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宇宙环境系统 宇宙与天体 一 宇宙与天体人类对宇宙的不断探索 20世纪20年代 哈勃发现红移和蓝移现象 膨胀宇宙三种形态 开宇宙 闭宇宙和临界宇宙人类的有限观测 150亿光年 宇宙中的天体 物质的存在形式 类星体 脉冲星 恒星 星云 行星 卫星 星际物质 以及黑洞等 宇宙的特性宇宙的物质性 基本粒子 微子 宇宙天体结构的系统性宇宙的运动性 宇宙膨胀 天体运动 星体内部运动等 宇宙形成 大爆炸理论150亿年前 90 100亿年前 太阳 太阳系 太阳的半径约70 104KM 是地球的109倍 太阳体积约1 4 1018KM3 是地球的130万倍 太阳的物质组成 H 78 4 HE 19 8 其次为C N O和其他金属等 太阳的能量 太阳辐射 仅1 20亿为地球接受 E mc24H He4 2e 2v r 2 太阳的大气结构太阳 炽热的气体火球内部稠密气体 中心区 核反应区 辐射区 对流区外部稀薄气体 光球 太阳黑子 光斑 色球 耀斑 日饵 日冕 太阳风 3 太阳活动对地球的影响 地球环境系统 地球环境的演化 地球的年龄 地壳年龄约46亿 地球约50 70亿年地球的演化 固体圈层的形成和演化大气圈 水圈的形成和演化生物圈的形成和演化 地质历史 地质年代表 表1 3 1 地球的结构 一 地球的内部结构地壳 大洋6KM 大陆35KM 总平均16KM 康拉德面把地壳上下分为硅铝层 不连续 和硅镁层地幔 莫霍面和古登堡面之间 地核 外核 过渡层和内核二 地球的外部结构 地球的运动 A 地球的自转自西向东 逆时针旋转 北极 恒星日 太阳日和太阴日地球自转速度 角速度和线速度 周期性变化 3 4月最慢 8月最快 B 地球自转的意义产生两极和赤道 形成昼夜变更 形成地方时 使水平运动的物体偏向产生潮汐摩擦阻力造成地球整体自转同局部运动的差异 C 地球的公转恒星年和回归年 春分点 地球公转轨道 接近圆的椭圆 近日点 远日点 平均1 496 108KM 天文单位 黄道面 地球公转轨道面 黄赤交角 23 26 岁差 少公转59 29 D 地球公转的意义太阳直射点的周年变化 南北回归线 正午太阳高度的变化昼夜长短的变化 当地地理纬度和太阳直射点位置有关 四季和五带的划分 参考书目 时间简史 从大爆炸到黑洞 史蒂芬霍金著 许明贤 吴忠朝译 地球 我们输不起的实验室 斯蒂芬 施奈德著 地球系统科学 全球环境变化研究 人类 环境系统 永恒的主题人类 环境系统的演化生态圈 生物圈 智慧圈和人类圈 人类研究地球环境研究的推动因素 作为行星的地球用于实际利益的科学新的推动因素 全球环境变化 人类活动作用 作为行星的地球 用于实际利益的科学 全球环境变化 地球系统科学 三个推动因素 全球观点的出现 过去几十年中三大重大发展向我们揭示 地球是各部分相互作用的综合 整体 系统 对这一系统的研究应当超越学科界限 第一 很多传统学科自身的成熟性 促进了对于各学科间基本联系和相互依赖的认识 海洋学 大气科学 地质学 生物学 第二 我们可以从空间对地球进行全球性的 大尺度的观察 地球科学研究必不可少的手段 同时 从空间观察地球还排除了国家政治界限 促进了地球上人类具有共同命运这一意识的形成 极大推进了目前全球环境变化的国际合作研究 第三 人类活动 人口 技术 经济的 在导致全球环境变化中的作用日益增大 传统学科的成熟性 从空间对地球进行全球观察以及人类活动在全球变化中日益增长的作用促进了地球系统科学的发展 当今地球环境研究的新目标 通过描述地球系统各部分及其相互作用的演化 运行 以及在所有时间尺度范围内将会怎样继续演化等 获得对整个地球环境系统的科学认识 在所有时间尺度上认识地球环境的演化 面临的挑战 发展预报未来几十年到百年内将发生的 由自然和人类活动引起的全球环境变化的能力 现在是采取行动的时候 科学知识的成熟新技术的出现高度的世界性的政治意识和利益的形成科学家国际性努力的结果 地球系统科学 研究全球环境变化的新方法 A 20世纪的地球科学研究工作回顾1905通过横越大西洋无线电传播揭示了电离层的存在1906对地球年龄进行了放射性年代测定1915提出大陆漂移假说 有证据但无机理1920创立冰期的米兰柯维奇理论1930创立大气臭氧层的第一个综合性理论1948开始了数值天气预报 1957国际地球物理年 IGY 开始和空间时代的开端1958探险l号发现范艾伦 VanAllen 辐射带1958开始对大气二氧化碳进行长期测量1959出版精确的北大西洋海底图1960首次获得地球的卫星影象60年代岩石圈板块结构和大陆漂移机制得到公认1971通过月球 岩石年龄测定确认地球一月球系统的年龄为45亿年1972发射用于进行陆面观测的1号陆地卫星70年代确认催化循环可导致平流层臭氧层破坏 1977在海洋扩张中心地带发现厌氧生物1978发射用于进行海洋和大气观测的海洋卫星和雨云7号卫星1981从空间研究地球极光1983用VLBI直接测量大陆漂移80年代对南极 臭氧洞 