[自然科学]自然地理学讲义一、二章0

自然地理授课计划
自然地理学讲义
第一章绪论
§1、自然地理学研究的对象
§2、自然地理学研究的任务及内容
本章重点：了解自然地理学内涵
一、自然地理学的研究对象与分科
（一）地理学
地理学作为一门科学，其研究领域是随着时代和学科的发展而不断完善和扩展的。

首先采用地理学(geography)这个词的人，是生于公元前三世纪的古希腊学者埃拉托色尼，当时的含义是“对地球的描述”(geo一地球，graphein一描述)。

在2000多年后的今天，人类已经从地球的描述者变成了改变地球面目的巨大驱动力之一，因此，改善和协调人类社会、经济、文化发展与生存环境之间的关系，成为现代地理学关注的核心问题。

概括地讲，现代科学意义上的地理学是研究地球表层物质系统与人类社会一经济一文化系统在组成、结构、功能、空间特征和时间动态等方面相互作用与相互依存机理的学科体系。

从研究对象上看，地理环境可以分为：自然环境与人文环境。

或自然环境、经济环境和社会文化环境。

按照传统的学科体系的最高一级划分，地理学可以分为自然地理学和人文地理学。

自然地理学(physical geography)研究地球表层物质系统及其要素的组成、结构、功能、空间特征、时间动态，以及各要素之间相互作用的机理。

由于地球表层物质系统及其组成要素的运动与变化过程主要由自然力量和人化了的自然力量所驱动，受自然规律的支配，所以，自然地理学通常归属于自然科学的范畴。

人文地理学(human geography)研究人类社会一经济一文化系统及其要素的组成、结构、功能、空间特征、时间动态和人地关系的原理‘由于社会一经济文化系统及其组成要素的运动和变化过程主要由人为力量所驱动，在很大程度上受人类所创造的社会形态、经济制度、文化传统等发展规律的支配，所以，人文地理学通常归属于人文科学的范畴。

地理学举科体系示意图
同时依据地理学的研究层次可将地理学分为三个主要层次：综合地理学；综合自然地理学、综合经济地理学、综合人文地理学；部门地理学。

（二）自然地理学的研究对象
1、自然地理学的研究对象
自然地理学(physical geography)研究地球表层物质系统及其要素的组成、结构、功能、空间特征、时间动态，以及各要素之间相互作用的机理。

或者说，自然地理学是以人类赖以生存的地球表层自然系统的区域特征与空间分布、变化规律为研究对象的。

地球表层系统由固态、液态、气态（三相）三态物质组成，岩石圈、大气圈、水圈、生物圈交叉（四大圈层），无机界、有机界与人文界相互作用、相互影响（三大界）而构成的一个系统。

自然地理学与地球表层系统的关系
自然地理学所研究的地球表层是一个开放系统，称为地球表层系统(简称为地表系统，theearth surface-"stem) t它是地球上大气、水体、岩石、生物相互接触、相互渗透的部分，也是人类生存与活动直接影响的部分。

根据前苏联地理学家A. I'.伊萨钦科的观点，地表系统的上边界是大气对流层的顶部，距地球固体表面的距离在极地上空约8 km，赤道上空约18 km，平均在10 km左右。

对流层的性质如温度的垂直和水平分布、水分的循环、大气的化学组成等在很大程度上受到地表岩石、水体、生物，以及人类活动的强烈影响。

地表系统的下边界是岩石圈上部沉积岩层达到的深度，距地球固体表面的距离约4-5 km。

沉积岩的形成与陆地表面水体、大气、生物等要素对先成岩石的作用密切相关，其性质则受到大陆和海洋沉积环境的影响。

地表系统上边界以外的大气上层和下边界以外的岩石圈下层及岩石圈以下的地慢部
分和地核，便构成了地表系统的环境。

在那里，大气、水体、岩石、生物等要素之间的相互联系与相互作用程度显著减弱。

地表系统的边界是个相对的概念，且具有逐渐过渡的性质，随着人类活动对地球环境的影响范围与影响强度的增加，地表系统的边界呈扩张的趋势。

根据比利时物理学家I.普里高津的耗散结构理论，开放系统由于不断与环境交换能量和物质，能够自组织地形成有序、稳定的结构，这样的系统称为耗散结构((dissipative structure),太阳辐射能是地表系统的主要外部能派，地表系统通过吸收这种低熵的能量，并不断排出高熵的热能，获得负熵流，从而降低了系统的总熵，并使系统远离热力学平衡态，形成从属于太阳辐射能流的耗散结构，它具有稳定的组成、结构、功能和时空有序的特点。

