^(guò)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(guò)大約4億年的積累,到距今16億年以前,一個(gè)含氧的大氣圈終于形成。性質(zhì)極其活潑的氧氣對(duì)大氣圈進(jìn)行了一場(chǎng)“氧革命”,導(dǎo)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(guò)程不僅進(jìn)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(hù)

6、地球的臭氧層,為更高等的海洋生物進(jìn)化和生命登陸創(chuàng)造了條件。,4. 生物圈的進(jìn)化,12億年前出現(xiàn)最早的真核細(xì)胞; 5億年前出現(xiàn)海洋無(wú)脊椎動(dòng)物; 4.5億年以前,在溫暖濕潤(rùn)的河口地帶,一種叫做頂囊蕨的植物開(kāi)始登陸。 2億年前哺乳動(dòng)物出現(xiàn)。 在這漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)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(jìng)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(wàn)至5000萬(wàn)種生物組成了五彩繽紛的生物界,構(gòu)成了包括人類(lèi)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(gè)范圍內(nèi)有正常的生命存在,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不斷進(jìn)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(fēng)化物的相互作用,在地表上形成了土壤??梢?jiàn),土壤圈的形成是與生物圈息息相關(guān)、互相促進(jìn)的。,從地球各圈層發(fā)育的過(guò)程中,我們看到了生物的能動(dòng)作用??梢院敛豢鋸埖卣f(shuō),地球今天的面貌是生物創(chuàng)造的。愛(ài)護(hù)和保護(hù)生物圈,就是愛(ài)護(hù)和保護(hù)地球的現(xiàn)在和未來(lái)。,二、大氣圈,大氣圈是是在生命活動(dòng)參與下長(zhǎng)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(duì)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(jì)在5.21015t,相當(dāng)于地球質(zhì)量(5.9741021t)的百萬(wàn)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(duì)流層: 對(duì)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(qiáng)烈的垂直對(duì)流作用和水平運(yùn)動(dòng)。對(duì)流層的一個(gè)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(duì)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(chēng)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(xiàn)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(chēng)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(diǎn)之間鮮有碰撞。有些運(yùn)動(dòng)速度較快的質(zhì)點(diǎn)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(gè)大體連續(xù)的圈層覆蓋在地球表面,稱(chēng)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(kù),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(lèi)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(lèi)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(zhǎng)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(gè)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(lèi)生存環(huán)境中最下面的一個(gè)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(yǔ),包括地球最外層的巖石、風(fēng)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(jìn)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(xì)菌開(kāi)始, 20億年前出現(xiàn)了能進(jìn)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(xì)胞生物。 5億年前出現(xiàn)無(wú)脊椎動(dòng)物。 2億年前出現(xiàn)哺乳類(lèi)動(dòng)物。 在這漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)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(lèi)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(xué)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(dú)特構(gòu)造。,一、大氣圈與人類(lèi)的關(guān)系,地球大氣的主要成分是氮和氧,這種組成在太陽(yáng)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(fēng)化、森林火災(zāi)和人為活動(dòng)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(wàn)年來(lái)生物圈進(jìn)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(xiàn)致命的傷害,只能存在于水下10m深處。 到距今6億年時(shí),氧濃度達(dá)到現(xiàn)水平的百分之一,出現(xiàn)了臭氧的保護(hù), 生命開(kāi)始出現(xiàn)。氧濃度達(dá)到現(xiàn)水平的十分之一,臭氧的濃度進(jìn)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(gè)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(huì)經(jīng)受高山反應(yīng)之苦,而且氧化反應(yīng)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(diǎn)燃,造成連綿不斷的火災(zāi),使全球植被遭到

14、破壞。 目前還沒(méi)有觀測(cè)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(shí)質(zhì)性變化則是不爭(zhēng)的事實(shí)。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(duì)地表溫度的調(diào)節(jié)至為重要。因?yàn)镃O2和某些氣體 一樣,具有能讓太陽(yáng)輻射中的短波輻射通過(guò)而吸收地表長(zhǎng)波輻射,從而使地表增溫的效應(yīng),即所謂溫室效應(yīng),此類(lèi)氣體稱(chēng)為:溫室氣體。若無(wú)這些溫室氣體的存在,有關(guān)計(jì)算推斷地球的年平均溫度應(yīng)為-18攝氏度,而不是現(xiàn)在13-15攝氏度。就是說(shuō),天然的溫室效應(yīng) 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(chēng)沼氣。目前,其濃度低于百萬(wàn)分之二。如果其

