环境科学概述

第一节　环境科学概述

“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，这是我国古代学者尸佼（公元前4世纪）为宇宙所下的定义，和20世纪爱因斯坦提出的宇宙是时间与空间统一体的观点不谋而合。可以认为，是我国学者在世界上首先提出了科学的宇宙观。

作为宇宙中极小分子的地球，有其空间与时间上的形成与演化过程。人们对这方面的认识也有一个漫长的递进的过程。

到18世纪，欧洲处在剧烈的社会变革时期，工业革命高潮正在形成，生产技术的发展刺激着自然科学的进步，大量观测与实验材料的积累给自然观的革命奠定了坚实的基础。

恰在这时，由德国哲学家康德与法国数学家拉普拉斯先后独立提出关于地球起源的第一个科学的天体演化理论“星云假说”。康德星云说的重要意义在于给当时占统治地位的形而上学思维观念打开了第一个缺口。

这种假说认为地球的形成是由星云状物质凝聚的结果。这种星云由尘埃与气体质点构成。原始的星云体积很大，当初曾经散布在整个太阳系所占据的空间；星云中质点分布是不均匀的，有的空间较密，有的空间较疏，在引力收缩过程中，星云范围内的大部分物质向中心集结，逐渐形成了具有一定形体而且开始发光的原始太阳。与此同时，环绕在原始太阳周围的稀疏质点由于互相碰撞，向原始太阳的某一轨道面集中，而后凝聚为环绕太阳旋转的、包括地球在内的各个行星。

星云假说虽然有其科学与合理的方面，但因这种假说单纯地建立在牛顿力学基础上，不可避免地含有形而上学因素。

随着科学技术的进步，人们的思想认识在不断发展，迄今提出过的太阳系演化学说已有40多种，有代表性的为俘获说、灾变说，星子说等。这些学说也各有其合理部分，但其中大部分是以现有的事实为基础，又提出一些任意的假说，这样的思想方法不免带有很大的片面性。

无疑，探索太阳系及地球起源的问题确实是有许多困难，因为这是遥远年代前的事，没有人目睹其事。在前人思想与学识的基础上，现今人们确实地认为，在约46亿年前，距太阳约1．5亿千米处就已存在着具有固态外壳的地球实体。地球形成初期，由于引力收缩产生能量，使这个初生天体变得十分炽热，当然谈不上有大气、海洋、花草鸟兽以至于人类存在。

在地球形成之后的漫长的地质年代，位于宇宙空间的地球逐渐冷却，内中物质同时发生分异作用，使地球逐步分出了不同的圈层，即在地球内部形成了三个同心排列的圈层：地核、地幔与地壳。打个比方说，地球就像一个煮熟的鸡蛋，其中的蛋黄、蛋白与蛋壳就分别相当于地球内部三个不同的圈层。

地球内部的三个圈层位于不同深度，具有不同物理性质。地球内部的密度、压力与温度都随着深度的增大而增加。

地核处于地球中心部（即深度超过2900km的地层），压力达30多万MPa，温度可达2000℃以上。它的主要成分中可能有铁与镍，所以有十分大的密度。地幔是紧紧包在地核外面的一圈，因为它夹于地壳与地核之间，也称中间层。地幔厚度大约有2900km，其密度与整个地球的平均密度比较接近。在上下地幔层之间有一个软流层，在这里集中着大量放射性物质，所产生的蜕变热使地层呈局部熔融状态，被认为是岩浆的发源地。

地壳是地球最外面的一层，其厚度各处不一，最薄的只有5～6km，最厚的地方有70～80km，平均是33km。由地壳与地幔顶部坚硬岩石构成了厚度约70～100km的岩石圈。

此外，在地球上还分异出了水圈与大气圈。水圈包括地球上的海洋、江河、湖泊、冰川等，按其体积大约占整个地球的千分之一。包围在地球最外面的一层气体就是大气圈，厚度从地面到高空1000～3000km。大气圈越离开地面越稀薄，100km高空的大气密度约是地面的百万分之一。地球上有了水与空气，给生物的发生与发展提供了条件，于是在地球上又形成了生物圈。整个人类的社会活动几乎都是在地球表面的生物圈内进行的。

地球各圈层形成之后，也并不是彼此孤立、静止不变的，而是相互制约、相互渗透、相互影响，不断发展与变化的。原始大气中主要成分可能是H与He，通过聚变反应部分转化为重元素C、N、O，再通过化学反应生成甲烷、氨气与水等。此后发生的各种演化过程（特别是长时期的光合作用），使大气圈成分发生了进一步变化，逐渐形成了今天地球大气圈所具有的成分。

最初海洋中也没有这么多盐分，由于河流的搬运作用，把地面上的可溶性盐类带入了海洋，通过年长日久的贮积，使海水中含盐量越来越多，达到了现今的水平。地壳也是一直不断地运动着。

近代的地质观测显示，地壳是由“漂浮”在地幔之上的一些板块构成的。这些板块的互相推碰或互相靠拢以至于剧烈碰撞，是一切地壳运动现象的根源。例如，古大陆的分裂，迄今所发生的大陆漂移以及当前发生的火山爆发与地震活动等，全都由这些板块的运动所引起。地壳上连绵不断的山脉与纵横交错的河流也都是地壳运动的产物，它们都各有其发生与发展的历史。

生物圈也是在长时期内渐次演变的，而且和地球表面上的环境变化紧密的联系。通常人们将整个地质历史划分为五个代与十几个纪，最原始的生物发生在太古代晚期，在此后的漫长时期中，生物不断地由低级向高级发展。在距今约7000万年的新生代，哺乳动物、鸟类与被子植物开始繁衍昌盛，只是在新生代最晚一个阶段，即第四纪出现了人类，因此人类不过有大约100万年的历史。

地球的产生与演化过程告诉我们，整个地球有着漫长的历史，生物的出现与进化只不过是其中的一小段，而人类的历史更是短暂的“瞬间”。