第十二章-地球系統(tǒng)科學(xué)課件

第十二章新地球觀—地球系統(tǒng)科學(xué)教學(xué)重點(diǎn)：整體性、不可逆性。教學(xué)難點(diǎn)：地球系統(tǒng)科學(xué)的內(nèi)涵。第一節(jié)地球是一個(gè)系統(tǒng)一、產(chǎn)生背景：

1.傳統(tǒng)學(xué)科的成熟：氣象學(xué)、海洋學(xué)、地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)等，形成了各自的研究方法、手段和目的。有的學(xué)科已達(dá)定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地認(rèn)識(shí)地球。

2.人類(lèi)對(duì)地球的認(rèn)識(shí)尺度擴(kuò)大了—空間的、全方位的觀測(cè)，特別是對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

3.全球環(huán)境問(wèn)題的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代國(guó)際科學(xué)界為迎接全球環(huán)境挑戰(zhàn)而提出了地球系統(tǒng)科學(xué)這一新的地球觀、研究地球的新方法、新的戰(zhàn)略學(xué)術(shù)思想——地球系統(tǒng)科學(xué)（ESS，Earthsystemscience）。以美國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)委員會(huì)在1988年出版的《地球系統(tǒng)科學(xué)》一書(shū)為標(biāo)志：“地球系統(tǒng)科學(xué)”思想和概念被明確提出。地球系統(tǒng)指由大氣圈、水圈、巖石圈、地幔、地核和生物圈（包括人類(lèi)）組成的有機(jī)整體。地球系統(tǒng)科學(xué)就是研究組成地球系統(tǒng)的這些子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用中運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制，地球系統(tǒng)變化的規(guī)律和控制這些變化的機(jī)理，從而為全球環(huán)境變化預(yù)測(cè)建立科學(xué)基礎(chǔ)，并為地球系統(tǒng)的科學(xué)管理提供依據(jù)。地球系統(tǒng)科學(xué)知識(shí)可以解決人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的許多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。如人口、環(huán)境、資源、災(zāi)害等重大問(wèn)題。二、從整體論角度研究

強(qiáng)調(diào)地球系統(tǒng)，把地球的各組成部分作為相互作用的一個(gè)系統(tǒng)加以評(píng)述。將巖石圈、地幔、地核、大氣圈、水圈、生物圈（包括人類(lèi)自身）等視為一個(gè)整體，探討由一系列相互作用過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的復(fù)雜的、非線性多重耦合系統(tǒng)—地球系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，以及地球系統(tǒng)的變化對(duì)地球上的生命產(chǎn)生什么因果關(guān)系；強(qiáng)調(diào)在該系統(tǒng)中的主導(dǎo)全球變化的、相互作用的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，特別是人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的全球變化；強(qiáng)調(diào)地球系統(tǒng)是作為相互作用著的那些過(guò)程的集合，而不是單個(gè)組成部分的堆積。從宇宙體系角度來(lái)全面認(rèn)識(shí)行星地球：將地球作為一個(gè)行星來(lái)研究。三、地球系統(tǒng)科學(xué)的任務(wù)

1.通過(guò)對(duì)地球系統(tǒng)的各組成部分及相互作用的演化，運(yùn)作機(jī)制以及它們?cè)谒袝r(shí)間尺度上將怎樣繼續(xù)演化的描述獲得全球范圍內(nèi)整個(gè)地球系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

2.發(fā)展預(yù)測(cè)未來(lái)10~100年可能出現(xiàn)的自然和人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的全球變化的能力。

3.在地球系統(tǒng)動(dòng)力框架下，描述和認(rèn)識(shí)：相互作用的物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程；生命支持系統(tǒng)—無(wú)生命的地球環(huán)境；全球變化下的人類(lèi)活動(dòng)的影響方式。英國(guó)自然環(huán)境研究委員會(huì)于2002年12月提出了一項(xiàng)地球系統(tǒng)科學(xué)研究計(jì)劃——量化并理解地球系統(tǒng)計(jì)劃，并于2004年7月發(fā)布了該計(jì)劃的科學(xué)計(jì)劃和實(shí)施計(jì)劃。該計(jì)劃主要集中于三個(gè)研究主題：現(xiàn)今的碳循環(huán)及其與氣候和大氣化學(xué)之間的相互作用；大氣成分在冰期－間冰期和更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的自然變化；全球環(huán)境變化對(duì)資源可持續(xù)利用的影響后果。德國(guó)聯(lián)邦政府教育與研究部和德國(guó)科學(xué)基金會(huì)共同策劃制定了超大型研究計(jì)劃—地球工程學(xué)。地球工程學(xué)是把地球的整體作為研究對(duì)象，該計(jì)劃將有助于從地史時(shí)期的發(fā)展過(guò)程研究中探索地球的未來(lái)狀況。該計(jì)劃中進(jìn)一步明確了地球科學(xué)的任務(wù)，即與其他科學(xué)進(jìn)行學(xué)科間合作，在工業(yè)方面為解決緊迫的、與社會(huì)發(fā)展關(guān)系重大的問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。該計(jì)劃的研究目標(biāo)是認(rèn)識(shí)這些過(guò)程及其相互變化關(guān)系，以及評(píng)估人類(lèi)對(duì)于自然平衡和自然循環(huán)的影響。