15、濃度過(guò)高,在現(xiàn)有的氧濃度下就會(huì)因閃電而燃燒。更為重要的是,甲烷的溫室效應(yīng)比二氧化碳強(qiáng)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(chǎng)所。有人認(rèn)為反芻動(dòng)物產(chǎn)生的甲烷可能是大氣圈甲烷的重要來(lái)源之一。為此美國(guó)科學(xué)院專(zhuān)門(mén) 立項(xiàng)研究牛群打嗝所排出甲烷對(duì)大氣圈的影響,成為環(huán)境科學(xué)研究的趣聞。,大氣圈各組分之間保持著精細(xì)的平衡,這是地球環(huán)境億萬(wàn)年來(lái)發(fā)育的結(jié)果。保持這種平衡乃維護(hù)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(lèi)社會(huì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái),規(guī)模和強(qiáng)度日益加大的人類(lèi)活動(dòng)正在破壞這種平衡,這是人類(lèi)面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一。,二、水圈與人類(lèi)的關(guān)系,各種生

16、命起源的假說(shuō)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(dá)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(diǎn)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(dá)95%。這一切都充分表明地球上生命的產(chǎn)生和進(jìn)化都離不開(kāi)水。,水對(duì)人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,水是無(wú)色透明的,它允許太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)部分透過(guò),給水生植物光合作用提供所需的光能。對(duì)生物體有害的短波紫外線(xiàn)則被阻擋在外。這對(duì)地球生命的產(chǎn)生和進(jìn)化起到了關(guān)鍵作用,對(duì)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(guò)程中營(yíng)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(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生物體內(nèi)各類(lèi)生化反應(yīng)的進(jìn)行具有重要意義。,水對(duì)人類(lèi)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(chǔ)水體,白天吸收到達(dá)地表的太陽(yáng)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(zhǎng)期保持在一個(gè)相對(duì)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(duì)人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,水在4時(shí)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(yíng)養(yǎng)物得以在整個(gè)水域分布均勻,當(dāng)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(duì)水下生物具有十分重要的意義。否則,氣溫降低時(shí)水面結(jié)成的冰會(huì)沉入水底,從而導(dǎo)致整個(gè)水體完全凍結(jié),給水下生物帶來(lái)滅頂之災(zāi)。,三、土壤圈與人類(lèi)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(lái),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(yíng)養(yǎng)元素的能力,為植物的生長(zhǎng)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(chǎng),人類(lèi)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(wèn)題,鹽漬化:當(dāng)土壤含鹽量達(dá)到占干土重0.2%時(shí),作物生長(zhǎng)受阻,這種土壤稱(chēng)為鹽漬化土。當(dāng)土壤含鹽量達(dá)到2%以上時(shí),大多數(shù)作物無(wú)法生長(zhǎng),這類(lèi)土壤就是鹽土。距估計(jì)當(dāng)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(guò)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(guò)多,造成缺氧環(huán)境,妨礙作物生長(zhǎng),俗稱(chēng)水澇。據(jù)世界觀測(cè)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(dá)10105t之多。,1. 化石燃料 從人類(lèi)全部歷史來(lái)看,化石燃料大規(guī)模使用的歷史尚不足200年。歷史上長(zhǎng)期使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸稈和畜糞。進(jìn)入20世紀(jì)以后,煤炭才開(kāi)始占主導(dǎo)地位。石油更是一個(gè)后來(lái)者,從1920年起其開(kāi)采量大幅度上升,開(kāi)始了能源供應(yīng)的“石油時(shí)代”。從1929年至1971年,世界煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)了70%,同期石油產(chǎn)量增長(zhǎng)了1000%。

21、,四、人類(lèi)與巖石圈,2 . 礦物原料 人類(lèi)利用礦物資源的歷史不算長(zhǎng),大約在公元前6000年人類(lèi)首次學(xué)會(huì)從礦石中提取金屬,進(jìn)入青銅時(shí)代。3000年以后,到了公元1709年,英國(guó)人達(dá)比發(fā)明了用焦炭作燃料熔煉鐵,才進(jìn)入近代的鋼鐵時(shí)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(lèi)所需要的礦物原料和化石燃料的儲(chǔ)藏所,其儲(chǔ)量是巨大的。但是,由于人口的持續(xù)增長(zhǎng)和技術(shù)的迅速進(jìn)步,對(duì)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(shí)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(lèi)未來(lái)生存與發(fā)展的要?jiǎng)?wù)。,五、人類(lèi)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(lèi)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(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換與循環(huán),其結(jié)果對(duì)于地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡與人類(lèi)的持續(xù)發(fā)展有著非常重要的作用。,

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