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第 9 章。地球环境的组成部分

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1. 概述

2. 气氛

3. 水圈

4. 岩石圈

5. 生物圈

1.概述

⑴ 地球系统

① 系统类型

○ 类型1. 孤立系统：没有物质和能量的运动

○ 类型 2. 封闭系统：能量运动但物质不运动

○ 类型3. 开放系统：物质运动和能量运动同时存在

② 地球环境可以认为是一个开放系统

⑵ 地球环境的组成部分

①构成地球环境的各要素既独立又相互作用

② 地球环境的组成部分：大气圈、水圈、岩石圈、生物圈

③ 组件之间的交互

表 1. 地球环境组成部分之间的相互作用

2.气氛

⑴ 氛围

① 海拔约1000公里处环绕地球的大气层

② 由对流层、平流层、中间层、热层组成

③ 大气上界不明确：氢分布最远约10,000 km

⑵ 对流层

① 从地表延伸约11公里

②影响对流层温度的因素主要是地面辐射

③ 由于地面辐射减少，海拔升高，温度降低，造成不稳定

④ 不稳定导致大气中剧烈的对流运动

⑤ 温度下降率：6.5℃/km

⑥ 对流层顶：对流层和平流层的分界线

○ 由于对流强烈，对流层顶高度随着纬度的降低而增加

○ 由于对流更加活跃，夏季对流层顶高度高于冬季

○ 赤道：17.5公里

○ 中纬度地区：11.5公里

○极地：7.5公里

⑶ 平流层

① 有臭氧层：20 ~ 30 km, 2 ~ 8 ppm

② 臭氧层吸收来自太阳的有害紫外线

③ 由于紫外线辐射的高吸收，温度随着海拔的升高而升高：稳定的大气

④ 稳定性导致没有对流运动

⑤ 没有对流，为飞机长时间飞行创造了稳定的航线

⑷ 中间层

①影响中间层温度的因素主要是地面辐射

② 由于地面辐射减少，海拔升高，温度降低，造成不稳定

③ 不稳定导致对流运动剧烈

④ 尽管对流强劲，但缺乏水蒸气会阻碍天气现象

⑤ 大气中最冷的区域

⑥ 几乎没有氧气

⑸ 热层> ① 海拔极高，空气密度极低，空间热源导致温度变化显着

② 由于靠近太阳，温度随着海拔的升高而升高

③直接吸收太阳能导致温度变化大，导致昼夜变化强烈

④ 极光因外部辐射而出现

○ N < C < … < He < H

⑹ 外逸层：跨度约60公里至500公里

① 与平流层、中间层、热层重叠

② 该区域的空气分子被太阳的X射线和紫外线电离

○ 大气中分布的离子和自由电子

○ 玻尔原子模型：电子吸收能量并发射，形成离子

③ 根据电子密度分为D、E、F层

图 1. 电离层

○ D层：约60公里~80公里，长波反射，白天

○ E层：约100公里~120公里，中波反射

○ F₁层：约170公里~230公里，短波反射，白天

○ F₂层：约200公里~500公里，短波反射

○ 白天：E层、F层

○ 夜间：D层、E层、F1层、F2层

④ 角色

○ 作用一：阻挡地波

○ 作用二：阻挡外来电波，海拔越高阻挡来自外界的能量越多

○ 远距离通讯媒介

⑺ 同质层：约80公里以内。由于对流和混合相互作用，气体是均匀的。延伸至中间层

① 干燥空气

○ 不含水蒸气的空气

○ 氮（78%）：植物生长必需元素（参见氮、磷、钾）

○ 氧气（21%）：动植物呼吸和燃烧的重要元素

○ 氩气 (0.9%)

○ 二氧化碳 (0.03%)

② 随时间、地点变化的气体

○ 水蒸气

○ 天气变化的主要原因

○ 通过热能传输对地球热平衡很重要

○ 二氧化碳 (CO₂)

