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1、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展導論,第二章地球的生態(tài)自然環(huán)境,地球是太陽系的一員，據(jù)考證誕生于于46億年以前。地球有著復雜的圈層結構，包括大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈等。而人類就生存于這些圈層結構之一的生物圈之中。,第二章 地球的生態(tài)自然環(huán)境,第一節(jié) 地球的內部構造和元素組成 第二節(jié) 地球環(huán)境的圈層構造 第三節(jié) 地球各圈層與人類的關系,第一節(jié) 地球的內部構造和元素組成,地球從中心起，由地核、地幔和地殼構成球對稱的層構造。其化學組成能夠從構成地殼的主要巖石的產出頻度及其平均化學組成推斷。,一、地球的內部圈層,借助于地震波的研究，我們可以來研究地球的內部圈層結構。,地幔,地核,,地殼,,1、元素組成的百
2、分比,2、地殼分層及物質組成,,硅鋁層：組成、密度,硅鎂層：組成、密度,3、地殼的結構特點,,厚度,硅鎂層分布是連續(xù)的,硅鋁層在大洋底部罕見.,（一）地球內部圈層地殼,不均(厚度變化規(guī)律),（二）地球內部圈層地幔,1、位置： 地殼與地幔之間,或莫霍面與古登堡面之間.有上地幔和上地幔之分，（距離地球表面2900千米以上）,2、組成物質： 主要由含鐵、鎂的硅酸鹽類礦物組成，越往下鐵、鎂的含量逐漸增加.,3、特殊圈層： 1）巖石圈包括地殼和上地幔頂部（軟流層以上），它不是完整一塊，而是被斷裂帶分割成六大塊 。 2）軟流層是在上地幔上部,可能是巖漿的主要發(fā)源地之一。,（三）地球內部圈層地核,1、位置
3、： 地球的核心部分，即古登堡面所包圍的球體.,3、組成物質： 高溫高壓下的鐵和鎳，外核的物質呈液態(tài)或熔融狀態(tài)，內核一般認為是固態(tài).,2、分層： 外核與內核（以地下5100千米為界）.,火山正在噴出大量濃煙,二、地球的原生生態(tài)環(huán)境問題,巖漿從裂開的地殼慢慢流出來,火山巖漿直沖云霄,整個山被巖漿染得通紅,火山直迫住宅區(qū),火山爆發(fā),海嘯,地震,臺風,第二節(jié) 地球環(huán)境的圈層構造,人類生活的地球不是一個均質體，具有明顯的圈層結構。地球生態(tài)系統(tǒng)可以看成為由大氣圈、水圈、土壤圈、巖石圈以及生物圈所構成。,一、地球各圈層的發(fā)育,地球在大約46億年前形成的時候，是一個炙熱的大火球，還沒有圈層的分化。,地球外面包
4、圍著原始大氣，主要由氫氣、甲烷、氨氣和水蒸氣等組成，是一個還原性的大氣圈。我們今天所見的地球各圈層，是經歷了億萬年的發(fā)育才形成的。,,水的出現(xiàn)地球發(fā)育史的第一個重大事件,大約在38億年以前，在某種機制的作用下，地球上出現(xiàn)了水。水分的蒸發(fā)和降雨，降低了地表的溫度，產生了河流、湖泊和海洋， 構成水圈，為地球生命的出現(xiàn)創(chuàng)造了最基本的條件。,2. 生命的出現(xiàn) 地球發(fā)育史的第二個重大事件,一般認為生命起源于海洋，因為當時還原性的大氣圈還不能向地球提供必要的保護，使之免遭強烈紫外線的襲擊。頻率高達1022Hz的太陽輻射足以毀滅一切生命，除非這些原始生命處于海洋水層的保護之下。 早期細菌通過發(fā)酵作用取
