地球外部圈层系统

地球的外部圈层系统，是指环绕着地球表层的各组成部分。根据其性质和状态的不同，可分为大气圈、水圈和生物圈。

(一)外部圈层形成过程

地球内部增温，不仅造成地球内部圈层分异，同时也是地球外部圈层产生的过程。原始太阳星云的氢和氦，作为地球的第一代大气，在地球形成时已散逸。由于地球内部增温，被禁锢在地球物质中的气体氨、甲烷、水汽、氢、氮、一氧化碳、二氧化碳和一些含硫的气体被释放。从当今的火山爆发可以证实这些气体是来自地球内部。后来地球的引力已经较强，除氢、氦这两种轻元素外，其他元素很难向空中逃逸，所以从火山喷出的气体便被地球吸留住。

同时，部分水汽在太阳辐射的光解作用下分解为氢和氧，氢的热运动速度超过地球的引力，逐渐逃逸。游离氧与甲烷、氨、一氧化碳合成二氧化碳和水汽。这时地球的大气成分是由甲烷、氨、氮、水汽和二氧化碳所组成的第二代地球大气。约在20亿年前海中出现绿藻，4亿年前绿色植物在陆地上大量繁殖。由于绿色植物的出现使地球大气成分又逐渐发生变化。绿色植物的叶绿素在太阳光照射下进行光合作用，吸收二氧化碳，制造有机物并放出氧(图1-12、图1-13)。经过长期的演变，现代大气的组成是氮占78%，氧占21% ，其他气体总共为1%，成为地球上的第三代大气。地球的大气圈厚达3000km，但主要质量集中在贴近地表约十余千米厚的对流层中。

图1-12 地球的大气圈

地球不但是太阳系中唯一具有水圈的行星，而且在特有自然条件下产生了生物。据统计，地球上的生物约有200余万种，其中动物100余万种，植物几十万种，还有10多万种微生物，它们广泛地分布在大气圈的下层、水圈、土壤以及岩石圈浅部，上限达大气对流层顶部，下限达地壳，深达3km(甚至更深)，但大量生物生长集中在地表至5～6m深的地方，一切栖息于地球上的生物共同联系形成了一个整体圈层，叫“生物圈”。

图1-13 大气圈的CO2运动

(二)大气圈

八大行星中，水星因质量过小，不能吸住气体;火星和金星的大气则类似于地球初期的大气，以二氧化碳为主;类木行星的大气为原始星云所具有的气体，即氢和氦，地球具有目前以氮、氧为主的大气圈，是它在一定的自然条件下演化的结果。大气圈是由包围在地球表面的气体组成的圈层。其总质量约为5.14 ×1021g，虽然仅约占地球总质量的百万分之一，但是对于地球表面的变化，对于人类乃至整个生物圈，有着重大的影响。

大气圈的厚度大约几万千米。由于地球内部引力的吸引，大气圈中的大气密度以地表附近最大，随高度增加而明显减小，最后逐渐过渡为非常稀薄的星级气体，因而大气圈没有明显的上部边界。根据气温的垂直变化，由下而上可将大气圈划分为对流层、平流层(或称“同温层”)、中间层(或称“中层”)、暖层(或称“热层”“电离层”)、散逸层(或称“外层”)。与人类和地质作用关系最为密切的是对流层和平流层。平流层以上依次有中间层、暖层和逸散层。由于其对地表地质作用的影响较小，故不做介绍。

1. 对流层

对流层是指从地表到平流层底的空气层，赤道地区厚度最大，约17km，两极最薄，约为9km。由于靠近地表受地球内部引力吸引，其集中了整个大气圈中大气总质量的3/4。主要成分为氮和氧(约98.5%)，此外还有少量的二氧化碳、水汽和固态物质。氮是植物制造蛋白质的主要原料之一。氧是生物生命活动的重要条件，也是促进岩石等氧化分解的重要成分。

二氧化碳平均含量为0.03%，分布在大气圈最底层，主要来自有机物的氧化和生物的呼吸，它强烈吸收地面长波辐射并放出热量，因而对地表起着保温的作用。同时二氧化碳也是促进岩石分解的重要因素之一。但是，如果二氧化碳排放量过大，大气中二氧化碳含量明显升高，地球表面的温室效应将会变得越来越严重，并因此严重影响地表的生态和地质作用环境。除了病虫害增多之外，还将引起海平面升高、气候反常、海洋风暴增多、土地干旱和沙漠化面积增大。

水汽的含量变化很大，一般为0～4%，主要来自水圈的蒸发，它润湿大气，保持大气的湿度。常年湿度大，即降水量明显大于蒸发量的地区为潮湿区;常年湿度小，即降水量明显小于蒸发量的地区为干旱区;常年湿度介于两者之间的地区为半干旱地区。水汽也能吸收地面长波辐射的热能。水汽在物态变化过程中会释放或者吸收热量，从而使地表昼夜温差减小，保持大气和土壤的温度。水汽还可以空气中的固态物质为核心，凝结成云、雾、雨和雪等。

