地球系统的组成

1.1.3　地球系统的组成

1.1.3.1　行星系统

太阳系是由太阳、八大行星和它们的卫星、众多的小行星、彗星和流星体以及行星际物质组成的天体系统。除了太阳之外，此天体系统的主要成员是行星，常称作行星系。太阳是太阳系的中心天体，太阳的质量占整个太阳系总质量的99%以上。太阳系有八大行星，按照离太阳的平均距离由近到远，分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。八大行星绕太阳公转。除水星和金星外，其余行星都有卫星，卫星围绕各自的行星转动。另外，行星和卫星都有自转。

1.1.3.2　地核和地幔

地震波是震源或人工爆炸（如核爆炸）产生的弹性波，在地球内部传播时会因为内部物质密度的不同而发生折射与反射。地震波中的横波只能在固体物质中传播，速度较慢；纵波既可以在固体中传播，也可以在液体中传播，且传播速度较快。人们综合全球地震记录，根据地震波的传播特点，探知地球内部有三大圈层:地壳、地幔、地核。地壳的厚度很不均匀，海洋地壳平均厚度仅约6 km，大陆地壳厚度为20～70km（青藏高原），可粗略地取地壳平均厚度为33 km。地壳以莫霍面与地幔分界。地幔分为上地幔层、过渡层和下地幔层，除地幔上部有一层软流圈是熔融态外，其余部分主要是固态的。地幔底部由古登堡面（地球深处大约2 900km处）跟地核分界。地核分为外核、过渡层和内核，外核是液态的，内核则可能是固态的。

图1.2　地球的圈层结构

（http://www.particle2cosmos.com/home/?action-viewnews-itemid-13）

1.1.3.3　岩石圈

地壳和软流圈以上的上地幔顶部（软流圈是地幔的一部分弱塑性变形区域，是岩浆的主要发源地之一。岩石圈与软流圈的边界，定义在1 300℃等温线。此线以上的岩石圈为刚性变形，此线以下的软流圈为黏滞变形）都是由刚性岩石组成，称为岩石圈（图1.2和表1.1）。岩石圈厚度不一，从不足50km到125km以上，平均约为75km。岩石按成因可分为火成岩、沉积岩和变质岩三类。火成岩又叫岩浆岩，是由岩浆冷却和结晶形成的，占地壳岩石体积的64.7%。沉积岩又叫水成岩，是地表中最多的岩石（占地表裸露岩石的75%），但只占地壳岩石的小部分（7.9%）。沉积岩是其他岩石的风化产物和一些火山喷发物等，经过水流或冰川的搬运、沉积和成岩作用形成的岩石，富含矿产资源（煤、石油、铁、铝、盐类等）。变质岩是由火成岩或沉积岩在物理—化学环境（温度、压力、热液等）改造下形成的，其矿物成分和结构都发生一系列变化（变质过程）。根据成因不同，可将变质岩分为区域变质岩、接触变质岩、冲击变质岩等。

表1.1　地球内部主要物理性质和圈层划分（刘本培，2000）

注:＊软流圈存在部分熔融，地震波在软流圈中传播的波速下降10%左右，形成一个低速区。

1.1.3.4　水圈

地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水以及为深层岩石所封存的液态水以外，海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪、地下水和大气中的水等共同组成了地球上的水圈。地表水约覆盖地球表面总面积的71%，其中主要是海洋覆盖（70.8%）。在地球的全部水中，海洋占97%，陆地水不到3%，大气中水仅占0.001%。陆地水的77%左右在冰盖（格陵兰和南极）和冰川中，其余的是地下水。

水圈中的水分处于不停的运动中，从海洋到大气、到陆地，再归于海洋，形成水循环（图1.3）。在太阳辐射的作用下，地球上的水体、土壤和植物叶面的水分通过蒸发和蒸腾作用进入大气，被气流输送到其他地方。在一定的条件下，水汽遇冷凝结成云致雨，又回到地面。降落到地面的水一部分补给地下水，大部分经流动汇集到江河湖海。在运动过程中，水又重新产生蒸发、输送、凝结、降水和径流等变化。地下水又可以涌出地表成为河流及湖泊的补给水，再经蒸发进入大气。降水、蒸发和径流是水分循环中的三个重要环节。通过水循环，水圈各水体中的水互相交换，不断更新。

图1.3　地球上的水循环（Lutgens等，2004）

地球上各个水体的更新期差别很大。大气中的水更新期一般为9～12天，河流中的水更新期一般为12～20天，潜水面（埋藏在第一个隔水层之上的水称为潜水，潜水的自由表面称潜水面）以上的土壤水更新期一般为15～30天，湖泊水更新期平均为几十年，地下水更新期平均为几百年，海洋水更新期平均为几千年，冰川水更新期长达一万年。

海洋对全球大气环流和许多地区的气候异常有重要影响，通过海—气相互作用来影响大气环流、水循环和气候变化。据估计，达到地表的太阳辐射能约80%被海洋表面吸收，通过海水内部的运动，热量向下传输混合。若仅考虑100 m深的表层海水，其总热量就占整个地球四圈系统（岩石圈、水圈、大气圈、生物圈）总热量的95.5%，可见其在地球系统中的重要性。

1.1.3.5　生物圈

生物圈是地球表层有生命活动的圈层，包括植物、动物和微生物等，并包括所有生物存在的部分岩石圈、水圈和大气圈。生物只在一定的物理环境（大气、水、土壤、阳光、温度等）下才能生存；另一方面生物也起着保护和改变地球环境的作用。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡，气溶胶粒子的产生以及其他气体成分和盐类有关的化学平衡等有很重要的作用。

生物圈的形成是地球外部圈层（大气、水、生物与岩石圈表层）互相作用的产物，反过来，生物圈也可对地球外部其他圈层产生巨大的作用，使其物质成分或面貌发生变化。植被可以随着温度、辐射和降水的变化而发生变化，反过来又影响地面粗糙度和反射率以及蒸发、蒸腾和地下水循环。动物群体变化会影响植物生态和气候变化。人类活动既受大气、水、生态环境的影响，又通过工农业生产和城市建设不断改变土壤、水的利用状况，从而对大气、水和生态环境产生影响，并对气候变化产生影响。人类作为生物圈的特殊组成部分，其活动在现今大气环境的变化中起了重要作用。

1.1.3.6　大气圈

包围在地球表面的大气层称为大气圈。虽然就质量而言，地球大气圈只占地球质量的微少部分，却跟人类生活息息相关。它不仅提供了我们呼吸的空气，而且阻挡了太阳到达地面的有害辐射。大气与地表及其与宇宙空间的能量交换形成了多种多样的天气与气候。如果没有大气圈的存在，不但生命将不复生存，而且地球各圈层之间的许多相互作用和过程也将不再出现，地球将会是一个沉寂而少变的世界。