第3章 地球系统科学PPT演示课件

第三章地球系统科学,地球信息科学引论,授课人：张喜旺,TheCollegeofEnvironmentandPlanningofHenanUniversity,河南大学环境与规划学院,E-mail：zxiwang,2,主要内容,3,1地球系统科学,地球系统科学诞生于20世纪80年代，它是从行星角度出发，将地球大气圈、水圈、生物圈和固体地球看做一个相互联系的有机整体（地球系统），综合研究该系统形成机制和变化规律，为区域可持续发展和全球变化研究提供理论依据和调控方法的学科。,4,地球科学是从不同侧面研究固体地球内部及其周围流体的组成、结构和运动变化规律的科学。公元前3世纪已经开始测量地球形状；从文艺复兴开始，得到快速发展；19世纪中后-20世纪70年代末，还原论道路；成果20世纪70年代后期，整体论思想。,1.1地球科学研究的历史,1地球系统科学的诞生及传播,5,1地球系统科学的诞生及传播,6,（1）实践上的迫切需要20世纪80年代以来，出现了诸多全球问题，如全球变暖、臭氧层破坏、土地荒漠化加剧、生物多样性下降、环境污染与破坏、能源与资源问题、人口与粮食问题等，威胁人类进一步生存与发展。鉴于全球问题的独特性（综合性与全球性），需要地球系统科学的建立。,1.2建立地球系统科学的可行性,7,全球问题国际公约：1985年制定了保护臭氧层的维也纳公约。1992年制订了联合国气候变化框架公约，以阻止全球变暖趋势；1992年签署生物多样性公约；1994年通过防治荒漠化的公约；1997年12月,限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书,1.2建立地球系统科学的可行性,8,（2）已具备建立地球系统科学的理论和技术条件地学分支学科的日渐成熟不仅为建立地球系统科学积累了大量科学资料，同时也促进了全球观点的形成；系统科学的兴起为地球系统科学提供了有力的理论武器；遥感和计算机的发展为建立地球系统科学提供了强有力的技术支撑；人类对地球系统变化的动因有了更深的认识。,1.2建立地球系统科学的可行性,9,1983年在美国航空与航天管理局（NASA）顾问理事会的倡议下，成立地球系统科学委员会（ESSC），首次提出地球系统科学。发达国家纷纷相应，并制定地球系统科学发展规划。目前，在众多科学家的共同努力下，地球系统科学研究的框架基本形成。,1.3地球系统科学的诞生,10,有人将地球系统科学的产生比作第二次哥白尼革命。,1.3地球系统科学的诞生,11,（1）地理系统的综合研究思想在中国早已有之；（2）首次将美国地球系统科学思想介绍到我国的学者是陈泮勤、马振化和王庚辰，他们于1992年把地球系统科学报告翻译成中文；（3）以黄秉维先生为首的中国科学家针对中国具体情况，提出一些自己的看法。,1.4地球系统科学在中国,12,提出地球系统科学是可持续发展的战略科学基础；陆地系统科学是地球系统科学优先发展的领域；陆地系统科学研究的时间尺度为今后50年；陆地系统科学是跨学科研究而不是多学科研究；陆地系统科学研究应以“自下而上”方法为主，以“自上而下”方法为辅；,1.4地球系统科学在中国,13,主要内容,14,（1）系统系统是有若干相互联系并与其环境发生关系的组成部分（要素）结合而成，具有特定结构和功能的有机整体。系统的基本单元是要素。,2.1系统与环境,2地球系统及其环境,15,（2）环境系统边界外部的所有其他事物称为该系统的环境。,2.1系统与环境,16,（3）系统与环境的关系系统不能脱离环境而存在；环境对系统塑造作用；系统对环境的反作用；,2.1系统与环境,17,2.1系统与环境,2.1系统与环境,18,2.1系统与环境,2.1系统与环境,19,（4）系统的结构与功能系统结构：系统内部相对稳定的组织或分布关系。系统功能：系统内部各要素之间活动关系的总称。其中活动指的是要素的各种运动、变化或作用；活动关系指的是某一要素的活动对其他要素的影响。,2.1系统与环境,20,（5）系统的分类按系统与环境的关系；孤立系统：系统与环境之间既没有物质也没有能量交换的系统。