地球科学概论第二章 地球的外部圈层

由于大气在垂直或 水平方向上存在气压差 ，从而产生了气压梯度 力，它的方向是沿着垂 直于等压面方向由高压 区指向低压区，其大小 为这个方向上单位距离 内气压的改变量。 气压梯度力可分为 水平气压梯度力和垂直 气压梯度力。真正造成 大气水平运动的力是水 平梯度力。
气压梯度：单位 距离内的气压变 化值
成分的分类及其特点
（1）、恒定组分：氮、氧、氩等
（2）、可变组分：二氧化碳、臭氧、 水蒸汽 （3）、不定组分：粉尘、硫氧化物、 氮氧化物
注意：我们现在讲的都是现阶段的大气组成，而 且是低层大气的组分（90km以下）。高层 大气以氮、氧、氢等的原子、离子为主。 地质历史时期的大气组分与现今也是不一 样的。
图2－9 水系和流域示意图 在一定集水区域内，由大大小小的若干条河流所组成的 水流系统称为水系。水系中长度、水量最大且直接注入 海洋或湖泊的河流称为干流，直接或间接注入干流的河 流称为支流。理想的水系常呈“树枝状”。
环流
和 地面流水的运动
涡流
宏观上，“水往低处流”、“千流归大海”。
微观上，水质点运动状态可分为层流和紊流两种， 紊流有两种特殊的水流形式，即环流和涡流 。
地下水的存在形式有吸着水、薄膜水、 毛细水、重力水，前两者吸附在岩石的表面 ，一般不运动。毛细水受表面张力作用逆重 力方向运动。重力水在重力的影响下作垂直 向下或水平运动。
地下水可分为包气带水、潜水、承压水三种： 包气带水是指埋藏在包气带中的地下水。包 气带意指岩石空隙未被地下水充满的地带。包气 带中的地下水以吸着水、薄膜水、毛细水为主， 而重力水较少。包气带水以垂直运动为主。
还有惯性离心力及摩 擦力的作用
北半球右偏， 南半球左偏。
（二）大气环流
大气环流：具有全球性的、有规律的大气 运动通常称为大气环流。
它反映了大气运动 的基本格局，并孕育 和制约着较小规模的 气流运动,是各种不同 尺度的天气系统发生 、发展和移动的背景 条件。
（1）一是在各半球形成三个沿经向的环流圈，即 低纬、中纬、高纬环流圈。 （2）二是形成相应的 高气压带与低气压带。
世界洋 流略图
浊流是海洋(或湖泊)中载有大量悬浮碎屑物 质（粘土、砂石 ）的高密度水下重力流。
多由地震、火山等因素引发，在重力的作用下 “一泻千里”地穿过大陆坡，直达深海平原，流速可 达20～30 m/s，具有较大的剥蚀、搬运能力，可在大 陆坡地区形成切割较深的海底峡谷。
2．陆地水
主要包括地面流水、地下水、湖泊与沼泽及 冰川。 （1)地面流水是指沿陆地表面流动的水体， 其水源主要有大气降水、冰雪融水、地下水和 湖泊等。地面流水分为常年性流水(河流)和暂 时性流水(片流、洪流)。 暂时性流水是指补给水源不稳定(时有、 时无)的地面流水，这种流水的水源是大气降 水。暂时性流水包括片流和洪流。
片流是指沿山 体斜坡无固定水道 的面状流水，它发 生在大气降水刚降 落到地面之后，其 特点是水层薄、速 度慢、呈网状。
洪流是指大气 降水后沿沟谷的水 流，它是由片流汇 集到沟谷形成的， 其特点是流速快， 有固定的水道。
河流是地表面具有固定河道的 线状常年性流水。河流有稳定 的补给水源，它的水源一般以 地下水、冰雪融水为主。
按天然水所处的环境不同可分为：海水、 陆地水和大气水3类。 1．海水 海水的性质 物理性质:温度、密度、压力、透明度 化学性质:除H、O以外 最主要的元素：氯、钠、镁、钙、硫、钾等。 最主要的盐类：氯化钠、碳酸钙、硫酸镁等。 盐度：一千克海水中溶解的全部盐类物质。
标准盐度35‰－－咸化海与淡化海
海水的运动 波浪、潮汐、海流（洋流）、浊流 波浪是海水最基本的运动形式。当风刮过 海面时，风与海水面之间产生摩擦力，使海 水产生运动形成波浪。
就北半球来说，大陆上最高月平均气温出现 在7月(海洋上为8月)；大陆上最低气温出现在1 月(海洋上为2月)。 一年中最高与最低月平均气温之差反映某地区 年气温变化幅度，是划分气候类型的重要依据。
气温的水平分布
世界海洋表面8月的平均气温的水平分布图。基本平行于纬线，赤道附近的红 色是温度最高区域，达28－30度，向两极变低到0－2度左右。