作为地球表层系统，他主要有以下两个方面的特征。

首先是一个能量交换方面的充分开放系统
地球表层的能量来源于两个方面：其一是宇宙，包括到达地球上的太阳光能和各种宇宙射线，其中，宇宙射线的能量大约为太阳光能的数十亿分之几；其二是地球内部，主要是从地球深部获得的热能(地热)，这种能量一般仅及太阳光能的万分之几(表2-1)。

由此可见，太阳光能是地球表层的主要能源。

太阳光穿透大气层向地表系统的输入，将地表系统内的各子系统通过能量的流动联系起来，在这种能流过程中，辐射能被转换成机械能、热能、化学能和生物能等，驱动着各种物理过程(大气环流、水循环、地表的侵蚀)、化学过程(化学元素的迁移与转化、土壤养分循环)和生物过程(光合作用、呼吸作用、食物链)的进行。

最后，地表系统将接受到的能量，以大致相等的数量和热辐射的形式辐射输出系统之外，从而维持系统能量收支的大致平衡和系统的稳定。

由于地表系统与其环境之间不断进行着能量的交换，并且能量交换的数量是巨大的，所以，它在能量方面是充分开放的。

对于地表系统能量收支动态的研究已成为当代地球科学研究的前沿领域，旨在鉴别自然本身的变化和由人类活动引起的变化。

随着模拟地表能量——大气——水体系统的大气环流模型的日趋精确化，将使人类在理解和预测地表系统未来的能量平衡状态方面取得显著的进展。

此外，20世纪90年代后期作为地球观测系统一部分的太阳同步极地轨道卫星的发射，标志着对地球表层能量开放系统的监测进入到一个新的阶段。

其次是物质交换方面的微弱开放系统
地表系统与环境之间物质交换的数量与系统内的物质总量相比是很少的，因此，可以认为，地表系统在物质资源方面的开放程度较低。

这主要基于以下的事实:自地球形成以来，除了偶尔的流星、陨石、宇宙尘埃的进入和系统内空气分子、某些大气化学物质及少量水分的逸散之外，没有大量的物质通过上边界输入或输出地表系统；同样，除了火山喷发物质的进入和水的渗出，以及漫长地质过程导致的岩石循环等以外，也没有大量的物质通过下边界输入或输出地表系统。

可见，地球表层的物质资源是有限的，无论人类如何利用强大的技术力量改造和重组地表物质，系统的物质基础是相对稳定少变的。

地表物质资源的有限性要求人类社会更节约、更有效和尽量循环地利用各种自然资源，以保证代际之间资源的合理分配，实现“满足当前的需要，而不危及下一代满足其需要的能力”的发展，即可持续发展(sustainable development)。

这就要求人类在生产和消费过程中，尽可能地延长原生资源和物质从摇篮到坟墓(废物)的利用时间，如使产品具有尽可能长的使用寿命；尽可能地减少单位社会服务或单位产品的资源投入量，如制造耗材少的产品；尽可能地提高废物的重复利用率，如污水的处理和回用，固体废弃物的回收利用。

关于可持续发展的理论和实现可持续发展的途径与手段的研究，正在成为自然地理学、环境科学以及其他一些学科的前沿领域。

2、自然地理学的研究内容
（1）人类赖以生存的地球表层自然环境的组成、结构及其区域分布规律
（2）人类赖以生存的地球表层自然环境的成因与变化规律
（3）人类赖以生存的地球表层自然环境系统的运行机制（物质循环、能量转换、信息传输）
（4）人类与地球表层自然环境的相互作用、相互影响
（5）地球表层自然环境的评估、预测、规划、管理、优化、调控
（三）自然地理学的分科
依据自然地理学研究对象的复杂性和对其研究的领域分化，目前自然地理学主要有以下几个分科：
(1)部门自然地理学(sectorial physical geography)。

分别研究组成地球表层物质系统的各种自然要素与过程本身，强调以某个要素为核心的分析与综合，包括的学科主要有地貌学、
气候学、水文地理学、土壤地理学和生物地理学。

与部门自然地理学相关联的基础自然科学包括²天文学，地质学，海洋学，气象学，水文学，植物学，动物学，土壤学，生态学，地球化学，大地测量学等(见图1-1)。

(2)区域自然地理学(regional physical geography)。

研究地球表层物质系统的某个地域和地域组合的自然特征与过程，强调具体区域的个体性，如北美洲自然地理、中国自然地理、莱茵河流域自然地理等。

(3)综合自然地理学(integrated physical geography)。

主要研究地球表层物质系统的形成
历史、现代过程、类型特征、地域分异和发展演变，它是自然地理学的理论研究部分，强调综合性。

随着本学科和相邻学科的发展，对地球表层进行整体性的研究，即研究地表系统的组成、结构、功能、空间特征、时间动态，以及各种自然要素与过程之间、人与生存环境之间相互作用的机理，已成为综合自然地理学的主要研究方向。