氣象學(xué)家葉篤正等以地球系統(tǒng)科學(xué)為指南，從整體的角度出發(fā)，從1987年開(kāi)始開(kāi)展了中國(guó)的全球變化預(yù)研究。2001年1月，路甬祥把對(duì)“地球系統(tǒng)整體行為的集成研究”列為21世紀(jì)科學(xué)家要面對(duì)的第九大挑戰(zhàn)。2002年10月，溫家寶在中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)80周年紀(jì)念大會(huì)上講話時(shí)也強(qiáng)調(diào)，必須實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地質(zhì)工作向以“地球系統(tǒng)科學(xué)”為核心內(nèi)容的現(xiàn)代地質(zhì)工作的轉(zhuǎn)變。自然科學(xué)基金委地學(xué)部也于2002年3月提出了21世紀(jì)初的地球科學(xué)戰(zhàn)略重點(diǎn)，擬定了“以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線，從我國(guó)具有優(yōu)勢(shì)的前沿領(lǐng)域?qū)ふ抑鞴ツ繕?biāo)”的優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略。四、地球系統(tǒng)科學(xué)具有的特點(diǎn)

1.把地球看成一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)整體，由地圈、大氣圈、水圈和生物圈組成。地球上所發(fā)生的任何一種局部的過(guò)程或現(xiàn)象都不是孤立的，都是地球系統(tǒng)變化的反映。

2.研究的問(wèn)題在廣度和深度上都是巨大的。

3.地球系統(tǒng)科學(xué)尋求大跨度的學(xué)科交叉，構(gòu)建地球的演變框架，并以傳統(tǒng)學(xué)科為手段來(lái)理解演變過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜的相互作用及原因。五、地球系統(tǒng)科學(xué)的研究方法步驟

1.觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集；

2.觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析和解釋?zhuān)?/p>

3.概念和數(shù)值模式的建立（和實(shí)驗(yàn)）；

4.模式的驗(yàn)證，并用它作未來(lái)變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)。第二節(jié)地球動(dòng)力系統(tǒng)地球是一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，地球上所有物質(zhì)都在不斷地運(yùn)動(dòng)，而且都具有一定的速度、一定的演化過(guò)程并有一定的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)；空氣的流動(dòng)；大氣的溫度、濕度與成分的變化；水體的流動(dòng)、化學(xué)成分的變化；生物的繁衍、死亡、進(jìn)化與變異；巖石圈的變形與變位，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；地幔物質(zhì)的分異、混雜與熱對(duì)流；地核的轉(zhuǎn)動(dòng)和物質(zhì)成分的變化。地球上不同物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都有其獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。地球內(nèi)部和外部因素：

—地球內(nèi)部：重力場(chǎng)、自轉(zhuǎn)、溫度、壓力、物質(zhì)成分的不均一等；

—地球外部：月球、行星、太陽(yáng)系、銀河系等的引力和輻射。第三節(jié)開(kāi)放的地球系統(tǒng)地球誕生以來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)與周?chē)h(huán)境之間一直發(fā)生著質(zhì)量、能量、動(dòng)量的交換。

—接受外界的：原始地球的形成；隕石撞擊地球；接受太陽(yáng)能的輻射；接受宇宙射線的輻射。

—地球自身耗散：火山爆發(fā)；噴泉；地球自轉(zhuǎn)消耗轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能，自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢。要把地球當(dāng)作宇宙系統(tǒng)中的一份子，當(dāng)作開(kāi)放系統(tǒng)來(lái)看。自轉(zhuǎn)速度的變化，地極移動(dòng)，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道半徑或偏心率的變化，日月或大行星對(duì)地球引力的變化，太陽(yáng)輻射能（如黑子）的變化，隕石撞擊太陽(yáng)系在銀河系內(nèi)公轉(zhuǎn)一周等宇宙因素都可以對(duì)地球各圈層的運(yùn)動(dòng)變化發(fā)生作用。第四節(jié)圈層間的強(qiáng)相互作用

