地球表层系统的时空特性

地球表层系统的时空特性_自然地理学

二、地球表层系统的时空特性

(一)整体性

地球表层系统是一个有机整体，其中的各种现象和过程不是孤立的、偶然的堆砌，而是相互联系、相互制约的。地球表层系统一方面与其外部环境建立了复杂的相互关系，另一方面其内部的各组成要素以及各组成部分(即各自然综合体)之间也存在着复杂的相互联系，这种内部的联系是物质运动的必然结果。组成地球表层系统的各种物质成分存在着自身固有的运动，而且任何一个成分的运动都必然地要与其他成分的运动发生联系，并相互制约。因此，地球表层系统既可以划分出不同的组成要素和组成部分，又总是作为一个统一的整体而存在和发展的。

整体性是地球表层系统内部联系的实质，又是综合自然地理学研究的基本出发点。所谓整体性，是指地球表层各组成部分要素以及各组成部分之间内在联系的规律性。地球表层系统各组成要素或各组成部分相互联系、相互作用，构成一个有机整体；其中某一要素会影响其他要素，某一部分会影响其他部分。其整体性如此严密和具有如此的普遍性，以致“牵一发而动全身”，一旦某一环节发生变化，其他所有环节必将随之发生变化。

例如，第四纪冰后期以来，由于气候转暖，冰川退却，从而引起各大洋海面的升高和海岸的变化，在陆地上引起风化方式和成土作用的变化，以及植被带与相应的动物群向极地移动。又例如，地球表面的热能绝大多数来自太阳辐射，辐射能的54％被大气反射和吸收，它对大气对流不起决定作用。而其中46％的辐射能被地面吸收和反射，从而对地面大气进行不均匀加热。太阳辐射使地表水蒸发和升华，又将这些由地表的液态水和固态水转化的气体输送到对流层中；在地球引力的作用下，大气中的液态水和固态水又以降水的方式落向地面。陆地和海洋的不同加热率形成了季风环流，表面洋流的基本动因又是风效应、地球重力和太阳辐射综合作用的结果。地壳的板块运动和造山运动导致了海陆变迁，火山喷发又影响气候变化和生态环境。在岩石圈表面，太阳辐射和地心引力综合作用，太阳对岩石圈表面辐射的时空不均一性，以及由其提供动能的大气和水的各种形式的运动，使岩石失去稳定性而遭到风化、剥蚀，其岩石碎屑和质点因获得动能克服地心引力而随大气和水一起运动；随着动能的丧失，地心引力又重新占据主导地位，使岩屑和质点获得稳定，在地势较低的地方沉积下来。这种岩石圈表面的物质循环就是地质学中的均一作用，等等。所有环节相互联系，相互制约，最终改变了全球的地理结构。

作为一个有机整体，地球表层系统具有各单独组成要素或各单独组成部分所不具备的统一的结构和功能。因此，不能把个别成分各自特征的组合代替整体的特征，把个别成分各自作用的叠加作为整体的作用。按照系统理论，组成系统的各部分(子系统)之间的相互作用是非线性的，即作用与结果之间不成正比数量关系，而是指数关系，具有一种放大(或缩小)效应，使系统整体大于(或小于)部分之和，这就叫系统的整体效应。因此，处在相互作用关系中的自然要素或自然综合体，某些过程可以得到加强而产生突变，或者遭到削弱而衰减，从而产生了只有作为一个整体才具有的某些性质和特点。

我们知道，自然地理环境具有生产有机物和形成土壤的功能，但是任何一个要素的单独作用都不具备这种功能，只有在各组成要素相互作用着的自然机制内，岩石才可能发育出土壤，裸地才可能滋养出生物。这是整体性的一个突出表现。

强调整体不是部分的总和，并不否定部分对整体的作用。事实上，各自然要素的特征在一定程度上是自然环境整体特征的反映。因为各自然要素的性质和作用是隶属于整体的，同类要素在不同性质的整体具有相应不同的性质和作用。例如在不同地带有不同类型的植被，同类型的植被在山脊和谷地不同环境中有不同生物产量；人类是生物圈的组成部分，受生物圈矛盾的支配；同时，人类从生物圈分化出来组成社会，受社会矛盾的支配。

(二)层次性

地球表层系统由5个大致成层分布的自然子系统组成，它们形成系统的空间序。按照性质可以分成3组，即3个无机子系统：大气圈、水圈、岩石圈；1个类有机子系统：土壤圈；1个有机子系统：生物圈(见图2-1)。

