地表自然界的能量与物质传输

7地表自然界的能量与物质传输

地表自然界是一个整体，它整体性的基础即为物质循环和能量流动。

（1）地表自然界的物质迁移和循环

地表自然界各项物质具有形态和位置发生转变和迁移的周而复始特征。这种迁移和循环以能量作为动力，其中也伴随着能量的传输和转化。循环概念是物质不灭定律的必然推论，在地表自然界，物质不断迁移和转化，但不丧失，大部分的物质迁移和转化按一定的规律重复进行。根据已有的研究资料，地表物质循环可以归纳为四大类型，即地质循环、大气循环、水分循环和生物循环。

地质循环（或称岩石转变循环）：图3-13是将岩石的形成过程概括成整个地质时期物质再循环的统一概念，划分出表层环境和深层环境。深层环境是火成岩（岩浆岩）和变质岩的区域；表层环境是矿物蚀变和沉积物沉积的区域。由风化、输送、沉积、构造四个基本过程的相应联接所控制，形成一个不间断的循环，物质沿着这条“传送带”不断地从深层升到表层，再由表层到深层，进行着往复运动，但它不是简单的重复，其中带有不可逆的成分，或者说具有进化性的特点。

图3-13　岩石转变循环的示意图

另外，地表的土壤也是在循环演进中形成的，但这仅是在地质循环的一刹那（地质循环过程很长），由于它的物质组成以及所处的位置，发生着极有意义的物质转换过程，成为地表有机界与无机界互相关联的一个枢纽部分。

水循环：水循环是以其三态的互变为中心来进行的，并由一系列的阶段和过程所组成。

图3-14表明大气、陆地和海洋形成一个全球性的水循环系统，循环的动力是太阳能。当阳光照射到江河湖海和土壤中时，一部分水就变成了水蒸气进入大气中，大气是全球水循环的关键。水汽完全来源于蒸发，来源于海洋是主要的，假定地球上的总降水量为100单位，来源于海洋蒸发的就占了84单位，来源于陆地蒸发的只占16单位，陆地上包括了雪和冰川的蒸发、土壤蒸发、河流和湖泊蒸发、植被上露水蒸发、降雨水的蒸发等。

图3-14　水循环示意图

水循环是一种连续的运动状态，是地表有机界与无机界相互交换的重要中介，没有水循环，有机生命的存在是不可能的。在水循环的过程中，还产生侵蚀，固体物质和化学元素迁移，使各种溶解物质进行交换，还通过蒸腾作用完成热能的生物传输过程。

大气循环：全球大气环流是大气循环的基本模式，指运动规模比较大、持续时间比较长、变化比较缓慢的大气运动。它反映着大气运动的基本状态和变化特征，孕育和制约着较小规模的大气运动，是各种规模系统形成和发展的基础，是各地天气、气候形成、演变的背景。

图3-15是一幅反映大气环流的基本特征的理想模型图。即时间平均和空间平均图。因为通过时间平均可以把那些时间短暂瞬息万变的环流系统滤掉，显现出存在时间较长的稳定的基本形式；通过空间平均可以把一些规模较小系统滤掉，显现出各纬圈上环流的基本特征。

图3-15　理想的大气环流模型

全球性的大气环流，其形成也是由于太阳辐射能在全球的分布特点造成的。在赤道由于温度高，空气必然产生膨胀上升，在气压梯度力的作用下，赤道上空的空气便向极地流去。在地面，赤道地区为低压，极地地面为高压，于是在低层就要产生从极地流向赤道的气流。这样从高空的由赤道到两极，和从地面的从极地到赤道，气流就构成了南北向的闭合环流。当气流从赤道上空向极地流动时，因受地转偏向力作用，就使得原来的南北向逐渐发生变化，到纬度20°～°30处，气流运行方向就成为东西，于是气流在这里发生了堆积沉降，使得此处形成了一个高压带，即副热带高压。在副热带高压和极地高压之间，有一个相对来说的低压带，称为副极地低压带，这样在副热带地区的近地层，分别形成向赤道和两极流去的两支气流。向赤道流去的一支在北半球为东北风，对应在南半球为东南风，因称为信风带，这就是通称的信风环流圈。从副热带流向极地的那一支气流，称为极地环流圈。而在中纬度处，在南北方向上也构成一个环流圈，称中纬度环流圈，其运行方向与上述的信风环流圈和极地环流圈相反。

以上环流都是相互联系、相互制约的，共同构成了大气环流整体。

大气环流对于重新分配热量水分，调节温度湿度作用极大。同时具有比地质循环、水循环速度快而且交换能力强的特点，是地表物质循环的一个重要环节。

生物循环：在前一节生物部分，已经阐述了生物对于能量的贮存和消耗，对于化学元素的迁移和积累，特别是碳、氮、氧和其他有机成分的循环，都具有明显的作用。这些化学元素，在生物圈里具有从环境进入生物体，沿着食物链而在生物体之间流转，最后以尸体和排泄物的分解而又回到环境中去的趋势。由于这种循环带有全球性，故称生物循环。

生物循环包括三方面的内容：一是生物作为土壤——植物——大气之间的一个联系环节，从而使它成为地表物质能量交换的一个基本通道；二是实现了有机界与无机界之间的转化，特别是生物有机体将太阳能转化为化学能；三是通过生物地球化学过程使化学元素在地表重新分配、分选和集散，不断地改变着水、大气和岩石三个无机圈层的物质组成，使地表物质结构和形态向着更高级、更复杂的阶段演化。

（2）地表自然界能量传输和转化

太阳能（外来能）和地球内能（内生能）在地表物质之间的传递输送以及形式的转变，使得自然界的面貌千姿百态。

太阳辐射能是地表基本的能量来源，它以热能和光能两种形式输入地表系统，遵循能量守恒和转换定律进行一系列的传输和转化。热能的传输和转化主要在无机界进行，热能输入地表后用于增加地面和大气及水体的温度、水分蒸散和循环、土壤的形成过程等，由于热量在地表分布的不平衡性，造成了大气活动、洋流运动以及相伴随的能量传输、地——气、海——气之间的能量交换。与此同时，地球表层系统又将热能以长波辐射的形式输出，返回宇宙空间，完成了收支数量上的热量平衡。光能主要是在有机界进行转化的，通过绿色植物——动物——微生物来实现。

地球内能包括来自地球本身的引力势能和地球内部放射性元素蜕变时产生的热能，它们的传输主要伴随着构造运动、岩浆活动、火山活动和地震活动进行。