○ 植物光合作用减少

○ 由于地球内部排放、工业和车辆排放、生物体呼吸活动、海洋碳酸盐而增加

○ 受海洋控制

○ 全球变暖的主要原因

○ 臭氧

○ 集中在20~30公里左右

○ 吸收紫外线

○ 甲烷 (CH₄)

○ 由于牲畜放牧和陆地环境中微生物甲烷的产生而增加

⑻ 异气层：约80公里至1000公里范围内。气体由于密度稀疏和扩散不均匀。始于热层

① 气体在大气中的分布：较重的气体较低，较轻的气体较高

② 1000公里氢气

③ 600 ~ 1,000 km 氦气

④ 300~600公里氧气

⑤ 200~300公里氮气

⑼ 卡门线

① 物理学家西奥多·冯·卡门定义的地球大气层与外层空间的边界

② 以100公里高度定义：但也有说法将其降低至80公里

3。水圈

⑴ 水圈的组成

①天然水=海水（97.22%）+淡水（2.78%）

② 淡水成分

○ 淡水 = 冰川和冰盖 (1.91%) + 地下水 (0.84%) + 其他 (0.03%)

○ 雨水溶解陆地上的矿物质，导致CO₃^2-和Ca²⁺含量较高

③海水成分

○ 盐的成分

○ 岩石的风化和侵蚀

○ 海底火山：由于水下火山喷发，Cl^- 浓度最高

○ 由于生物利用，与淡水相比，海水中不含 CO₃^2- 和 Ca²⁺

○ 海水中6种主要元素（以质量计）»> ○ 氯离子（Cl^-）：55.0%

○ 钠离子（Na⁺）：30.6%

○ 硫酸根离子（SO₄^2-）：7.7%

○ 镁（Mg²⁺）：3.7%

○ 钙（Ca²⁺）：1.2%

○ 钾（K⁺）：1.1%

○ 海水中元素分布（摩尔浓度）

表 2. 海水中的元素分布

○ 盐度随纬度的变化

○ 赤道：降水 > 蒸发、低盐度

○ 中纬度地区：蒸发 > 降水、高盐度

○ 极地：融冰剧烈，盐度低

○ 韩国海域盐度

○ 黄海盐度比东海低：黄海被陆地包围，具有淡水的特点

○ 夏季盐度低于冬季：夏季降水-蒸发比高

○ 盐度恒定比例定律

表 3. 盐度恒定比例定律

○ 机制：长期混合

○ 离子停留时间

图 2. 离子停留时间

○ 从海水中提取的有用矿物质：盐、镁、溴等。

○ 海水中溶解的气体：氧气、二氧化碳、氮气，海洋生物生存所必需

⑵ 海水的垂直结构：通过水温随深度的变化来区分

图 3. 海洋层的划分

① 混合层：50 m ~ 200 m

○ 由垂直结构中的恒温定义

○ 受太阳能和风能影响：风致混合保持恒温

○ 冬季增厚：密度流导致地表水冷却，增加了混合层的厚度

○ 中纬度地区风力最强：中纬度地区风力最强（由于大气环流）

○ 由于光合作用，二氧化碳浓度低

② 温跃层：200 m ~ 1,000 m

○ 定义为水温随着深度的增加而快速下降

○ 受太阳能、风能影响：受风能影响较小

○ 稳定：下层总是比上层冷，防止对流

③ 深层：1,000 m ~» ○ 定义： 温跃层以下几乎没有温度变化的区域。

○ 太阳能影响： 无，风影响： 无

○ 无论纬度或季节，水温一致： 2 ~ 4 ℃。 4℃时密度最高，但高压情况下最大密度温度有所不同。

○ 水温极低。 高密度。盐度低。

○ 由于高纬度地区地下海水寒冷，溶解氧浓度增加。

⑶ 海底地形

图 4. 海底地形

① 大陆架： 深度小于200 m的缓坡，靠近陆地。

○ 靠近大陆。

② 大陆坡： 从大陆架向海延伸。

○ 陡峭的梯度。

○ 这里主要发生下降流。

③ 海沟：深度超过6000m的深海沟。