封闭系统：系统与环境之间只有能量交换而没有物质交换的系统。开放系统：系统与环境之间既有物质又有能量交换的系统。,2.1系统与环境,21,按系统的规模和复杂程度；渺观系统：10190ls或1034cm微观系统：10191ls或1015cm宏观系统：10192ls或102m宇观系统：10193ls或105ly胀观系统：10194ls或1024ly,2.1系统与环境,（cm）,ly为光年，等于（9.460510.00009）1012km,22,按系统的运动状态划分静态系统：任一时刻的输出只与该时刻的输入有关，而与该时刻之前的输入无关的系统。动态系统：任一时刻的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻之前的输入有关的系统。,2.1系统与环境,23,按人类对系统的认知水平划分黑色系统：只知道输入和输出关系，而不知道内部组成、结构和过程的系统。白色系统：不仅知道输入和输出关系，而且还知道内部组成、结构和过程的系统。灰色系统：已经知道输入和输出关系，但对内部组成、结构和过程并不十分清楚的系统。,2.1系统与环境,24,（1）地球系统的边界ESSC定义：大气圈中间层顶，约在地面以上80-90km；地球系统内部包括的实体圈层有大气中间层、大气平流层、大气对流层、水圈、生物圈、地壳、地幔和地核，外形呈球状，球半径约6462km。这是狭义的地球系统。毕思文：大气圈顶部，即整个地球。地球系统内部包括的实体圈层除上述那些圈层外，还应包括大气中间层以上的大气暖层和逸散层，球半径约7577km。这是广义的地球系统。,2.2地球系统及其组成,25,地球系统是分层次的，在讨论不同论题时需要界定不同等级的地球系统边界，有时可以用狭义的地球系统，有时可以用广义的地球系统。在地球系统中，物质、能量和信息交换最剧烈的场所在地表附近，上下厚度约15km，此即地理系统，它与人类生产和生活的关系最为密切。,2.2地球系统及其组成,26,（2）大气圈系统-物质组成1.大气圈的总质量：5*1018kg（5万万亿吨）2.大气密度：1.23*10-3g/cm3(海面、15)3.主要成分,4、成分的分类及其特点恒定组分：氮、氧、氩可变组分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽不等组分：粉尘、硫氧化物、氮氧化物,2.2地球系统及其组成,27,大气不同成分对太阳光的吸收,2.2地球系统及其组成,28,（2）大气圈垂直分层,2.2地球系统及其组成,29,（2）大气圈垂直分层,2.2地球系统及其组成,30,（2）大气圈-物质交换,2.2地球系统及其组成,31,（2）大气圈-大气运动,大气运动动力：气压梯度（单位距离内的气压变化值）。,2.2地球系统及其组成,32,（2）大气圈-大气运动,大气运动形式：（1）在各半球形成三个沿经向的环流圈，即哈得莱环流圈、费雷尔环流圈、极地环流圈。（2）在各半球形成三个沿纬向的风向带，即信风带、盛行西风带、极地东风带。,2.2地球系统及其组成,33,（2）大气圈-对其他圈层的影响,风化,风蚀,搬运,2.2地球系统及其组成,34,（2）大气圈-对其他圈层的影响,是水圈运动和循环的媒介和重要动力；是生物生存和发展的必要条件。,2.2地球系统及其组成,35,（3）水圈-组成,不仅对地球系统中的能量输送与转化十分重要，而且是生物赖以生存的基本物质。,2.2地球系统及其组成,36,（3）水圈-海洋水系统,海和洋的总称，占地球表面面积的70.8%。,2.2地球系统及其组成,37,（3）水圈-海洋水系统,总面积：362*106km2平均深：4000m最深：11022m最大洋：181.3*106km2,海水盐分组成,2.2地球系统及其组成,38,（3）水圈-海洋水系统,海浪,潮汐,洋流,浊流,2.2地球系统及其组成,海水运动方式：,39,（3）水圈-海洋水系统,海水运动方式：,海水温度随深度变化,2.2地球系统及其组成,40,（3）水圈-海洋水系统,海水运动方式：,海水中不同波长光线的穿透能力,2.2地球系统及其组成,41,1.2建立地球系统科学的可行性,陆地水系统-存在方式,河流水,地下水,冰川,湖泊水,沼泽水,极地冰盖,42,水圈对其他圈层的影响,河流侵蚀,地下水侵蚀,冰川侵蚀,河流沉积,地下水沉积,冰川沉积,43,水圈对其他圈层的影响,海水侵蚀-波切台,海水侵蚀-海蚀柱,海水沉积-砾滩,海水沉积-大堡礁,44,陆地水系统-对其他圈层的影响,水圈对大气圈的影响？