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第十一章地球系统.ppt

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开放的系统及圈层之间的相互影响 地球演化的方式-均变与灾变 地球演化过程中主要的时间周期,第十一章 新地球观 -地球系统科学,一旦进入到探索机理、追溯过程的新层次,地球科学就成为引人入胜、动人心弦的事情,内中情趣决不下于侦探案件。地球系统充满了丰富多彩的待破案件和未解之谜,它们不仅是科幻作品的绝妙素材,更足以吸引科学界的有志之士去贡献自己的聪明才智。---汪品先,一、地球是一个系统,从整体论(Holism)角度研究 地球系统科学—大系统,学科众多,相互交叉 从宇宙体系角度来全面认识行星地球:将地球作为一个行星,二、地球动力系统,地球上所有物质都在不断地运动 太 阳 系 220 km / s 地球公转 30 km / s 地球自转 (赤道) 230 m / s 空气流动 0 - n  10 m / s 水的流动 0 - n m / s 岩 石 圈 0 - n cm / a 地 幔 0 - n mm / a,地球上不同物质的运动都有其独特的动力学机制 它们均受到地球内部和外部因素的影响 地球内部:重力场、自转、温度、压力等 地球外部:月球、行星、太阳系、银河系等,三、开放的地球系统,地球是开放系统 将地球作为宇宙巨系统中的一份子 地球从宇宙中接受质量和能量 星子吸积, 陨击 太阳辐射能,宇宙射线 地球系统不断地耗散能量 热量散失 转动惯性能消耗,自转减慢,四、圈层间的强相互作用,地球系统的复杂性:子系统间强相互作用 地球各圈层的强相互作用 耦合与解耦作用 相邻两圈层之间强相互作用 壳-幔、核-幔、水圈-岩石圈、岩石圈-大气圈 不相邻圈层之间相互作用 磁场-内外核、岩石圈放气、温度 - 地幔、地震 厄尔尼诺、拉尼娜 - 地幔放气、排热,,,El Niño and La Niña,,,八十年代美国John Martin提出了“铁假说”,认为海水中铁元素的缺乏,限制了浮游植物的生长,因为海洋浮游植物的生长必须有微量的铁,而铁在现代氧化环境下的海水中极难溶解。冰期时风尘大作,为大洋带来铁元素、提高生产力,从而降低大气二氧化碳,正好解释了极地冰芯中温室气体(CO2 ,CH4)的浓度、大气降尘的浓度与冰盖体积一起变化的记录。,为了检验“铁假说”,近年来在东太平洋和南大洋 先后进行了“铁肥试验”,从船上将二价铁倾入海中,果然诱发出藻类勃发,生产力增加高达数十倍,证明了铁的确是大洋生产力的限制因素,而且风尘增加可能是冰期中大气CO2减少的原因,也证明了陆地-海洋-生物-大气之间环环相扣的因果关系。,五、不可逆的进化,生物界: 由低级到高级、简单到复杂演变 随时间演化的不对称性和单向性 生物演化不可逆性,地球: 地球是如何演化的? 整个地球(包括无机界)是否也是从简单到复杂、低级到高级的不可逆演变?,太阳系的起源,太阳周围的固体与气体物质,经过约500万年快速旋转和冷凝 以固体颗粒(小园球状的星子)为中心,通过反复随机碰撞吸积、增大质量 逐渐形成太阳系的9大行星。,地球的形成,根据球粒陨石年代测定,地球的形成和加大吸积的时期,推测主要发生在45.2~ 44.8亿年前。 地球质量的绝大部分 (6×1027 g) 都是该时期吸积的。 后来的40亿年内,地球质量只增加1× 1025 g,相当于地球总质量的1/600。 地球平均每年要接受2.5×1016 g (即250亿吨)的陨石物质。,早期的地球—状态,刚诞生的地球表面是裸露固体岩石,没有大气层、没有土地,也没有海洋,地表陨石坑密布,火山到处喷发。 由于地球质量巨大,内部温度、压力相当高,可发生全球性部分熔融,使原始成分相当于球粒陨石的地球发生圈层化的重力分异作用。,,,早期的地球—地核,当时地球内部热量比现代大得多,估计其放射性幅射能约比现代大10倍; 地球吸积(陨石撞击)和圈层分异作用也可产生热量,使物质分异与迁移,比重较大的铁镍物质大量聚集到地心附近,到43亿年前,就基本上形成地核(约相当于现代地核的3/4)。,早期的地球—地幔、地壳,地幔基本上一直保持固体状态。 下地幔成分相对均一,而上地幔存在着横向与纵向上化学成分的不均一性,说明上、下地幔并没有经历过全部的熔融分异、以达到平衡的演化过程。 而在地球表部,火山密布,同时还有相当数量的陨石撞击,在40亿年前逐渐形成了原始的大陆,使晶体结构较松散的铝硅酸盐在地表聚集,造成了大陆地壳。,大陆地壳的形成和增长,陆壳的主要增生时期为30~18亿年即新太古—---古元古代时期,现在所知的大陆地壳基本上都是该时期形成的。 在18亿年以前的时期,由于地球内部的热活动一直比较强烈,物质在垂直方向(地球半
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