（四）当代自然地理学的研究领域
传统的自然地理学主要采用定性描述的方法，分别研究地球表层的各种自然要素，如地形、气候、水文、土壤、生物等和自然综合体的空间分布特征，以及它们在空间上的相互依存与联系，旨在揭示不同地域之间在自然性质方面的差异性或相似性。

用以描述空间范围与性质的地理语言包括有地点、地方、区域、地带、圈层、距离、界线、类型、分布格局等。

它主要回答的科学问题是“是什么?”和“在哪里?”。

当人类具有了从全球尺度上改变其生存环境的能力时，地球表层系统进入了一个前所未有的独特发展阶段，其基本特点是该系统生命支持能力的退化，从而使人类面临人口、资源、环境和发展的严峻挑战。

为了迎接这一全球环境问题的挑战，20世纪70年代以来，国际科学界酝酿、讨论、设计并提出了全球变化的研究领域，它的科学目标为：描述和理解控制整个地球系统的关键性物理、化学和生物过程及其相互作用；描述和理解支持生命的独特环境及其机理；描述和理解发生在地球系统中的重大全球变化问题及人类活动对这些变化的影响方式，为全球和国家一级的资源与环境管理提供科学的依据。

由于自然地理学以地球表层作为研究的对象。

所以，全球变化研究领域中的许多间题便成为自然地理学新的生长点。

这一时期自然地理学要回答的科学问题是“怎么样?”(变化过程)、“为什么?”(变化原因)和“如何办?”(应付对策)，并突出强调以整体的、综合的和动态的科学观点定量地研究这些问题。

概括地讲，当代自然地理学的重要研究领域包括有：
(1)大气温室效应加剧对陆地生态系统的影响；
(2)平流层臭氧减少对陆地生态系统的影响；
(3)氧、碳、氮等重要生命元素的生物地球化学循环及人类活动对这些过程的影响；
(4)土地利用——土地覆盖变化规律和土地退化机理与恢复重建；
(5)生物多样性的起源、组成、功能、变化和可持续利用与保护；
(6)水文、水资源对全球气候变化的响应和水资源可再生性维持机理；
(7)全球环境变化的区域响应与生态安全和环境风险；
(8)全球环境变化与人类活动控制模式；
(9)生态脆弱地区的灾害治理、环境保护、资源开发与环境演变；
(10)区域环境质量与人体健康。

这些问题的深入研究和解决途径的探寻，需要一种新的思想方法，这便是系统理论。

利用这种方法论来阐释地球表层的整体性质、层次体系、自稳定性、自组织性等基本原理，便构成本书第2章的主要内容。

用于这种阐释的资料来源于自然地理学各分支学科和相邻的各基础学科的观测、推理、假说和理论；间题来源于人类与地球表层的物理、化学、生物环境相互作用的发展进程，概念和方法来源于系统理论。

下面首先介绍系统理论的基本概念和思想范式。

二、地理学的任务
（1）、研究各地理要素的特征、形成机制和发展规律；
（2）、研究各自然地理要素之间的相互关系，彼此之间物质循环和能量转化的动态过程，从整体上阐明它的变化发展规律；
（3）、研究自然地理环境的空间分异规律，进行自然地理分区和土地类型化分，阐明各自然区和各种土地类型的特征和开发、利用方向；
（4）参与自然条件、自然环境和自然资源评价；
（5）研究人为环境的变化特点、发展动向和存在问题，寻求合理利用和改造的途径及整治方法。

三、自然地理学与其他学科的关系
自然地理学与其他学科的关系
大气科学
地质科学
自然地理学
水文学生物学
地球表层自然系统是由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈相互作用而构成的。