水圈对生物圈的影响？,45,陆地水系统-对其他圈层的影响,对大气圈的影响：影响气候：海洋起到温床作用大气吸收太阳辐射洋流运输太阳能厄尔尼诺和拉尼娜现象影响大气运动对生物的影响：水是生命必不可少的物质对生命体形态的影响对生物分布的影响,46,（4）生物圈,生物圈形成和发展，实质上就是生态系统的形成和发展。1.海底和有光带生态系统：重要的生物是蓝绿藻。2.海洋生态系统：重要的生物是蓝绿藻和维管植物。3.全球生态系统：重要的生物是维管植物和人。,2.2地球系统及其组成,47,（4）生物圈-组成,原核生物界：没有细胞核生物，4千余种真菌界：真核细胞生物，没有叶绿素，8万多种植物界：多细胞生物，有叶绿素，27万种以上动物界：多细胞生物，150万种以上界以下根据生物的亲缘关系、形态和生理特征划分出：门(Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)、种(Species）,2.2地球系统及其组成,48,（4）生物圈-生态系统,陆地生态系统森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统、冻原生态系统、城市生态系统等。水域生态系统淡水生态系统河流生态系统、湖泊生态系统、水库生态系统、沼泽生态系统等海洋生态系统海岸生态系统、浅海生态系统、海底生态系统等,2.2地球系统及其组成,49,森林生态系统,城市生态系统,2.2地球系统及其组成,50,沙漠生态系统,2.2地球系统及其组成,51,珊瑚礁生态系统,2.2地球系统及其组成,52,（4）生物圈-对大气圈的影响,生物对大气的影响：增氧、减二氧化碳，清洁大气,2.2地球系统及其组成,53,（4）生物圈-对水圈的影响,影响元素在水中的迁移、沉淀过程。放射虫、硅藻等吸收海水中的二氧化硅，每年沉淀51011kg/a(5亿吨)的二氧化硅。浮游生物使2108kg/a(20万吨)铅沉淀。使大量的碳酸钙沉淀。,放射虫,2.2地球系统及其组成,有孔虫,54,（4）生物圈-对水圈的影响,浓缩水中的微量元素一些微生物吸收锰、铜、钴、镍等元素，死亡后沉淀到海底形成锰结核。一些藻类，如海带、紫菜等，吸收碘元素，使其富积上万倍。调节水的运动植物吸收水的99.9都要蒸腾到大气中，只有0.1的水用于植物的建造上。因此，具有调节大气湿度和气温之功效。植被减慢地表水的运动速度和循环时间，保护一个地区的水源。,2.2地球系统及其组成,55,（4）生物圈-对岩石圈的影响,（1）对岩石圈的破坏作用（2）影响土壤形成（3）保持水土（4）形成矿产,2.2地球系统及其组成,56,（5）地球内部圈层,根据地震波传播速度的突然变化，先后发现地球内部存在着7个显著的地震波速不连续界面。其中最主要的不连续界面有2个。莫霍面和古登堡面,2.2地球系统及其组成,57,（5）地球内部圈层,2.2地球系统及其组成,58,2.2地球系统及其组成,（5）地球内部圈层,地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据,2.2地球系统及其组成,59,2.3地球系统的环境,地球系统的环境？,60,太阳是太阳系的中心天体，质量为1.9891030千克，是地球质量的33万倍，占太阳系总质量的99.865；平均半径为69.599万千米，是地球半径的109倍；表面积是地球表面积的12000倍，体积是地球体积的130万倍。,2.3地球系统的环境,（1）太阳及其对地球系统的影响,61,太阳对地球系统的影响：1.风雨雷电等天气现象的出现，江河湖海等水体的形成；2.加强或削弱地球的潮汐现象；3.太阳活动（太阳黑子、光斑、耀斑、日珥）对地球的影响：电离层突然骚扰、“磁暴”现象、极光等现象,2.3地球系统的环境,62,行星（包括九大行星、小行星、彗星等）对地球系统的影响：1.