5、得能量，并在生命過程中放出二氧化碳，逐漸改變了原始大氣的組成。到大約20億年前，出現(xiàn)了更為進化的細菌和藍藻等生物。從此，開始了一種新的生命過程光合作用，大氣圈中首次出現(xiàn)了氧氣。,光合作用,在綠色植物、海藻、藻類和某些細菌中，以光作為能量來源，用二氧化碳和水合成碳氫化合物的過程。大部分形式的光合作用都釋放氧氣作為副產品。,3. 含氧大氣圈的形成,經過大約4億年的積累，到距今16億年以前，一個含氧的大氣圈終于形成。性質極其活潑的氧氣對大氣圈進行了一場“氧革命”，導致還原性的原始大氣逐漸向含有二氧化碳、水和臭氧的氧化性大氣轉化。這一過程不僅進一步改變了大氣圈的組成，而且臭氧在高空的積累逐漸形成了保護
6、地球的臭氧層，為更高等的海洋生物進化和生命登陸創(chuàng)造了條件。,4. 生物圈的進化,12億年前出現(xiàn)最早的真核細胞； 5億年前出現(xiàn)海洋無脊椎動物； 4.5億年以前，在溫暖濕潤的河口地帶，一種叫做頂囊蕨的植物開始登陸。 2億年前哺乳動物出現(xiàn)。 在這漫長的歷史長河中，由于地殼的變化、氣候的變異和其他種種原因，有些物種消亡了，新的物種產生了物競天擇，適者生存的自然法則。,生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng) 今天，大約有500萬至5000萬種生物組成了五彩繽紛的生物界，構成了包括人類在內的生物圈。包括從海平面以下10km到海平面以上9km的范圍。在這個范圍內有正常的生命存在，生態(tài)系統(tǒng)內部不斷進行著物
7、質、能量和信息的交換和循環(huán)。,5. 巖石圈和土壤圈的形成,生物的出現(xiàn)，將大氣圈中大量的二氧化碳轉移至巖石圈中，形成了大量的碳酸鹽巖石，不僅改變了巖石圈的組成，而且生物與巖石風化物的相互作用，在地表上形成了土壤?？梢?，土壤圈的形成是與生物圈息息相關、互相促進的。,從地球各圈層發(fā)育的過程中，我們看到了生物的能動作用?？梢院敛豢鋸埖卣f，地球今天的面貌是生物創(chuàng)造的。愛護和保護生物圈，就是愛護和保護地球的現(xiàn)在和未來。,二、大氣圈,大氣圈是是在生命活動參與下長期發(fā)育而形成的。 1、大氣圈的結構： 按照氣溫隨高度的變化規(guī)律，將地表以上的大氣圈層劃分為：對流層、平流層、中間層、熱成層、散逸層。 2、大氣圈
8、的總質量： 估計在5.21015t，相當于地球質量（5.9741021t）的百萬分之一。在地心引力作用下，大氣的質量主要集中在大氣圈的下部，其中50%幾乎在距地表5km以下，75%在10km以下，90%在30km以下。,大氣圈的分層---對流層： 對流層位于大氣圈的最下層，平均厚度為12km，是大氣圈中最活躍的一層，存在強烈的垂直對流作用和水平運動。對流層的一個重要性質是大氣溫度隨高度增加而下降，其平均遞減率為-6.5/km。,大氣圈的分層---平流層： 平流層位于對流層頂至大約50km的高度，也叫同溫層。其下部有一等溫層。上部溫度隨高度增加而上升。,大氣圈的分層---中間層： 中間層位
9、于平流層頂?shù)酱蠹s80km的高度，溫度隨高度增加而下降。,臭氧層破壞,大氣圈的分層---熱成層： 熱成層位于中間層頂以上，有稱增溫層或電離層，溫度隨高度增加急劇上升，直至100km高度。該層空氣分子在各種射線作用下大都發(fā)生電離，成為原子、離子和自由電子，電離層之名因此而得。,大氣圈的分層---逸散層： 逸散層位于熱成層之上，也稱外大氣層，是大氣圈的最外層，大約延伸至800km的高度。這里大氣極其稀薄，地心引力微弱，大氣質點之間鮮有碰撞。有些運動速度較快的質點完全擺脫地球引力而逸入宇宙空間。,大氣圈的分層,三、水圈,海洋和陸地上的液態(tài)水和固態(tài)水構成一個大體連續(xù)的圈層覆蓋在地球表面，稱為水圈。,