作了进一步研究1986ICSU签署了国际地圈一生物圈计划 IGBP 1995开始实施地球系统科学的观测计划21世纪的全球环境变化研究 国际性合作研究计划的实施 B 地球系统过程 大气湍流 大气对流 火山爆发 地震周期 营养循环 土壤侵蚀 成矿作用 土壤发展 上层海洋混合 厄尔尼诺 全球天气变化 大气组成 地球起源 板块构造 造山作用 海洋环流 特征空间尺度 秒分天年百年万年百万年十亿年Log s 1km 10km 100km 1000km 10000km 图 地球系统过程 特征空间尺度和时间尺度 全球变化的五个主要时间尺度 1 几百万年至几十亿年 在一亿年之内 地球很快地形成 此后金属核 它产生磁场 明显地与其上的对流地幔和岩石圈隔离开 这些系统运行的特征时间尺度为几百万年 生命的演化及与此有关的目前大气化学成分的演变具有类似的时间尺度 2 几干年至几十万年 冰期和间冰期之间的交替 连同大气化学组分中的相应变化 土壤的发育 以及生物种类的分布 它们主要是由地球围绕太阳运动的轨道变化而引起的 这种轨道变化具有几万年的循环周期 3 几十年至几百年 那些对地球上某些生命形式的存在有威胁的变化 气候变化 大气化学成分的变化 地表干燥度或酸度的变化 以及地球和海洋生物系统的变化 在未来的十年至一百年间应予认识和预报 4 几天至几个季度 天气现象 洋流中的旋涡 极区海冰覆盖的季节增长和融化 地面径流和风化以及植物生长的年循环等 都受制于由日射年循环调节的时间尺度范围内 大部分生物地球化学循环的反馈过程是通过为主要子系统提供能量的辐射过程的交替而发生的 地震和火山爆发都是在相当长的时间尺度内固体地球内部进行调整的一种瞬间表现形式 这种灾难性事件的突然爆发掩盖着一个基本事实 这就是为积累使这种事件重复所需的能量需要有几十到几百年的时间 5 几秒至几小时 陆地 海洋 冰 大气和生物群落之间的质量 动量和能量通量全部由时间尺度小于一天的过程所支配 在陆地和大洋 这些交换以湍流输送作为介质而发生 而湍流输送本身又部分地受逐日加热循环的影响 上述时段中的前两个具有较长的时间尺度 它们包括属于传统地球科学 地球物理学 地质学和地球化学领域的那些现象 而在大气科学 生物科学和海洋科学的研究中 则着重于最后两个时段 中间时段包含几十年至几百年时间尺度的全球变化中直接出现的那些过程和效应 生物过程在所有时间尺度内发生 但是 发生在中间时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要 为迎接这一挑战 地球系统科学首先应当融合地球科学 大气科学和海洋科学的知识以及地球生物系统的知识 以便认识乃至预报人类生存时间尺度内地球系统的演化 因此 这一方法应当阐明那些共同产生中等时间尺度的行星规模变化的现象和过程之间的相互作用 然后 将这种新知识纳人反映地球做为一个动力学系统运行的有关科学结构中去 最后 还必须用地质记录中的长时间尺度过程的证据对这一结构的适用性进行检验 C 地球系统是如何运行的 概念模式 C1 几千年至几百万年时间尺度在几千年至几百万年的时间尺度范围内 固体地球变化的那些不可抗拒的过程主宰着所有其他过程 各种早期地球过程 从来自微星体的最初始积聚到生命的起源 发生在距今几十亿年以前并决定了地球系统的长期演变阶段 在这些早期事件以后 地球的历史便由下述三类主要过程所决定 地核和地漫过程 它们主导着地球的主要磁场 几乎涉及地球的所有质量和动能 板块构造过程 其作用在于通过地壳的形成和破坏以及大陆的形成而产生地表地形 太阳驱动过程 其作用一般在于使高于或低于海平面的地形起伏剥蚀夷平 并使物理气候系统和生物地球化学循环系统趋于多样化 早期地球过程 古气候历史 地核和地幔过程 板块构造 太阳驱动过程 图 几千年至几百万年时间尺度地球系统过程简化模式 C2 几十年至几百年的全球环境变化 什么因素支配着地球的气候 在决定全球的温度和降水中 大气和海洋有何作用 这两个巨大的流体系统间相互作用的特点是什么 对维持地球上的生命有重要作用的元素 碳 氮 氧 磷 硫等是怎样在地球系统各分量之间循环的 这些元素循环的扰动所产生的全球影响是什么 尤其是人类活动对全球的物理 化学和生物环境的影响如何 怎样提高人类预测未来十至百年内可能出现的 自然和人类活动诱发的变化的能力 正是几十年到几百年这一时间尺度内 自然变化对人类有着重大的影响 且人类活动对全球过程的影响也最显著 在这一时段内 运行着两大类过程 物理气候系统和生物地球化学循环 古气候系统 人类活动 物理气候系统 生物地球化学循环 几十年至几百年尺度地球系统过程的简化模型 物理气候系统包括控制着地面温度和降水分布的大气和海洋过程 包括由于太阳加热的不同而产生的运动以及冰雪覆盖的变化 它包括大气物理学和大气动力学 海洋动力学以及地球表面温度和能量平衡等各个子系统 fig 2 4 生物地球化学循环是指诸如碳 氮 磷 硫这类关键物质通过全球环境的物质流 包括它们对全球环境中生命物质的影响 及受后者的控制 它们以不同方式形成了与物理气侯系统连结的独立系统 它包括海洋生物地球化学 地球生态系统以及对流