④ 深海平原： 宽阔、平坦的海底地形，深度约 3,000 m 至 6,000 m。

⑤ 海山： 从海底升起的水下山脉，被下面的岩石推高。

○ 靠近海山热通量增加。

○ 距离海山越远，厚度就会增加。

○ 随着时间的推移，构造板块上的点会远离海山。

○ 温跃层占主导地位。

⑥ 火山岛：水下火山喷发堆积而成的岛屿。

⑦ Seaknoll： 从海底升起的圆锥形山峰。

⑧ Guyot： 由于海浪侵蚀，水下火山峰的顶部变得平坦。

⑨ 大陆隆起： 从大陆坡向深海底延伸的逐渐倾斜区域。

4。 ** **岩石圈（岩石圈）

⑴ 地球内部调查方法： 包括钻探、火山喷发分析、地震波分析等。

① 钻孔方法

② 火山喷发分析

③ 地震波分析

○ 地震波： 地震仪观测到的地震产生的波。

○ 特性一： 传播过程中遇到不同材质会发生反射或折射。

○ 特征 2： 速度根据其通过的材料而变化。

○ 类型 1： 纵波

○ 主要特点： 主波。速度5～8公里/秒。振幅小，损伤小。

○ 穿过固体、液体和气体。

○ 波方向与传播方向一致。

○ P 波在上地幔和外核之间的边界处急剧减弱。

○ 类型 2： S 波

○ 主要特点： 剪切波。速度约4公里/秒。更大的振幅和损伤。

○ 只能穿过固体材料。

○ 波向垂直于传播方向。

○ PS 时间（初始运动持续时间）： P 波和 S 波到达之间的时间差。

○ 类型 3： L 波

○ 主要特点： 表面波。速度约3公里/秒。高振幅和破坏性。仅在表面传播。

○ 横波和纵波均存在。

○ 类别 1： 爱情浪潮

○ 类别 2： 瑞利波

○ PS 间隔： 测量震中或震源距离。

图 5. PS 间隔和行程时间曲线

○ 通过三个观测站确定震源和震中的方法

○ P: 震中

○ 圆的半径等于距每个天文台的震源距离

○ 震中与震源距离为 HH’ 长度的一半

图6. 通过三个观测站确定震源和震中的方法

图7. 上图观测站A的放大图

点 O 是原点（震源）所在位置，垂直下降 OP 或 OP’ 的长度。

○ P 波的时间-距离曲线（行程-时间曲线） 描述中心 P 波。

图 8. P 波时间-距离曲线

a代表直达波，b代表折射波，弯曲点为交叉距离

图 9. 折射波和直达波

○ 直达波：直达地震波从震中S传播到观测点D所需的时间。

○ 折射波：地震波在壳幔界面折射后到达D点所需的时间。

○ 反射波： 总是比直达波晚到达。

○ 交叉距离： 到直射波和折射波交汇点的距离。与地壳的厚度成正比。

○ 如果震源距离 ℓ 较短，则直达波所经过的距离较短，导致其更快到达 D。

○ 如果震源距离 ℓ 较长，则移动距离的差异最小。根据密度差异，更快的折射波到达 D。

○ 推论1： 由于地震波发生折射，地幔的纵波速度比地壳速度快。

○ 推论2： 地壳越厚，走时曲线的弯曲距离就越长。随着折射波距离的增加，其到达观测点的时间会延迟。

○ 有用的公式

④ 地球内部物质的估算方法

○ 研究地球内部的地震波速度分布。

○ 高温、高压实验。

○ 陨石化学分析。

⑵ 地球的层状结构

① 概述

○ 可通过地震波速度的变化来区分。

○ 压力和温度随深度增加。

○ 密度：地壳＜地幔＜外核＜内核

○ 重力加速度： 在地幔边界处最高，向中心减小。

图 10. 重力加速度随深度的变化

① 地壳： 表面至莫霍洛维奇不连续性

○ Mohorovičić 不连续面（莫霍面不连续面）：0 公里至 100 公里。