10、它包括江河湖海中一切淡水、咸水、土壤水、淺層和深層地下水以及南北兩極冰帽和各大陸高山冰川中的冰，還包括大氣圈中水蒸氣和水滴。,甘肅金塔沙漠邊緣的綠洲，鴛鴦池水庫,地球上海洋面積占全球面積的71%，含鹽的海洋水占全部水資源的97.3%，人類難以直接利用。,2.7%的淡水中，又有68.7%是以冰川和冰帽的形式存在于南北極和高山地區(qū)，亦難以被人類直接利用。,天湖：成都至拉薩,四、土壤圈,土壤是地球陸地上能供植物生長與繁殖的疏松表層。除了江河湖海等水體和兩極冰蓋與高山冰川覆蓋的地區(qū)以外，幾乎都有土壤存在。各種土壤在地球表面形成一個斷續(xù)分布的圈層，覆蓋于巖石圈之上，其厚度由幾厘米至幾米不等。,五、巖石圈
11、,巖石圈是人類生存環(huán)境中最下面的一個圈層，又是地球內部各圈層的最外層。本課程將巖石圈看作地殼的同義語，包括地球最外層的巖石、風化殼。平均厚度為33-35km。,六、生物圈,生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，包括從海平面以下10km到海平面以上9km的范圍。生態(tài)系統(tǒng)內部不斷進行著物質、能量和信息的交換和循環(huán)。歷經30億年的發(fā)展歷程。,,,30億年前出現(xiàn)原始細菌開始， 20億年前出現(xiàn)了能進行光合作用的固氮生物， 約16億年前形成了含氧氣的大氣圈。 7億年前出現(xiàn)了多細胞生物。 5億年前出現(xiàn)無脊椎動物。 2億年前出現(xiàn)哺乳類動物。 在這漫長的歷史長河中，由于地殼的變化、氣候的變異和其他種種原因，有些物種消亡
12、了，新的物種產生了，形成了今天五彩繽紛的生物圈。,第三節(jié) 地球各圈層與人類的關系,在茫茫宇宙中，地球是迄今發(fā)現(xiàn)存在智能生物的唯一天體?？茖W研究發(fā)現(xiàn)，這決不是偶然的，而正是在于地球環(huán)境的獨特構造。,一、大氣圈與人類的關系,地球大氣的主要成分是氮和氧，這種組成在太陽系八大行星中非常特殊。 恒定組分：包括氮、氧、氬、氦、氪、甲烷、氫、氙等，這些氣體之間的比例，從地表到90km的高度范圍內都是穩(wěn)定的。 非恒定組分：包括二氧化碳、水汽、二氧化硫、臭氧等。此外，大氣中含有一些固態(tài)和液態(tài)雜質，主要是火山、地震、巖石風化、森林火災和人為活動產生的煙塵、硫化物和氮氧化物等。,氧氣的作用： 目前下層大氣中氧氣的濃
13、度為21%，這是億萬年來生物圈進化 與大氣圈相互作用的結果。 30億年前，大氣圈中氧濃度只有現(xiàn)在的千分之一，原始的生命為了躲避紫外線致命的傷害，只能存在于水下10m深處。 到距今6億年時，氧濃度達到現(xiàn)水平的百分之一，出現(xiàn)了臭氧的保護， 生命開始出現(xiàn)。氧濃度達到現(xiàn)水平的十分之一，臭氧的濃度進一步增加，生命才能從海洋登上陸地，這是生命史上的第二個關鍵濃度。,大氣中氧濃度下降，則不僅生活在高海拔的人會經受高山反應之苦，而且氧化反應受到抑制，燃料燃燒產生的一氧化碳等有毒氣體將積累在大氣圈。 大氣中氧濃度增高，譬如從現(xiàn)有的21%增高至25%，則雷電就能把嫩枝和草地點燃，造成連綿不斷的火災，使全球植被遭到