地球系統(tǒng)的復(fù)雜性：組成地球系統(tǒng)的大量不同的單元（子系統(tǒng)）間的強(qiáng)相互作用（非線性的作用），使地球系統(tǒng)自發(fā)地涌現(xiàn)出總體性狀、結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)行為。

耦合作用：兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)相互作用，彼此影響以致緊密聯(lián)合起來(lái)的現(xiàn)象。

解耦作用：通過(guò)相互作用之后，兩體系解除耦合關(guān)系，仍分別各具特色、自成體系的現(xiàn)象。地球各圈層的強(qiáng)相互作用表現(xiàn)為：

1.相鄰兩圈層之間強(qiáng)相互作用：水圈—大氣圈—生物圈—巖石圈；殼—幔、核—幔。

2.不相鄰圈層之間相互作用：重力場(chǎng)—地球深部物質(zhì)；地表磁場(chǎng)—內(nèi)外核；巖石圈內(nèi)的地溫場(chǎng)—深部地幔傳導(dǎo)熱、對(duì)流熱和殼內(nèi)放射性元素蛻變熱；地內(nèi)熱—地震；厄爾尼諾、拉尼娜—地幔放氣、排熱。第五節(jié)不可逆的進(jìn)化地球演化隨時(shí)間演化的不對(duì)稱(chēng)性和單向性。生物界：由低級(jí)到高級(jí)、簡(jiǎn)單到復(fù)雜演變。無(wú)機(jī)界：經(jīng)過(guò)多年的隕石研究、高溫高壓實(shí)驗(yàn)以及宇宙化學(xué)、天體物理學(xué)、天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)宇宙中地球的各圈層—地核、地幔、地殼、大氣圈、水圈與生物圈，都是在相互作用下，不斷地由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)的演化發(fā)展，并按照各自的規(guī)律(自組織性)、不可逆地、前進(jìn)式的演化。137億年前的宇宙大爆炸形成眾多的星系和恒星；通過(guò)恒星內(nèi)的熱核反應(yīng)和超新星的爆炸形成輕重不同的元素（以H、He為主）。45.5億年前的一次罕見(jiàn)的超新星爆炸的沖擊波使由星際間冷的固體塵埃和氣體組成的原始太陽(yáng)星云運(yùn)動(dòng)加速、密度增大，發(fā)生凝聚，形成太陽(yáng)以及圍繞它旋轉(zhuǎn)的星云物質(zhì)。太陽(yáng)周?chē)墓腆w、氣體物質(zhì)，經(jīng)過(guò)冷凝，以固體顆粒為中心，通過(guò)反復(fù)隨即碰撞吸積、逐漸增大質(zhì)量，形成八大行星（先形成類(lèi)木行星，后形成類(lèi)地行星）。原始地球處于高溫熔融狀態(tài)，形成圈層化的重力分異作用。強(qiáng)烈的熱活動(dòng)便于物質(zhì)分異與遷移，形成地核、地幔。在火山作用、隕石撞擊的作用下，在40億年前逐漸形成原始大陸，晶體結(jié)構(gòu)較松散的鋁硅酸鹽在地表聚集形成陸殼。同時(shí)，巖漿活動(dòng)排氣形成初步的大氣圈；氣體冷凝下來(lái)逐漸形成水圈。這種大氣與水侵蝕地表、分解硅酸鹽，使Ca2+、Mg2+、K+、Na+溶于水，并形成白云巖、灰?guī)r（固炭）、海水也變咸。陸核的主要增生時(shí)期為距今30~18億年。起初由于235U誘發(fā)裂變能和3+Al輻射能的作用猛烈，地球內(nèi)部熱活動(dòng)一直比較強(qiáng)烈，物質(zhì)在垂直方向上的分異、對(duì)流、遷移等作用都相當(dāng)劇烈。

