地球科学概论.docx
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地球科学概论
地球科学概论
绪论
主要内容
•地球科学的研究对象和研究内容
•地球科学的研究方法(本章重点)
•地球科学的研究意义
•地球科学发展简史(本章重点)
一、地球科学的研究对象和研究内容
二、地球科学的研究方法
1.野外调查:
最重要和最基本的基础工作,获取研究对象的第一手资料。
2.仪器观测:
①可以获得地质活动的定量数据;②可以确定人类不能直接感知的地质活动
3.大地测量:
主要用于高程测量和地质体运动速率测定
4.航空、航天和遥感技术:
视域大、实时动态
5.实验室分析、测试与科学试验:
重现并验证地质过程
6.历史比较法(“将今论古”、“现实主义原则”):
现在是了解过去的钥匙
7.综合分析:
地质学研究中经常会出现“多解性”和“不确定问题”,需要综合分析
8.电子计算机技术的应用:
地球科学研究对象空间广阔,需要观测处理的资料量大,模拟形成演变过程复杂等
三、地球科学的研究意义
四、地球科学的发展简史
思考题
1.地球科学的研究对象主要有哪些?
各自对应着哪些学科?
2.地球科学的主要研究方法有哪些?
3.地球科学在人类社会中有哪些主要的作用?
4.“水成论”与“火成论”、“固定论”与“活动论”的主要内容是什么?
5.举出1~2个“将今论古”的实例。
第一章宇宙中的地球
主要内容
一、宇宙二、银河系与太阳系三、地球、月球和地月系四、地球的形态
本章重点:
太阳系的组成和地球的形态
一、宇宙宇宙是无边无际的空间与无始无终的时间的统一。
1.宇宙中的天体和物质
恒星:
由炽热的气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体,构成恒星的气体主要是氢,其次是氦。
如太阳。
星际物质和星云:
弥漫于星际空间的极其稀薄的物质称为星际物质,由星际气体和星际尘埃组成的云雾状天体称星云。
天体系统:
按照一定的系统和规律,相互吸引和相互绕转而形成的不同层次的天体系统,如地月系、太阳系、银河系等。
2.宇宙中天体的相对位置
天球:
以地球球心为圆心,半径无穷大的假想球体,用于反映天体在天空中的位置和相对运动关系。
星座:
天球上具有自已独特形状并占据一定空间的恒星群落。
二、银河系与太阳系
1.银河系:
由包括太阳在内的大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成的庞大螺旋状星系,侧面看呈中间厚边缘薄的扁饼形,正面看呈旋涡状。
2.太阳系:
以太阳为中心的、受太阳引力支配的天体系统,主要由九大行星(从太阳向外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星)和众多的小行星、卫星、慧星和陨星等组成。
类地行星(水、金、地、火)和类木行星。
三、地球、月球和地月系
1.地球是太阳系自中心向外的第三颗行星。
2.月球是地球唯一的天然卫星。
3.地球在自转的同时绕太阳公转。
4.月球自转的同时也绕地球旋转,自转的周期与绕地球公转的周期相同,因而月球总是以同一面朝向地球。
四、地球的形状:
人类第一次对地球形状的测量——古希腊学者埃拉托色尼(Eratosthenes,公元前276年-公元前195年)。
他测得的地球的周长为39500km,这与近代的测定值40025km相当按近,换算成地球半径约为6370km。
地球的表面形态更详细
1.地球表面分别被陆地和海洋占据,陆地占地球表面积的29.2%,海洋占70.8%;
2.地球表面起伏不平,陆地和海底均如此。
3.大陆与大洋盆地之间的过渡地带是大陆边缘,由大陆架、大陆坡、大陆基和岛弧、海沟等组成。
可分为大西洋型和太平洋型大陆边缘。
思考题
1.地球的形状有何特点?
2.大地水准面是一个什么面?
是不是一个真实存在的物理面?
3.陆地和海洋地形分别有哪些次级类型?
各有何特点?