九星连珠；2.小行星进入地球。据研究，一个半径为10m的铁陨石（质量约32000t）以10kms1的速度陨击地表时，其动能可达1.61017J，这相当于里氏5级地震的能量，或19颗广岛原子弹的能量。,2.3地球系统的环境,（2）行星及其对地球系统的影响,63,直径3476.4km，相当于地球的3/11体积220*108km3，地球的1/49质量7.196*1020kg，地球的1/81平均密度3.34g/cm3，地球的3/5,对地球系统的影响：海洋潮汐；大气潮汐；固体潮汐。,2.3地球系统的环境,（3）月球及其对地球系统的影响：,64,主要内容,65,3地球系统科学的研究内容与方法,3.1地球系统科学的研究目标,把地球看做是由大气圈、水圈、生物圈、地壳、地幔、地核相互联系的统一整体，深刻理解所有时间尺度的地球系统过程，最终发展一种全面反应地球系统运转机制的动力学模型。,66,3.1地球系统科学的研究目标,通过地球系统科学研究，要能够回答如下一些问题：人类居住的行星地球是如何运转的？如何确定地球系统的存在状态？地球系统是如何演化的？人类活动在地球系统演化中的作用如何？地球系统未来的演化方向是什么？,67,3.1地球系统科学的研究目标,驱动地球系统运转的发动机有两台：一台是地球内部发动机，主要由放射性元素和内部深层的原生热所驱动，它维持着影响全球地貌结构的动力板块系统。另一台是位于地球系统之外的太阳驱动发动机，它长期维持着地球表生过程的正常进行，如大气环流、水分循环、生物循环以及地表的风化、剥蚀和沉积作用等等。,68,3.1地球系统科学的研究目标,通常，地球内部过程研究属于地质学和地球物理学的范畴，地球表生过程研究属于大气科学、海洋学、生物学和地理科学的范畴。但是，地球内部和外部驱动系统之间存在着复杂的联系，并在这两台发动机的驱动下运转的。,69,3.1地球系统科学的研究目标,地球系统运转的内外发动机（据ESSC，1988）,70,3.1地球系统科学的研究目标,地球系统内部存在着不同时间和空间尺度的物质、能量和信息过程。传统的地球科学分支分别以特有的时空尺度研究地球系统某一特定子系统，如地质学研究地壳组成、结构及其变化，大气科学研究天气和气候形成及其变化，海洋学研究海水性质和海洋运动等等。,71,3.1地球系统科学的研究目标,地球系统过程可概括为五种时间尺度:第一，百万年至几十亿年。在一亿年之内，地球很快地形成。此后，金属核（它产生了磁场）明显地与地幔和岩石圈分离开来。这些过程的特征时间尺度为几百万年。生命演化以及与目前大气圈气体成分的演化也具有类似的时间尺度。,72,3.1地球系统科学的研究目标,第二，几千年至几十万年。冰期与间冰期之间的交替、土壤发育和生物种类的分布主要由地球公转轨道参数的变化引起，具有几万年的循环周期。第三，几十年至几百年。地球系统内部几十年至几百年的时间尺度过程包括气候变化、大气化学成分的变化、地表干燥度的变化、土壤酸碱度的变化以及陆地和海洋生态系统的变化等等。这些地球系统过程对地球生物和人类存在一定威胁，是我们应该认真对待和加以研究的重要问题。,73,3.1地球系统科学的研究目标,第四，几天至及个季度。包括天气现象、洋流的改变、极地冰盖的消融和增长、地面径流、植物生长等等，这些过程由太阳辐射的周年变化所引起。第五，几秒至几个小时。陆地、海洋、冰川、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。在陆地和海洋，这些交换以湍流输送作为介质而发生，而湍流输送本身又受到逐日加热循环的影响。,74,3.1地球系统科学的研究目标,在上述五种时间尺度中，前两者是传统的地球物理、地球化学和地质学着重的研究领域，后两者是大气科学、生物科学和海洋科学着重的研究领域，而中间时段的地球系统过程是当今全球变化研究的重点领域。,75,3.1地球系统科学的研究目标,地球系统科学的目标就是要在所有时间尺度上认识地球系统过程及其它们之间的联系，建立能够定量描述地球系统存在状态和变化规律的动力学模型。遗憾的是，到目前为止还没有一个过程被我们充分地认识，这严重影响着我们对地球系统运转规律的理解。