如果当月球、太阳、地球处在一条直线上(朔、望月)时， 可出现高潮特高、低潮特低的大潮，而在上、下弦月时， 日、月对地球的引潮力相互抵消，出现小潮。
由潮汐引起的海面高 度变化迫使海水作大规 模水平运动称为潮流。
海流(洋流)是指大洋中沿一定方向有规律移动 的海水。好像大洋中的一条河流 。
洋流可分表层洋流和深层洋流。表层洋流主要由信 风及海水密度差引起，可分为暖流和寒流。暖流一般由低 纬度流向高纬度，寒流一般由高纬度流向低纬度。
(2) 地下水是埋藏在地表以下岩石和松散堆积物
空隙中的水体。水源主要来自地面流水和大气降水。 岩石中空隙的体积与岩石总体积之比称为空隙率。空隙 的连通性越好越利于地下水的运动。
岩石或堆积物能透过地下水的能力称岩石的透水性 。由透水性好的岩石组成的岩层称为透水层；储存有地 下水的透水层称含水层。相反，地下水不易透过的岩层 称不透水层或隔水层。
海水波浪运动时，水质点基本上绕某个平衡位置 作圆周运动，只是向前移动很小距离。水质点作 圆周运动到最高点就形成波峰，运动到最低点就 构成波谷，波高相当于水质点运动圆周的直径。
水质点的运动圆周随水深增加变得越来越小，当 水深达1/2波长时，水质点的运动圆周直径仅为 0.04波高，一般把此深度认为是波浪作用的下限 。地震、火山喷发可释放出巨大的能量，使海水 强烈运动，产生汹涌的海浪，称海啸。
第二章 地球的外部圈层
第一节 大气圈 第二节 水圈 第三节 生物圈
第一节 大气圈
将简要介绍：
一、大气的组成 二、大气圈的结构 三、大气的热状况 四、大气的运动
大气圈(atmosphere)是因地球引力而聚集在 地表周围的气体圈层。 大气是人类和生物赖以生存的物质条件，也 是使地表保持恒温和水分的保护层，同时也是促 进地表形态变化的重要动力和媒介。
平流层
高度:从对流层顶到55km。
质量:占大气圈质量20％。 气温：从下向上是升温 的，到平流层顶温度升到 00C左右。因有臭氧层。 大气运动：水平运动。 成分：几乎不含水蒸气、 尘埃，存在数层臭氧层。 无天气现象。
中间层
高度：从平流层 顶到85km。 气温：从下向上是 降温的，到中间层的 顶温度降到-830C。 大气运动：有对 流运动。 上部已存在电离层 （D），反射无线电波
潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上、 具有自由表面的重力水，也称饱水带水。其自由 表面称潜水面。潜水在重力的作用下一般从高处 往低处流，以近水平方向流动为主。
潜水面随地 形高程的起 伏变化与季 节性变化。
承压水是指埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内 的重力水，故又称层间水。承压水受两隔水层所限，位 置低的水体受位置高的水体的静压力，这种压力常称水 头压力。承压水的运动一般为从补给区流向排泄区。
图 2－ 3 到达地 面的太 阳辐射
当太阳辐射到达地面后，地面吸收了近一半(约为47%) 的太阳辐射能量，地面温度增高，同时地面也以电磁波的 形式向外辐热量。地面辐射的能量主要集中在红外线部分 ，属于长波辐射。地面辐射极易被对流层中的水汽和二氧 化碳所吸收（75%～95%）。可见低层大气增温的直接热源 是地面辐射。
暖层（电离层）
高度：从中间层顶 到800km。 气温：从下向上迅 速升温，到300km高 空，温度达10000C。 存在多层的电离层 （E、F、G），可反 射不同波长无线电波。
散逸层
高度：从暖层顶到 外层空间2000～ 3000 km 高空。
物质多以原子、 离子状态存在。
是地球物质向宇宙 空间扩散的部位。
四、大气的运动
（一）大气运动的动力
大气运动的产生及形式取决于气压的作用。 气压：是指单位面积上所承受的空气柱的重量。单 位：帕斯卡（Pa）(1Pa＝1 N/m2) 影响因素主要是该地上空大气柱的高度和密度。 一个地方的气压随高度增加而降低；在水平 方向上，由于气温差异会引起大气密度的变化， 也会产生气压的水平变化。
除水平梯度 力外，运动 的大气还会 受到地转偏 向力(科里奥 利力) 、惯 性离心力及 摩擦力的作 用。