14、破壞。 目前還沒有觀測到大氣氧濃度的這種戲劇性變化。然而，作為大氣微量組分的一些氣體濃度已經發(fā)生實質性變化則是不爭的事實。其中最引人注目的是CO2和O3等氣體濃度的變化。,一定濃度CO2的存在，對地表溫度的調節(jié)至為重要。因為CO2和某些氣體 一樣，具有能讓太陽輻射中的短波輻射通過而吸收地表長波輻射，從而使地表增溫的效應，即所謂溫室效應，此類氣體稱為：溫室氣體。若無這些溫室氣體的存在，有關計算推斷地球的年平均溫度應為-18攝氏度，而不是現(xiàn)在13-15攝氏度。就是說，天然的溫室效應 使全球溫度上升了31-33攝氏度。,大氣圈中另一種敏感的微量組分是甲烷，俗稱沼氣。目前，其濃度低于百萬分之二。如果其
15、濃度過高，在現(xiàn)有的氧濃度下就會因閃電而燃燒。更為重要的是，甲烷的溫室效應比二氧化碳強300多倍，它所造成的增溫作用占全球人為增溫作用的1/4。天然沼澤和人工的水稻田是產生甲烷的主要場所。有人認為反芻動物產生的甲烷可能是大氣圈甲烷的重要來源之一。為此美國科學院專門 立項研究牛群打嗝所排出甲烷對大氣圈的影響，成為環(huán)境科學研究的趣聞。,大氣圈各組分之間保持著精細的平衡，這是地球環(huán)境億萬年來發(fā)育的結果。保持這種平衡乃維護生物圈所必需，破壞這種平衡就是破壞生命的基礎。然而，人類社會實現(xiàn)工業(yè)化以來，規(guī)模和強度日益加大的人類活動正在破壞這種平衡，這是人類面臨的重大環(huán)境問題之一。,二、水圈與人類的關系,各種生
16、命起源的假說都少不了水這一要素。如今地球表面的70%以上覆蓋著水，大多數(shù)生物體內水的含量也達2/3以上。研究還發(fā)現(xiàn)，人體血液的礦化度為0.9g/L，與30億年前的海水是相 同的。靜脈點滴用的生理鹽水為濃度為0.9g/L的NaCl溶液，與原始海水一致。在自然界的植物體內，水分含量更高，有些甚至高達95%。這一切都充分表明地球上生命的產生和進化都離不開水。,水對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,水是無色透明的，它允許太陽光中的可見光和紅外線部分透過，給水生植物光合作用提供所需的光能。對生物體有害的短波紫外線則被阻擋在外。這對地球生命的產生和進化起到了關鍵作用，對生活在水中的各種生物也具有重要意義。,水是一
17、種極好的溶劑，為生命過程中營養(yǎng)物和廢棄物的傳輸提供了最基本的媒介。水的介電常數(shù)在所有的液體中是最高的，使得大多數(shù)離子化合物能夠在其中溶解并發(fā)生最大程度的電離，這對營養(yǎng)物質的吸收和生物體內各類生化反應的進行具有重要意義。,水對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,地球最大的空調系統(tǒng)。除液氨外，水的比熱是所有的液體和固體中最大的，為4.18J/(g.)。此外，水的蒸發(fā)熱也極高，在20下為2.4kJ/g。正是由于這種高比熱、高蒸發(fā)熱的特性，地球表面的儲水體，白天吸收到達地表的太陽光的熱量，夜晚又將熱量釋放到大氣中，避免了劇烈的溫度變化，使地表溫度長期保持在一個相對恒定的范圍內。月球表面都是巖石，石頭的比熱只有水