,76,3.2地球系统科学研究的主要科学问题,1.几千年至几百万年的全球变换；2.几十年至几百年的全球变化；3.古气候研究,为了更好地开展地球系统科学研究，ESSC集中了很多科学家的智慧，在以往地球科学研究的基础上，按照上述目标，提出了今后地球系统科学研究的主要科学问题。这些问题集中体现在以下三个领域：,77,3.2地球系统科学研究的主要科学问题,1.几千年至几百万年的全球变换关于早期地球过程的科学问题；关于地核和地幔过程的科学问题；关于板块运动和构造的科学问题；关于太阳驱动过程的科学问题；,78,3.2地球系统科学研究的主要科学问题,2.几十年至几百年的全球变化关于物理气候系统的科学问题；关于生物地球化学循环的科学问题；子系统间的相互作用；物理气候系统与生物地球化学循环之间的相互作用；人类活动对物理气候系统和生物地球化学循环的影响。,79,3.2地球系统科学研究的主要科学问题,3.古气候研究古气候研究时间尺度是几十年至几百万年，是联系长时间尺度全球变化和短时间尺度全球变化的桥梁，是我们从整体上认识地球系统运动变化规律必不可少的，另外，古气候时间序列的建立对检验未来地球系统预测模式的科学性提供了基准。,80,3.2地球系统科学研究的主要科学问题,古气候序列可以依据地球系统演化过程中留下的某些痕迹来建立。如根据冰碛物可以确定冰原的范围；根据波浪拍打痕迹和河流下切深度可以推断过去的海平面位置；将深海沉积物中浮游生物微体化石分布和现在的情况作比较，可以推断过去海洋表层的温度；根据沙丘和风成物的性质可以揭示当时的主导风向；根据湖相沉积物的垂直变化可以得到气温和降水的有关信息等等。现在关键的问题是，如何提高古气候序列的精确度，科学地揭示古气候变化的原因。,81,3.3地球系统科学研究方法,与其他科学研究方法相同，地球系统科学研究包括四个步骤：采集观测数据；观测资料的分析和解释；概念模式和数值模式的建立；验证模式并开展未来变化预测。,82,3.3地球系统科学研究方法,由于地球系统科学的复杂性，这四个步骤必须形成一个循环系统，模式需要与观测数据进行比较来检验和修正，模式又可反过来给观测提供指导。完成上述四个步骤，还必须依赖仪器设备的发展、信息系统的支持和有效的组织管理。,地球系统科学研究的方法（据ESSC，1988）,83,3.3地球系统科学研究方法,(1)地球系统的观测要想建立地球系统运转的动力学模型，我们必须拥有大量的关于地球系统存在状态和行为变化的数据，以便确定地球系统的状态变量和控制变量。,84,3.3地球系统科学研究方法,观测方式：空间观测-向太空发射具有不同功能的地球卫星或空间探测器，对地球进行连续不断的观测，获取整个地球系统存在状态和运动变化的信息。地面观测-不仅是对空间观测具有校验作用，还是地面过程微观化研究不可缺少的重要手段。内容十分广泛，包括近地面大气、陆地、海洋、生态系统、社会系统等的观测。观测内容：地球系统的状态信息和运动信息，涉及地球系统的方方面面。,85,目前已有的观测计划：地球观测系统（EOS）；全球气候观测系统（GCOS）；全球海洋观测系统（GOOS）；全球陆地观测系统（GTOS）；全球环境监测系统（GEMS）；,3.3地球系统科学研究方法,86,(2)观测数据的分析与解释分析过程：根据地球科学现有的知识和理论，对观测数据进行归类、换算、统计、对比、挖掘解释过程：在数据分析的基础上，寻求他们之间的依存关系，确定状态变量和控制变量，揭示它们在表征地球系统发展变化中的地位与作用，为开展地球系统数值模拟提供理论依据。,3.3地球系统科学研究方法,87,(3)地球系统模式主要研究内容：建立能够描述地球系统存在状态和演化规律的数值模式；由于地球系统的复杂性，建立理想数值模式存在很大困难；,3.3地球系统科学研究方法,88,就几十年至几百年时间尺度的地球系统模式来说，大气物理、大气化学、大气动力学和海洋动力学模式进展较快，而陆地生态系统和海洋生物地球化学模式相对滞后。对于几千年至几百万年时间尺度的地球系统模式来说，地幔质量分布模式、地震速率模式、板块构造概念模式和简单的数值模式取得了明显进