图 2 － 4
地 转 偏 向 力
示 意 图
地转偏向力(科里奥利 力)：由地球的自转和 球面效应所引起。
地球上的一切物体 （固、液、气体）在运 动时都会因地球的自转 和球面效应而发生方向 偏转，好象在运动的物 体上施加了一个使其运 动方向发生改变的力一 样，这种假想的力即科 里奥利力。
大气圈在垂直 方向上的物理性 质有显著的差异。 可自地面向上 依次分为： 对流层、
平流层、
图 2 － 1 大 气 的 垂 直 分 层
中间层、
暖层
及散逸层。
对流层
厚度：平均11-13km，赤 道17－18km，两极8-9km。 质量：约占大气圈70％。
气温:从下向上是降温的, 大气降温率是60C/km，对 流层顶约-830C。 大气运动：强烈的对流。 成分：含水蒸气、尘埃。 气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等。
（3）二是在各半球形 成三个沿纬向的风向带 ，即信风带、盛行西风 带、极地东风带。
地球上的气压带和风带
第二节
水 圈
水圈(hydrosphere)是指由地球表层水体所构成 的连续圈层。 水是一切生物生存必不可少的物质条件，对 地球表层环境的形成和改造起到重要的作用。
一、水圈的组成
自然界的水以气态、 固态和液态三种形式 存在。地球水体的总质量1.5×1018t，体积约 1.4×1018m3，其中，海洋水约占 97.212％， 大陆表面水约占2.167％，地下水为0.619％， 大气水占0.001％。 如果设想将地球表面全部削平，水圈的水 体足以覆盖整个地球达2700多m厚。
一、大气的组成
大气圈的总质量约5×1018kg，其中绝大部分 分布在大气圈的下层。自然状态下的大气是多 种气体的混合物，主要由氮、氧、二氧化碳、 水及一些微量惰性气体组成。 但是随着人类活动的日益增强和工业化的 发展，大气中的有毒、有害物质和悬浮颗粒也 明显增多。 大气的组成成分可分为恒定组分、可变 组分和不定组分3种。
在水深小于1/2波长的 海岸附近，波浪由于海 底摩擦阻力而发生变形 ，形成破浪、拍岸浪。
潮汐指全球性海水周期性涨落现象。 潮汐的引潮力主要是月球、太阳对地球的引力和地 球的惯性离心力。引潮力主要包括太阳－地球间和地球 －月球间的引潮力两部分。后者是引潮力的主体部分； 太阳由于距离地球太远，其引潮力仅为月球的 46.6％。
恒定组分主要成分
按体积计算
氮，78.09％
按质量计算
氮，75.51％
氧，20.94％
氩，0.93% 其他，0.04％
氧，23.15％
氩，1.28％ 其他，0.06％
二、大气圈的结构
大气圈的下界通常是 指地表，但在地面以下的 土壤、松散堆积物及某些 岩石中也含有少量空气， 它们是大气圈的地下部分 ，其深度一般小于3km； 其上界并无明确的界限， 一般认为2000～3000 km 。 在此高空已向行星际 尘埃的密度过渡。
大气直接吸收 的太阳辐射能 量是很少的( 约为19%)。
（二）气温的日变化、年变化和水平分布
气温是指大气的温度。在同一地点，由于 地球的自转使太阳辐射强度发生昼夜更替，从 而导致气温日变化。一天之中，最低气温出现 在日出前后，直至午后2点左右达到最高。 同一地点的气温因 地球公转引起的季节变 换而发生气温年变化。 气温的年变化通常用多 年来各月平均气温的变 化来表示。
三、大气wk.baidu.com热状况
(一)大气的受热过程 大气的热量分布状况是产生各种大气现象 的根本原因。炽热的太阳以电磁波的形式源 源不断地向宇宙空间放射能量称为太阳辐射
太阳辐射是地球表面最主要的能量来源。
太阳辐射的能量主要集中在波长较短的可 见光部分，所以被称为短波辐射。
图2－2 太阳辐射能随波长的分布
平流层中的臭氧能强烈地吸收波长较短的紫外 线；对流层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波 长较长的红外线；但能量最多的可见光却很少 被大气吸收,能够穿透大气射到地面上来。大气 直接吸收的太阳辐射能量是很少的(约为19%)。