图2-1　地球表层系统的五大自然圈层

由于这5个圈层之间进行着物质、能量和信息的交换，所以，它们都属于开放系统。然而，它们之间的边界不是几何学的线或面，而是逐渐过渡的带或层。在边界附近，各圈层是相互渗透和彼此重叠的。五大圈层之间的联系方式、组织秩序性和空间关系组成了地球表层系统的圈层结构，而每一个圈层内部又有次级的组分和结构，形成一个有层序的整体。这是从空间上认识地球表层系统的结构。

(三)节律性

节律性是自然界一种特殊的循环，它是自然地理过程随时间重复出现的变化。这种变化通常具有不同的周期、振幅、趋势和阶段性。按照变化的周期，可以分为：

1.昼夜节律(Circadian Rhythm)

由于地球绕地轴自转所形成的白天与黑夜的循环更替，使得自然地理过程和现象呈现出以一天大约24小时为周期的响应变化，除了具有极昼和极夜现象的极圈以内的地区之外，地球表层的其余广大地区均具有明显的昼夜节律。

对于昼夜节律反应最为敏感的是大气和生物，主要表现为大气温度、湿度和压力的日周期性变化；绿色植物光合作用和呼吸作用的昼夜交替；动、植物及人体的时辰节律，如植物开花的时钟效应、动物的昼行或夜行习性，以及人体近似24小时的生理节律等。此外，海洋的潮汐也具有昼夜节律。

2.季节节律(Seasonal Rhythm)

由于地球绕太阳公转所形成的地面接受太阳辐射能量多少的季节更替，导致许多自然地理过程和现象出现了以季节(年)为周期的节律变化。对于季节节律的反应最为敏感的是大气、水体和生物，主要表现为大气温度、湿度、降水、气压，以及大气环流等的年周期变化，河湖的冻融和水量随季节的变化，树木的萌芽、展叶、开花、结果、叶变秋色、落叶等植物的物候变化，以及候鸟的往返迁飞、昆虫的休眠和启蛰等动物的物候变化。

3.超年节律(Interannual Rhythm)

超年节律指以若干年为周期的变化，其成因可能与太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、厄尔尼诺和南方涛动等的影响有关。与昼夜节律和季节节律不同的是，地球表层系统所表现出的超年节律性并不具有一个大致相同的周期，而且各种现象出现周期的不确定性相当大，属于一种统计的规律。例如，赤道平流层有时为东风，有时为西风，具有准两年的周期；厄尔尼诺现象(赤道东太平洋海面温度持续异常增暖)具有3～7年的准周期性；英国近200年的树木萌芽日期具有12.2年平均周期；我国长江中、下游干旱和洪涝的发生具有5～6年的周期等。

(四)开放性

系统是一个由相互关联、相互制约的若干要素组成的具有确定结构和功能的有机整体。它具有模糊的或确切的边界，从而与其周围的环境区分开来。系统与外界环境共同构成一个相互包容的体系，任何一个系统都是较高层次的系统的一个组成要素，而系统中任何一个组成要素本身，通常又是较低层次的一个系统，由高低不同、大小不等的系统形成一种层次结构。

在热力学中，根据系统与环境之间的关系将其分为：

①孤立系统——与外界环境没有能量和物质交换。

②封闭系统——可与温度不变的外界环境交换能量而不交换物质，系统温度保持恒定。

③开放系统——可与外界环境交换能量和物质。

孤立系统的边界是完全封闭的，由热力学第二定律可知，函数熵S只能单调地增大，直至极大。此时系统由热力学的非平衡态变为平衡态，即SX(dSdtSX)≥0(等于0为平衡态)，这就是熵增原理。也就是说，在孤立系统中，系统的熵永不减少，对可逆过程，熵不变(dS=0)；对不可逆过程，熵总是增加的(dS＞0)。由于熵愈来愈大，状态只能自发地从非平衡转变为平衡，从有序转变为无序，而不可能逆转。一般来讲，这种系统在自然界是不存在的。