研究大气圈、水圈、岩石圈、生物圈的核心学科分别是大气科学、水文学、地质学与生物学。

自然地理学，包含了这些学科的某些内容。

从人类环境科学的角度来看，自然地理学是将这些内容有机地交叉、融合在一起，将人类生存环境作为一个完整的体系以及对各个区域的环境组合进行研究的。

也可以说，自然地理学是大气科学、水文学、地质学与生物学的交叉学科或边缘学科。

四、自然地理学的性质
1.综合性：综合性是指自然地理学多学科交叉、多要素融合的特性。

2.区域性: 区域性是地理学的本质特性, 区域特征、区域联系与区域分异规律为自然地理学的主要研究对象。

3.环境性：人类生存环境是地理学研究的主要对象与内容。

4.系统性：地球表层环境就是一个系统，可以称之为地球表层系统。

系统具有整体性、层次性、动态性与结构功能性。

第一章地球第一节地球在宇宙中的位置
一、宇宙和天体
（一）为什么必须了解行星地球的宇宙环境及其自身的特性？
自然地理环境位于地球的特定范围内，是地球的一部分，而地球又是宇宙中的一颗普通行星。

它不断地和周围环境进行能量、物质和信息的交换和传输，从而对自然地理环境产生多方面的影响，推动着各种自然地理过程的演进，是自然地理环境形成和发展的必要条件。

因此，为了加深对自然地理环境的认识，就必须了解行星地球的宇宙环境及其自身的特性。

（二）基本思路：
（1）地球是一颗普通的行星。

（2）宇宙间物质存在的形式是多种多样的，有的聚集在一起形成凝聚态，如日月星辰；有的在广阔的星际空间形成弥漫态，称为星际物质。

（3）天体——宇宙中各种星体和星际物质的总称。

肉眼可见的天体有恒星、星云、行星、卫星、慧星、流星等。

（4）我们认识字宙，主要是认识宇宙中各种天体的运动及其变化。

（5）地球也是一个自然天体。

在宇宙飞船和在其他天体上看地球，地球也是在“天上”的。

（6）从“天地是一家”的观点出发，研究地球的宇宙环境，就是为了加深对整体地球的认识。

按由近至远的顺序，剖析不同层次的天体系统，探讨地球的宇宙环境，以便更好地了解地球本身。

（7）天体由近至远的顺序：恒星→银河系→总星系→无限的宇宙。

（三）各种天体
1、恒星：由炽热气体（等离子体）构成的，能自行发光发热的球状或类球状天体。

特点：
（1）恒星质量巨大，在高温高压的条件下，内部不断进行热核反应，外部不断抛射物质。

（2）它是宇宙中数量最多和最重要的天体。

（3）成分：氢约占70％，氦约占28％，其余为碳、氮、氧、铁等元素。

（4）每颗恒星，通过对流和辐射，向宇宙空间输送着巨大的辐射能。

恒星的距离
通常用来测量天体距离的单位有：
(1) 光年——光在真空中一年时间所走过的距离称为1光年。

1光年=94605×108（亿）Km=3×108m/s（光速）×365天/年×24小时/天×60分/小时×60秒/分。

太阳光到达地球是8分18秒。

离太阳最近的恒星是半人马座的比邻星，距离是4.22光年，牛郎星约16光年，织女星约26光年，北极星约400光年。

因为每颗恒星距离我们远近不一，它们的光到达地球的时间是不相同的，所以我们所见星空，其实是由恒星到地球的不同光行时间所组成的星空图像，反映的是不同恒星的不同历史时期的面貌，称为星空的小等时性。

(2)天文单位、光年和秒差距之关系
1天文单位即日地平均距离，约14960×104（万）km，用于测定太阳系天体的距离。

1光年=9.4605×1012km＝63240天文单位
1秒差距＝3.26光年=206265天文单位
恒星的亮度和光度
(1)亮度——在地球上，肉眼所见恒星的明暗程度称为视亮度，简称亮度。

亮度的等级用视星等(m)来表示。

古代，人们将肉眼看到的最明亮的星叫一等星，勉强可见的暗星叫六等星，它们之间亮度相差100倍。

凡星等每差一级，则亮度差为：100 1/(6-1)=2.512
即星等每差一级，亮度差2.512倍。

从亮到暗，……，-2，-1，0，1，2，……6（肉眼）……大望远镜可观察到26等的暗星。

如大犬座α星（天狼星）是-1.4m、满月-12.7m、太阳-26.7m。

星等与亮度之间的关系：星等以等差级数减小（增大），亮度以等比级数增大（减小），即：
l / l0=2.512m0-m（普森公式）
式中：l和m为较亮一颗星的亮度和星等；L0和m0为较暗一颗星的亮度和星等。