18、的20%，所以月球表面的氣溫變化可以從+120到-150。,水對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義,水在4時的密度最大，這一特性在控制水體溫度分布和垂直循環(huán)中起著重要作用。在氣溫急劇下降的夜晚，水面上較重的水層向水底沉降，與下部水層更換，使得溶解在水中的氧及其他營養(yǎng)物得以在整個水域分布均勻，當水體趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)，水底溫度是4，在這一層中水生生物可以幸存。 冰輕于水。冰的密度比水小，只有0.92g/cm3，可以浮在水面上。這一特性對水下生物具有十分重要的意義。否則，氣溫降低時水面結成的冰會沉入水底，從而導致整個水體完全凍結，給水下生物帶來滅頂之災。,三、土壤圈與人類的關系,土壤圈是與大氣圈、水圈同樣重要
19、的第三大環(huán)境要素。土壤和巖石共同構成了大地，但土壤和巖石是有區(qū)別的。土壤由巖石演化而來，并覆蓋在巖石的表面，土壤與巖石最大的不同在于它具有肥力，即提供和調節(jié)水、氣、熱和營養(yǎng)元素的能力，為植物的生長提供了必要的條件。地球半徑約為6400km而地表土壤的厚度僅為幾十厘米，相比之下微乎其微，但卻正是這薄薄的一層土壤，才使得地球上有廣闊的森林、農田和草場，人類得以從中獲得寶貴的生產和生活資源。,土壤圈的二種原生環(huán)境問題,鹽漬化：當土壤含鹽量達到占干土重0.2%時，作物生長受阻，這種土壤稱為鹽漬化土。當土壤含鹽量達到2%以上時，大多數(shù)作物無法生長，這類土壤就是鹽土。距估計當前世界水澆地的14%受鹽漬化影
20、響。 水澇，即沼澤化：傳統(tǒng)灌溉技術，如溝灌和渠灌，常有過量水分滲至底土，在排水不良的地形部位上潛水位逐漸提高， 使土壤表層和表下層水分過多，造成缺氧環(huán)境，妨礙作物生長，俗稱水澇。據(jù)世界觀測研究所估算，鹽漬化與水澇使世界糧食減產1%，每年減產糧食達10105t之多。,1. 化石燃料 從人類全部歷史來看，化石燃料大規(guī)模使用的歷史尚不足200年。歷史上長期使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸稈和畜糞。進入20世紀以后，煤炭才開始占主導地位。石油更是一個后來者，從1920年起其開采量大幅度上升，開始了能源供應的“石油時代”。從1929年至1971年，世界煤炭產量增長了70%，同期石油產量增長了1000%。
21、,四、人類與巖石圈,2 . 礦物原料 人類利用礦物資源的歷史不算長，大約在公元前6000年人類首次學會從礦石中提取金屬，進入青銅時代。3000年以后，到了公元1709年，英國人達比發(fā)明了用焦炭作燃料熔煉鐵，才進入近代的鋼鐵時代，鋼鐵也成了現(xiàn)代一切工業(yè)的基礎。,總之，巖石圈是人類所需要的礦物原料和化石燃料的儲藏所，其儲量是巨大的。但是，由于人口的持續(xù)增長和技術的迅速進步，對礦產與能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)原料與燃料行將耗竭。如何迅速實現(xiàn)向新材料與新能源的轉變，已經成為關系到人類未來生存與發(fā)展的要務。,五、人類與生物圈,生物圈：指地球上有生命的部分，即地球上所有生物，包括人類及其生存環(huán)境的整體。 生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，在這一生態(tài)系統(tǒng)內部，不斷進行著物質、能量和信息的交換與循環(huán)，其結果對于地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡與人類的持續(xù)發(fā)展有著非常重要的作用。,
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