18億年以后，235U誘發(fā)裂變能已釋放完畢，熱能的釋放主要靠較弱的、長(zhǎng)壽命放射性元素238U、Th和K等，能量顯著降低，使地球內(nèi)部變冷，巖石可塑性變小，導(dǎo)致上地幔的頂部層位和地殼合成一個(gè)統(tǒng)一的巖石圈。第六節(jié)均變與災(zāi)變均變論：18世紀(jì)末葉到19世紀(jì)初葉，地質(zhì)學(xué)的奠基人，郝頓(Hutton)和萊伊爾(Lyell,C)認(rèn)為：許多大變化是由一系列微小的變動(dòng)逐漸積累而形成的。這是“均變論”的主要觀點(diǎn)。災(zāi)變論：以居維葉(Cuvier,G)為代表的“災(zāi)變論”認(rèn)為：生物演化過(guò)程中，“沒(méi)有一種緩慢進(jìn)行的原因能產(chǎn)生突然的效果”，“所以地球上的生命進(jìn)程曾多次被可怕事件所打斷”，“地球表面曾經(jīng)歷過(guò)相繼的革命及各種災(zāi)變”。穩(wěn)定期（均變）

：是一種非平衡的相對(duì)靜態(tài)，演化呈現(xiàn)為相對(duì)有序的特征。

大氣圈的年平均溫度基本穩(wěn)定；氣候帶的劃分基本固定；海平面變化幅度較?。簧锓€(wěn)定地繁衍、復(fù)蘇或發(fā)育；地磁極變化幅度較小。穩(wěn)定期的地質(zhì)表現(xiàn)：地層內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)沉積、地層間呈現(xiàn)為整合接觸關(guān)系、地?zé)崮芊€(wěn)定積累，熱活動(dòng)微弱；巖漿活動(dòng)稀少和微弱；以埋藏變質(zhì)為主；構(gòu)造應(yīng)力逐漸積累與調(diào)整，主應(yīng)力方向不明顯，差應(yīng)力值??；板塊穩(wěn)定升降，水平位移量較小；巖石變形微弱；隕擊作用微弱，各天體處于相對(duì)穩(wěn)定?；钴S期（災(zāi)變）：突變期或?yàn)?zāi)變期，呈現(xiàn)為極不平衡的無(wú)序狀態(tài)。

常表現(xiàn)為發(fā)生異常氣象，大氣溫度劇變，氣候帶遷移；海平面大幅度升降；生物種群滅絕；地磁極翻轉(zhuǎn)?；钴S期的地質(zhì)表現(xiàn)：地層中出現(xiàn)沉積間斷，地層間呈現(xiàn)出角度不整合接觸關(guān)系；地球內(nèi)部熱能大量釋放，巖漿活動(dòng)與各種變質(zhì)作用劇烈；巖石圈內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力猛烈釋放，巖石發(fā)生強(qiáng)烈變形，構(gòu)造應(yīng)力的定向性明顯，差應(yīng)力值較大，板塊升降幅度與水平位移量都較大；常發(fā)生大規(guī)模的隕擊事件，各天體對(duì)地球的引力作用常出現(xiàn)某種的異常變化。災(zāi)變事件的滯后現(xiàn)象首先，以一次巨大的隕擊作用作為誘發(fā)因素，引起全球電磁場(chǎng)劇變和地磁極的翻轉(zhuǎn)，隕石撞擊巖石圈表層引起大爆炸，粉塵升到大氣圈上部，遮蔽了太陽(yáng)幅射能，造成全球氣溫驟降；或可引起海平面的劇烈變化，發(fā)生海嘯；隕擊作用后幾年到數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)，大氣與海洋環(huán)境的巨大變化，使不能適應(yīng)環(huán)境的生物大量滅絕。

如果隕擊在海洋巖石圈上(其厚度僅數(shù)十千米)，在重力均衡作用下，將誘發(fā)深部地幔物質(zhì)上涌，促使海洋板塊擴(kuò)張，進(jìn)而推動(dòng)大陸板塊運(yùn)移。在大陸板塊邊緣，從受到影響并進(jìn)而引發(fā)構(gòu)造變形和巖漿活動(dòng)，將產(chǎn)生較長(zhǎng)期的、不相等的滯后現(xiàn)象，一般幾萬(wàn)年延續(xù)到上千萬(wàn)年。地球各圈層所發(fā)生的一系列演化說(shuō)明：地球是一個(gè)均變與災(zāi)變相繼、有序與無(wú)序相間、平衡與不平衡相替的復(fù)雜系統(tǒng)。不是用一般的簡(jiǎn)單線性方程就能描述的，而完全是一種非線性的復(fù)雜過(guò)程。第七節(jié)各種時(shí)間尺度的周期性變化

由于地球演化呈現(xiàn)為均變與災(zāi)變相間的特征，因而這種演化過(guò)程就會(huì)常常表現(xiàn)出一定的周期性。地球各圈層的運(yùn)動(dòng)變化的時(shí)間尺