(2)光度——恒星的真正发光能力叫光度，其等级用绝对星等(M)来表示。

恒星的演化
20世纪初，丹麦的赫兹普伦和美国的罗素，各自根据恒星的光谱型和绝对星等的关系，绘制了著名的“赫罗图”，又称“恒星光谱-光度图。

“赫罗图”的内涵：
A、纵坐标——恒星的光度；横坐标——恒星的光谱型或温度。

B、大多数恒星分布在左上方至右下方的一条狭长带内，其排列由光度大、温度高的O，B型星延续到光度小、温度低的K，M型星，形成一个明显的序列叫主星序，其上的恒星叫做主序星。

C、在图右上方，还集中了一些绝对星等为零等的G、K、M型星．叫做巨星。

在巨星之上为光度更大的-2m ~ -7m的星，叫做超巨星。

D、在图左下方，是一些光度小、体积小、密度大的白色星，叫做白矮星。

E、赫罗图直观生动地反映了恒星光谱与光度之间的关系。

恒星的演化过程是恒星内部物质的吸引和排斥对立统一的过程，具体表现为恒星的收缩和膨胀过程。

2、银河系
（1）银河和银河系
“银河”——在夏秋晴朗无月的夜晚，仰望星空，从东北方向越过头顶再朝西南方向延伸，一条乳白色横跨天空的光带。

中名又叫星河、银汉等；西方称它为“milk way”。

银河与银河系有什么区别？
“银河”是指我们在地球上看到的一条光带，是银河系在天空上的投影，是肉眼所见到的部分银河系。

“银河系”是指太阳所在的整个星系，是比太阳系更高层次的庞大天体系统，是由构成银河系的气体、尘埃、恒星、星团以及星云所组成的密集区。

（2）银河系的结构、大小和形状
银河系是一个包括约1500亿颗恒星和大量星际物质组成的庞大星系级的天体系统；直径约10万光年，其恒星的分布是不均匀的；中心区域恒星较密集，距中心愈远，恒星愈稀疏；银河系的结构分银盘、核球和银晕三部分。

（3）银河系的运动
银河系的自转——整个银河系绕中心轴线不停地旋转，称为银河系的自转。

银河系的自转运动——银河系所有的恒星除各自运动外，都有围绕着银河系中心的旋转运动，这种运动被称为银河系的自转运动。

由于银河系物质分布与引力有关，因此各部分恒星的运动速度有所差异。

整个银河系在宇宙空间的运动，朝麒麟座方向以214km/s 运动着，好像一个车轮子，自身不断旋转的同时又不停地向前进
3、总星系
（1）河外星系
星云——茫茫星海中，可以看到的一些模糊不清的云雾状天体的过去统称。

河内星云（简称星云）——由银河系内的气体和尘埃物质组成的看似云雾状的天体。

河外星云或河外星系——在银河系以外，类似银河系的庞大的恒星集团，由于它们距离太遥远，看上去也是云雾状天体，称为河外星云或河外星系。

如仙女座大星系等（补图2.9）。

目前已发现河外星系约10亿个，其中离银河系最近的有大、小麦哲伦星系（分别约16、19万光年、）和仙女座大星系（约220万光年）。

前两个星系在南半球可见，它们是航海家麦哲伦作环球航行时，于1520年在南美洲南部发现的。

而在北半球可见的最亮的河外星系，则是仙女座大星系。

（2）总星系
天体系统层次：天体互相吸引、彼此绕质心旋转而构成了天体系统。

一般情况下，次一级天体系统又围绕高一级天体系统旋转。

例如，地月系绕共同质心旋转、并绕太阳旋转；太阳偕带太阳系成员又绕银河系质心旋转。

目前认识到的天体系统层次：
地月系→太阳系→银河系→星系群→星系团→超星系团→总星系
二、太阳和太阳系
（一）太阳
1、太阳的距离和大小
（1）日地距离
日地距离等于一个天文单位
a＝1.49597870亿km≈14960万km
（2）太阳的大小和质量
太阳视直径平均值为31′59.3″；
太阳的半径为6.96×105km，是地球109倍；
太阳的体积是地球体积的130万倍；
太阳的质量为1.989 ×1027t，相当于地球的33万倍；
日面重力相当于地面重力的28倍；
太阳平均密度为1.41g/cm3，是地球平均密度的1/4；
2、太阳的外部构造
太阳物质处于高度电离状态，氢和氦原子在高温高压条件下，离解为带正电荷的质子和带负电荷的电子。

因为正、负两种离子所带电荷的总量是相等的，故称等离子体。

太阳是个炽热的等离子气态球体，其分层无明显的界线。

为了研究方便，将太阳大致分成内三层（核反应区、辐射区和对流区）和外三层（光球、色球和日冕）。

太阳内层无法直接观测，只是一种理论模式。

3．太阳的能源。