第二章地球的外部圈层
一、大气圈:
大气圈是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层。
次要
1.大气圈的结构:
从下向上可分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层或散逸层
(1)对流层:
大气圈最下面的一层,厚度随纬度而异,赤道附近厚17~18km,两极仅8~9km。
特点:
①空气强烈对流;②温度随高度增加而降低;
③气象要素(温度、湿度、气压等)水平分布不均匀,形成复杂的天气现象;
④受人类活动影响显著。
(2)平流层:
从对流层顶至35~55km高空的大气层,气流以水平方向运动为主。
①基本不含水汽和尘埃物质,不存在对流层中的各种天气现象;
②该层的上部(30~55km)存在多层臭氧层;
③下部温度随高度增加保持不变或略升高,但升至30km以上时,由于臭氧层吸收了大量紫外线,温度升高。
(3)中间层:
自平流层顶至85km左右高空的大气层。
①由于没有臭氧吸收太阳辐射的紫外线,气温随高度增大而迅速下降,至中间层顶界气温降至-83℃~-113℃;
②由于下热上冷,再次出现空气的垂直运动;③顶部出现弱电离现象。
(4)暖层(电离层):
从中间层顶到800km高空的大气层。
①空气很稀薄,质量占大气圈总质量的0.5%;
②在太阳辐射和宇宙高能粒子作用下,温度迅速升高,再次出现温度随高度增加而升高的现象,到500km高空处温度高达1201℃;
③由于紫外线和宇宙射线的作用,氧、氦被分解成为原子,处于电离状态,能反射不同波长的无线电波。
(5)散逸层(外逸层):
位于800km以上至2000~3000km的高空。
①大气圈与星际空间的过渡地带;②空气极为稀薄;③温度随高度增加而升高;
④因离地球太远,地球引力作用弱,空气粒子运动速度快,气体质点不断向星际空间扩散。
2.大气运动
(1)大气运动的动力
气压梯度力:
可分解为水平气压梯度力和垂直气压梯度力,是大气运动的原动力。
地转偏向力:
由地球的自转和球面效应引起,它使从低纬度向高纬度运动的大气向东偏转,从高纬度向低纬度运动的大气向西偏转。
此外还有惯性离心力、摩擦力等。
(2)大气环流——大范围的大气运动状态
大气环流模式之一:
低纬环流;中纬环流;高纬环流
大气环流模式之二:
地球旋转使大气运动方向偏转(水流也要偏转)。
在北半球,南北向运动的气流向右偏转,在南半球向左偏转,这就是科利奥力效应。
注意:
此模式的中纬环流的大气运动方向与前一个模式有所不同。
①低纬环流
赤道地表空气受热上升,在赤道地表形成“赤道低压带”;
赤道上空形成高压带,分别向两极运动;在地转偏向力的作用下向东偏转,在纬度30°附近的高空其运动方向与纬线基本平行,不能继续向两极运动,转而向地面运动,在地面形成“副热带高压带”。
②中纬环流与高纬环流
两极大气冷却收缩,形成“极地高压带”;
在南纬与北纬60°附近形成一个相对的“副极地低压带”;
从极地高压带到副极地低压带之间形成“极地东风带”,从副热带高压带到副极地低压带之间形成“盛行西风带”;
极地东风与盛行行西风在副极地低压带相遇时形成上升气流,构成中纬环流和高纬环流。
3.大气圈的演化:
初始大气圈包括CO2、N2和其它气体,CO2可能高达20%;植物出现后,大气的成分开始变化,光合作用释放的O2开始在大气中聚集;现代大气圈主要由N2、O2和局部小量富集的H2O、CO2及其它气体组成。
O2与CO2的比率由植物与动物维持恒定(0.03%)。
二、水圈背
1.水的类型:
按天然水所处的环境可分为海水、陆地水和大气水。
(1)海水:
水圈的主要组成部分
①海水的运动:
波浪、潮汐、海流(洋流)和浊流几种运动形式
波浪:
水体呈波状起伏的运动方式。
相当于一半波长的深度是波浪作用折下限深度。
印度洋的海啸
潮汐:
全球性海水周期性涨落的现象,是在引潮力作用下形成的。
海流(洋流):
大洋中沿一定方向有规律移动的海水,分表层洋流和深层洋流。
表层洋流主要由信风和海水密度差异引起,方向以水平为主,又可分为暖流和寒流;深层洋流主要由海水温度和盐度差异引起,方向既有水平运动,也有垂直运动。