固态物质主要是由火山或风吹扬起的尘埃和燃烧的烟粒等组成。这些固态物质除了作为水汽的凝聚中心之外，还能减弱太阳对地面的辐射强度。不过，对流层中过多的固态物质，会造成雾霾。由此可见，对流层中的这些物质都直接或间接地影响着外动力地质作用。

对流层的温度主要来自地面辐射热(地面吸收了太阳的短波辐射，而后以长波形式辐射出来)，因此气温随高度而递减，平均每升高100m降低0.6℃，所以地面气温高而高空气温低。由于地表各处吸收的太阳辐射热不均匀，导致地面各处大气密度的差异，从而引起气压差。气压差促使大气由气压高处流向气压低处，形成大气的对流。大气对流是对流层的最重要特征，是产生风、霜、雨、雪等各种气象变化的主要原因。对流层直接影响大气圈下的生物生长和对地球表层的改造，是大气圈中形成地质作用的主要圈层。

2. 平流层

平流层是自对流层顶部到约50km高空的大气层，它的特点是大气以水平移动为主，其温度基本上不受地面温度的影响，而是随高度的增加而增至0℃以上。增温的原因是由于平流层中存在大量的臭氧，臭氧吸收太阳紫外辐射而使气温增高。由于平流层中臭氧能吸收太阳辐射的紫外线，所以成为了生物的天然保护层，使生物免受强烈紫外线的伤害。在平流层中水汽和尘埃含量很少，没有对流层中那种云、雨等天气现象。

(三)水圈

因火山作用喷发出水汽、甲烷和氨等气体。其中，甲烷和氨经氧化再形成水汽，这些水汽加入到大气中形成云，再冷却凝结成雨，降落地表。地壳低凹处的大量积水，经过漫长的地质年代形成了海洋;集聚在大陆上的水形成江、河、湖泊以及地下水和冰川。地表水、地下水和海洋息息相通，可以看作是连续的水层。这就形成了这个行星上特有的水圈。液态水存在的温度条件是0～100℃，地球表面平均温度为15℃，所以能保存水圈。金星和火星也有少量水，但金星的温度过高，其上的水只能以水汽形式存在于大气中;火星因温度过低，水只能以薄冰覆盖在其两极表面。

水圈由地球表层的水体组成，包括河流、湖泊和海洋等地表液态水，也包括以固体形式大片分布于两极和高山地区的冰体，还包括地壳表层岩石及土壤空隙中的水及其汇集的地下水体。地表水在太阳辐射能的作用下大量蒸发，形成水汽进入大气圈的对流层，在一定的条件下凝结成雨、雪等降落到地面。落到地面的大气降水在重力作用下沿地表和地下流向海洋。由于地形等因素的影响，形成了海洋、河流、湖泊、冰川、地下水等不同特征的水体。这些水体在运动过程中不断改造地表，形成不同的相关地质作用。同时，水圈也为生物的生存、演化提供了必不可少的条件。

(四)生物圈

地球上的生命是在一定的自然条件下，经过漫长的岁月从非生命物质发展成为具有新陈代谢机能的蛋白体——原始生命而开始的。地球早期的无机物质通过物理化学的途径，形成简单的有机化合物，如甲烷。简单的碳氢化合物在紫外辐射、放电等作用下和原始大气中的水汽、氢、氨、二氧化碳、氮、硫化氢等发生作用，开始形成低分子的有机物，如氨基酸、嘌呤、醣、脂肪酸、卟啉等，再经过多少万年的发展产生出高分子的有机物质——蛋白质(包括酶)、核酸等。在适当的温度、引力、光照条件下和液态水参与中，以蛋白质、核酸组成的多分子体系可能像一种胶质小球漂浮在原始海洋中，那里不但有水作为简单有机体的发展原料，而且有机体在水中可以免除强烈的太阳紫外辐射的破坏。高分子有机质——蛋白质核酸体系再发展成具有新陈代谢作用的蛋白体，完成了非生命体向生命体的转化，即化学过程向生命过程的转化。

1959年我国科学工作者用氢、甲烷、氨、硫化氢和水蒸气通过火花放电，人工合成氨基酸，它是组成蛋白质的基本单位。1965年我国合成具有生命力、由多种氨基酸组成的大分子蛋白质胰岛素。1981年又合成核糖核酸。这就证明了生命是在一定条件下由无机质转化而成的，是自然界演化的结果。原始生命产生后，由简单向复杂、由低级向高级演化，由海洋发展到陆地，形成了丰富多彩的、生机勃勃的地球生物圈。

生物圈是地球表层生命物质(动物、植物和微生物)组成的圈层。生物分布很广，在大气圈中的10km高空、地壳深达3km(甚至更深)以及水圈中的深海底部均有生物生存，可见生物圈与大气圈、水圈和地壳之间没有截然分开的界限。生物在地球上分布虽然很广，但大量生物则集中在地表和水圈中，特别是在阳光、空气和水分充足而温度适宜的地区生物更为集中。与生物作用有关的地质作用，既有植物的根劈作用和微生物参与的风化作用，也有植物、动物和微生物参与的沉积成岩作用。