对于封闭系统，其边界在物质交换方面是封闭的，但能量可以在系统与环境之间实现交换。当系统和外界环境同一的绝对温度足够低时，有可能形成低熵的有序平衡结构。在地球上，封闭系统是罕见的，只有在两种特定条件下，方可将它们视为近似的封闭系统。这两个特定条件一是从天体演化的尺度看今天的地球，它目前处在与外界有稳定的能量交换而物质交换可以忽略的状态；二是以短期尺度——日平均的几天和年平均的几年，并且从全球角度讨论能量平衡时，则可将地球接收太阳短波辐射和向太空放射长波辐射视为处于平衡状态。

对于开放系统，系统边界是开放的，在系统和环境之间物质和能量可以自由地交换，系统从环境中输入物质和能量，同时也向环境中输出物质和能量。在这种系统中，物质的传输本身就代表着能量的传输，因为物质通过其组织功效而具有能量。对于开放系统来说，在时间间隔dt内，系统熵的改变dS应由两部分组成：

dS=d_eS+d_iS

其中d_eS为熵流，由系统与外界环境交换能量和物质所引起；d_iS为熵产生，由系统内部的不可逆过程所引起。当熵流d_eS＞0时，系统中从环境中吸熵；当熵流d_eS＜0，并达到相当数量时，可以使系统的总熵减少，有序度提高成为远离平衡态，从而可能出现有序的自组织的耗散结构。

地球在一般情况下都是一个呈现出一种耗散结构的典型的开放系统。

第一，从地球表层系统及其各圈层的本质来看，大气流动、海洋运动和生命过程得以存在和维持，主要依靠太阳辐射提供源源不断的能量。理论计算表明，如果失去太阳辐射，地球大气本身的能量仅能维持一个星期左右；洋流的动力主要来自大气环境底层的盛行风和热盐对流，其能源也直接、间接地来自太阳辐射；地球上一切生命过程的存在，更离不开太阳的光和热。也就是说，地球系统由于接收太阳源源不断的能量(负熵流)，不断抵消地球表层的熵增加和降低系统的总熵，才能形成和维持气圈、水圈、岩石圈、生物圈自组织的有序结构。

第二，从全球来看，到达地球的太阳辐射常数实际上是变化的。1980年2月至7月由SMM卫星观测结果表明，半个月内太阳常数可变化0.15％，全球年平均气温也从20世纪30年代末到1970年降低了0.45℃，表明全球的年平均温度也是有变化的，这隐含了地球与外界的能量交换存在一定的差别。

第三，从南北半球来看，冬半年的太阳高度角较小，得到的太阳总辐射较少；夏半年的太阳高度角较大，得到的太阳总辐射较多。特别是在中高纬度地区，夏半年的辐射量比冬半年要多得多，如60°纬度带和80°纬度带夏半年的辐射量分别为冬半年的4.4倍和41.52倍。显然，对于冬半年和夏半年来说，能量收支是不平衡的。

第四，太阳辐射到地球上的能量有36％被地表云层等反射到宇宙空间中，而到达地球表面的这部分能量在放射到太空时，又由于地表云层等作用而被部分返回地球。另外，由于地球内部放射性元素蜕变等作用也形成流向地表和太空的热流的熵，不但决定了地球大气必然属于开放系统，而且说明此时整个地球处于远离平衡态。

第五，除了与外界的热量交换外，在某些时空尺度上，还存在外界对地球的动量输入，如万有引力、力矩、引潮力、电磁力等，以及与外界的物质交换，如地球历史上曾发生过的小行星和彗星撞击地球、陨石和太阳微粒辐射等。所有这些，都说明了地球表层及其内部圈层是一个开放系统。

(五)稳定性

开放系统具有在一定范围内自我调节的能力，以保持和恢复原有的结构、功能和有序状态。如果没有这种自我调节，任何具体系统的稳定形态都不能够存在。

地球表层系统的稳定性是在以下意义上而言的：

一是在天体演化的尺度上，目前的地球正处在太阳系演化和地—月系统演化的相对稳定、平衡的时期，具体表现在：

①太阳辐射到达地球的能量比较稳定。地球位于日地平均距离处时，地球外层大气上界垂直于太阳光的每平方厘米面积上，每分钟内所接收到的太阳辐射量是一个常数，为8.16J/(cm²·min)，称之为太阳常数。

②地球在太阳系中的轨道运动比较稳定。不仅地球轨道参数变化非常规则，可以精确计算，而且地球与其他行星之间的引力作用已达到相当完美的程度。

二是在地球运动过程中，由于其内部活动与稳定，两种对立因素在相互作用中，稳定一方占优势时出现在地球表层系统活动中的相互稳定状态。地球表层系统各圈层的空间结构、成分、质量、能量收支、运动方式和规律等，也都处在相对稳定和平衡的状态。

