地球表层系统与演化

地球表层系统与演化

什么是水的“极性”，在地球系统里有什么重要性？

水由两个氢原子和一个氧原子所组成的水分子，呈非对称分布，由于水分子的电子云分布决定了水分子呈共形状，略作V字形。氧原子居于中心，两个氢原子位于类似正方体之一个面的两个对角。H—O—H之间的角度（也就是V字形结构之角度）为104°31′，而不是真正的正方体所应有的109°30′。氧和氢原子的分布使水分子显示出了一个带负电区，能吸引邻近水分子中氢原子的局部正电区，借此力量把水分子互相连接起来，这就是水分子所表现出来的“极性”。由于水的极性，是水不轻易汽化。在水成液态时，水分子之间会形成氢键，它的量级介于微弱的“分子间力”（即范德华力，约为0.6千卡/克分子）和典型的离子键能（几十千卡/克分子）之间，水分子氢键键能为4.5千卡/克分子。这就是为什么水的比热比别的液体都大。水在汽化是的潜热也是液体中最大的，在20℃时，每蒸发1克水需要585 卡的热量。蒸发时需要消耗大量热量，反过来在凝结时也要放出相同的热量，是能量变化的巨大转换器。潜热是热带地区大气传送热量的主要途径。此外，除水银之外，水的导热系数在一切液体中也是最大的。水的介电常数比任何其它物质都大，例如离子在水中要得到和空气中相同的吸引力，那么它们在水中的距离应降低为空气中距离的九分之一；水的表面能力在已知液体中是最大的。

水在地球系统中，是一种最活跃的物质，是地球生物赖以生存的重要资源之一。虽然对整个地球系统而言，水所占的质量相当少，但，由于水具有极性以及氢键，使得水在地球系统扮演着重要的角色。水是地球系统中物质运输的基本手段，物质的风化和搬运，化学元素的迁移，各种生命活动和生物过程，都有水的参与，可以说，地质循环、大气循环和生物循环都离不开水的循环。

在海洋、大气、陆地之间循环，在气候系统的能量传递和物质运输过程中发挥着至关重要的作用。在太阳系中，虽然水不止在地球上存在，火星早期有流水的活动；木卫二冰层被冰层覆盖，推测其冰层下有50000m深的海水；土卫二表层有喷射水汽与烃类的迹象，但是只有地球上存在水的三相。而在全球气候系统中，气候过程的关键也在于水的三相转换。水是能量的主要运输载体，通过三态之间的转换吸收和释放能量。

水汽主要赋存在大气中，主要来自地表水体、土壤的蒸发作用和植物的蒸腾作用。海洋面积占地球表面的约71%，整个海洋中水的储量占全球的97%，大量水汽从海洋中蒸发。海洋是大气中水汽的主要来源，也是水循环的主要驱动者。它更是大气所需能量的主要来源之一。蒸腾作用是植物中水的主要过程。蒸发后的水汽进入大气，除部分以降水形式降落，大部分被大气环流由海洋传输到陆地、由低纬地区传输到高纬地区。大气中的水汽降落到地表汇聚，形成湖泊、河流、地下水等，再由河流进入海洋。水汽形成降水时释放出大量热量，使海陆之间温差不至于很大。对于高低纬，除了大气传输的水汽的能量和物质传输之外，液态水起到了关键作用，即大洋环流的传输。除此之外大气和海洋界面、海水与海底界面、海洋与陆地的直接物质交换，水都发挥着重要功能。水作为搬运介质、溶剂、生物化学反应的参与者等等，在地球表层系统的风化作用、化学过程和物质搬运等以及碳循环在生物地球化学过程发挥了至关重要的作用。