浊流:
海洋中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流,一般形成于大陆架外缘、大陆斜坡上部或河口三角洲前缘等处。
浊流向大陆坡下运动,剥蚀大陆边缘,扩大海底峡谷,形成海底扇和浊积岩,浊积岩中发育粒序层理
(2)陆地水:
主要包括地面流水、地下水、湖泊、沼泽与冰川等。
①地面流水:
沿陆地表面流动的水体(河流、洪流等)。
地面流水的水质点运动方式:
层流和紊流。
层流是水质点相互平行而不相混合的水流,在地面流水中比较少见;紊流是水质点的运动速度和方向随时发生变化的水流,是地面流水主要的运动方式。
自然界河流由于受到不平整河床的影响,往往呈紊流方式流动
②地下水:
埋藏在地表以下岩石和松散堆积物空隙中的水体,往往含有复杂的化学成分。
根据运动特征和埋藏条件可分为包气带水、潜水和承压水三种基本类型。
包气带水:
在岩石中空隙未被地下水充满的情况下,埋藏在包气带水中的地下水。
潜水:
埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上、具有自由表面的重力水,也称饱水带水,其自由表面称潜水面。
承压水:
埋藏在两个稳定隔水层之间透水层内的地下水,又称层间水。
③湖泊与沼泽
湖泊:
是陆地上较大的集水洼地。
湖水主要来自大气降水、地面流水和地下水,其次是冰川融水和残留海水。
湖水通过蒸发、下渗和流泄等方式不断消耗。
有出口流泄的湖称为泄水湖,无出口的湖称为不泄水湖。
湖水的化学成分主要与湖水的来源及自然地理条件有关。
沼泽:
陆地上潮湿积水、喜湿植物大量生长并有泥炭堆积的地方。
④冰川:
是由积雪形成的、并能运动的冰体,它是陆地上以固体形式存在的水。
现在陆地上的冰川主要集中在地球两极和高山地区。
陆地表面的冰川可分为大陆冰川和山岳冰川。
大陆冰川:
分布在高纬度和极地地区的冰川,又称冰盾或冰盖。
特点:
雪线位置低,分布面积大,冰层厚,流动速度稍快。
如格陵兰岛的冰川。
山岳冰川:
分布于高山地带的冰川。
特点:
雪线位置高,规模小,冰层薄,受地形控制,呈线状分布。
(3)大气水:
存在于大气圈中的水,以气态的形式存在,绝大部分分布于大气圈的平流层中。
大气水主要来源于海水和陆地水的蒸发、植物叶面的蒸腾作用以及火山活动。
常用湿度来表示大气中水的含量。
相对湿度是空气实际水汽压与当时同温度下饱和水汽压的百分比;绝对湿度是指一定量空气中的水汽质量与该定量空气的体积之比。
2.水圈的循环:
水在自然因素和人为因素的影响下处于不断的运动和转换之中,这就是水圈的循环。
三、生物圈
地球表层由生物及其生活活动的地带所构成的连续圈层,是地球上所有生物及其生存环境的总称。
生物按其性状可分为原核生物界、真菌界、植物界和动物界。
思考题
1.海水有哪些运动方式?
各有何特点?
2.陆地水有哪些存在形式?
3.片流与洪流、层流与紊流各是什么含义?
第三章地球的内部圈层
主要内容
一、地球内部的主要物理性质
二、地球内部圈层划分(本章重点)
三、地球内部各圈层的物质组成及物理状态
四、地壳(本章重点)
一、地球内部的主要物理性质:
地球内部主要的物理性质包括密度、压力、重力、温度、磁性及弹塑性等。
1.密度:
地球内部的密度由表层的2.7~2.8g/cm3向下逐渐增加到地心处的12.51g/cm3,并且在一些不连续面处有明显的跳跃。
2.压力:
地球内部压力总是随着深度而增加,地下深处的压力称静压力或围压,可表示为ρ=hρhgh,即静压力ρ等于某深度h和该深度以上地球物质平均密度ρh与平均重力加速度gh的乘积。
3.重力:
地球吸引力与离心力的合力就是重力,主要取决于地球的引力。
重力场的强度用重力加速度来衡量,重力加速度也简称重力。
重力随纬度升高而增加。
4.温度
外热层:
由于受太阳辐射热的影响,温度可变的地球表层,平均深度约15m。
常温层:
外热层的下界处温度常年保持不变,这一深度带称常温层。
地热增温率或地温梯度:
常温层以下每
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