○ 通过附近走时曲线的折射发现。

○ 占地球总体积的 1%，固体。

○ 大陆地壳： 30 ~ 50 km，平均30 km，密度2.7 g/cm3。

○ 上部：花岗岩（硅铝层）。

○ 下部：玄武岩（司马层）。

○ 洋壳： 6～8公里，平均6公里，密度3 g/cm3，由玄武岩（司马层）组成。

② 地幔： 莫霍面不连续面到古腾堡不连续面

○ 结构：

○ 古腾堡不连续面：位于 2,900 公里深度。重力最大的点。

○ 地幔 = 上地幔 + 过渡带 + 下地幔

○ 上地幔（莫霍面不连续面 ~ 400 公里）：包括岩石圈和软流圈。»> ○ 过渡带（400 km ~ 1000 km）：在低速带，地幔具有延性，但随着深度的增加，由于压力而变得凝固。由于相变，地震波的速度增加。岩浆最有可能在该地区形成。

○ 下地幔 (700 ~ 2,900 公里)

○ 板块：包括地壳和上地幔的刚性部分。

○ 软流圈：位于100~400公里深处。部分熔融，导致地震波速度突然降低。它充当板块运动的驱动力。

○ 特点：

○ 约占地球体积的 82%，地球内部最大的体积和质量。

○ 约占地球总质量的 67%。

○ 密度：3.3 克/立方厘米。

○ 主要由橄榄岩、超镁铁岩组成。

○ 地震波：

○ 阴影区： 由于存在岩心而地震波无法到达的区域。

○ 纵波阴影区： 地震角度103 ~ 142°。

○ 横波阴影区： 地震角度103 ~ 180°。

○ 低速层： 减慢上地幔中的地震波。

③ 外核： 古腾堡不连续性到莱曼不连续性

○ 莱曼不连续性（Lehmann Discontinuity）： 5,100 公里。

○ 由于存在 S 波阴影区，建议为液体状态。

○ 主要成分为铁、镍。

○ 地球内最高的压力增加率。

④ 内核： 到地心的莱曼不连续面（6,400 公里）。

○ 在110°地震角附近存在弱纵波表明其存在。

○ 通过增加纵波速度推断出固态。

○ 主要成分为铁，并含有少量镍。

⑶ 地壳物质的成分

① 构成地壳的岩石

○ 构成地壳的造岩矿物主要是硅酸盐矿物。

○ 近地表岩石：沉积岩（75%）、火成岩和变质岩（25%）。

○ 深度约16公里的岩石：沉积岩（5%）、火成岩和变质岩（95%）。

○ 上陆壳：富含SiO2和Al2O₃（硅铝层）的花岗岩，密度2.7g/㎤。

○ 下陆壳和洋壳：富含SiO2和MgO的玄武岩（司马层），密度3.0克/㎤。

② 地壳中的八种主要元素（质量分数）

○ O: 46.6%

○ 硅： 27.7%

○ 铝： 8.1%

○ 铁： 6.0%

○ 钙： 3.6%

○ 钠： 2.8%

○ K： 2.6%

○ 镁： 2.1%

○ 助记提示： San Gu Al Cheol Na Cheol Ma

③ 克拉克数： 从海平面到地下约 16 公里处存在的各种元素的重量百分比。

⑷ 地幔物质的成分

① 比地核更靠近地壳。

② 主要由含有辉石和橄榄石的橄榄岩岩石组成。

③ 富含Fe、Mg，密度3.3~5.5 g/cm3。

⑸ 核心材料成分

① 外核： Fe含Ni的混合物（液态），密度约为11 g/cm3。

② 内核： Fe含Ni的混合物（固态），密度约为16.5 g/cm3。

5。 ** **生物圈

⑴ 地球上所有的生物体以及尚未分解的有机物质。

⑵ 栖息于地表、土壤内部、海洋、大气层下（海拔约8公里以下）。

⑶ 在改变地球大气成分和表面方面发挥着至关重要的作用。

输入：2019.08.16 22:49