在地壳的不断运动和发展中，一个地区在不同的发展阶段表现出活动性与稳定性的交替出现，从而形成了所谓活动区和稳定区。在一定时期内保持相对稳定，这不仅为人类和生物的生存、发展提供了基本条件，而且为我们认识它们奠定了基础。

系统的稳定性是一种开放中的稳定性，开放系统通过把熵传输给环境或把负熵引进系统，使无序的增长得到抑制，使系统的有序得以保持。系统的稳定性又是一种动态中的稳定性，这种稳定只有在与环境之间不断进行物质、能量交换的过程中才能保持。所以说，稳定是相对的、有条件的，而变动则是绝对的、无条件的。地球的存在方式和具体组构都是在稳定与变动的对立统一中实现的。

人们已经发现了地球表层系统几种重要的、处于不同层次上的变动特性。

第一，从地球演化的历史过程上看，地球表层系统发展呈普遍的节律性特征。地球运动变化的节律性，也就是地球在其漫长的演化过程中所呈现出的阶段性。节律性包含了不同时间长短和空间范围的多种运动、变化形式，是这些形式的统一。科学研究表明，地球的圈层结构纵向不均一及其各圈层的横向不均一，是地球表层系统具有节律性变动特征的主要原因。

第二，从地球巨系统演变的方式上看，地球的变动性体现为激变和渐变相互交织的特征。地球存在着以相对用时很短的运动、变化，这在地球的发展史和关于地球运动的认识史上早已是公认的事实。地球系统变动的渐变方式，实际上是与激变方式相互补充并构成了地球完整的运动方式。渐变性的运动是较早地在地学认识领域获得科学和哲学支持的学说。

第三，从地球表层系统物质间的组构关系上看，地表系统的变动性还体现在收缩运动和膨胀运动的对立统一之中。收缩与膨胀不仅是自然固有的客观规律，而且也是地球表层形成、演化过程中两种不同的运动形式，是地壳、褶皱、山脉形成的动力。收缩与膨胀的交替作用，使地球表层系统在时间上表现为收缩—膨胀—收缩的节律特征，在空间上则表现为局部的沉陷和挤压的不均匀分布。

第四，从地球表层系统变动的表现上看，地表系统的变动性表现为多样性的特征。地球运动是一种很复杂的运动，其运动形式不仅表现在地球的基本部分，即地核、地幔、地壳之间的统一和相互作用，还表现在地球表层上的大气圈、水圈、生物圈，特别是有机界和无机界的统一和相互作用，既具有力学、物理、化学、生物的运动形式，又具有以此作为基础运动形式并加以综合的高级运动形式，表现为明显的多层次、多样性和整体性。地球运动的形式不仅是非常复杂的，而且有着多种多样的周期，这些对于地球表层系统的各圈层都产生着重要影响。

(六)均一性

地球表层系统在物质组成、结构构造和运动变化等方面表现出均一性与非均一性的统一。此处的均一性即平衡性或守恒性，而非均一性即不平衡性。

地球表层系统在物质组成上的均一性首先表现为地球在形成早期的均一和平衡。随着地球内外的物质、能量逐渐开始有序循环，从而出现了初步的、以有序的层状结构为特征的早期地球非均一的物质分布。地球表层又进一步打破原来的均一状态而逐渐形成了地球表面广泛分布的水体和笼罩整个地球的大气层。最原始的地球生命也是在均一性与非均一性的转变中形成的。

地球表层系统在结构上的均一性主要表现在地球表层系统空间框架的相对定格或固定。如对流层在0～16km、平流层在16～60km、电离层在60～1000km、磁层为1000km以上，其质量和体积是相对固定的。然而，相对均一的地球圈层结构中却时时发生着非均一的变化。岩石圈中的各组成部分就表现出纵横方向上的不均一性。地震波速在不同地质体、不同构造交接地区和在断裂带两侧表现出的明显差异，反映了地球结构的横向不均一性。地球系统在运动变化上的均一性与非均一性是指地球演化状态的相对匀速和变速运动，这两种运动由于与地质学史上的著名事件(所谓均变论与激变论之争)、几位重要人物(如赖尔、居维叶等)有关而引人注目。事实上，地球表层系统运动变化的均一性与非均一性是共存的、交织一体的和相互转化的。