自然地理学讲义[1]

地球的圈层一、地球的内部圈层：根据莫霍面和古登堡面，可将地球内部分为三个Ⅰ级圈层：地壳、地幔、地核二、地球的外部圈层：在固体地球之外还存在另外三个圈层，它们是大气圈、水圈和生物圈。它们是地球的重要组成部分，它们与固体地球休戚相关，共同演化，塑造着多姿多彩的地球。1）、大气圈：是指因地球的引力而聚集在地表周围的气体圈层。大气圈中的气体主要集中于地表以上18km的范围内，往上气体变得极为稀薄。由地表往上可分为五个次级圈层：对流层、平流层、中间层、暖层、扩散层（散逸层）。2）、水圈：是指地球表层由水体构成的连续圈层。其物态有固、液、气三种状态。水体的形式有河、湖、海、冰川（盖）水蒸气、地下水等，并形成一个包裹着地球的完整圈层。地表上直接被液态水体覆盖的区域占地表面积的3/4。在太阳能、重力的作用下，使得水圈中的水体周而复始的运动，形成水循环。水循环的方式有：海洋与大陆间的循环；地表与地下间的循环；生物体与周围空间的循环；水圈与大气圈间的循环。3）、生物圈是指地球表层由生物及其活动地带所构成的连续圈层。生物从高等到低等，从动物到植物，乃至细菌和微生物等生活于地球表面一定范围的陆地、水体、土壤及空气中，构成了一个基本连续的圈层。目前已知的生物有近两百万个种。生物的演化发展受控于自然环境的演化，通过地质历史时期生物化石的研究就可以知道地质演化的历史。第四章大气圈系统第一节大气的能量基础一、大气圈的物质组成与结构（一）大气圈的物质组成：干洁空气、水汽、气溶胶、污染气体专题：酸雨①何谓“酸雨”:通常是指PH小于5.6的降水，包括雨雪霜雹雾露等。（美国、加拿大5.0）②酸雨的形成:酸雨的形成是一个复杂的大气化学、大气物理过程，主要是由废气中的SOx和NOx造成的③酸雨的危害:诸多研究显示，酸雨对水域生态、森林、湖泊、河川、建筑物及人体健康等都具有危害性。④酸雨的现状⑤对策：限制煤的燃烧和汽车、货车所排放的污染物。专题：臭氧层空洞①臭氧层空洞：臭氧含量减少，南纬45-70度地区最明显。1984、1985年开始发现南极臭氧空洞。科学家已经发现，臭氧空洞通常出现在南极的春天，即每年9月开始出现臭氧减少②臭氧层空洞产生的原因：氯③春季南极空洞的解释：在太阳直射点刚刚离开赤道、向南移动以前，南极处在一个一直降温的寒冷环境中。寒冷的气温使南极上空的环流中积累了很多冰碗：CFC的冰晶体。太阳直射点南移开始，南极开始接受到阳光，冰碗溶解，很快发生一系列连锁反应：光解，破坏。争议：目前，关于南极臭氧层空洞形成和变化比较有影响的推测还有：与太阳活动周期有关；与当地天气动力学过程有关；与火山活动产生的大量氯化物进入大气层有关。④对策：控制CFC（二）大气圈的垂直结构1.对流层：三个基本特征①气温随高度增加而降低②空气对流运动显著③天气现象复杂多变。2.平流层：平流层气流运动相当平稳，并以水平运动为主，平流层即由此而得名。现代民用航空飞机可在平流层内飞行。3.中间层：主要特点是气温随高度增加而迅速下降，到顶部降至160—190K。4.暖层（电离层）氧分子和部分氮分子在太阳紫外线和宇宙射线作用下被分解为原子，并处于高度电离状态，所以暖层又称电离层。5.散逸层（外层）暖层以上的大气与星际空间的过渡带，又称外层或大气上界。该层内温度极高，空气极稀薄，高速运动着的空气粒子可克服地心引力和空气阻力而散逸到星际空间去。大气密度随高度增高而减小，但无论在哪个高度，其密度也不等于零。二、大气圈的辐射因素（一）太阳辐射（1）大气对太阳辐射的削弱：大气吸收、大气散射（三种散射:瑞利散射,米氏散射,非选择性散射）到达地面的太阳辐射：太阳辐射经大气削弱后,到达地面分为两部分:直接辐射（从太阳直接发射到地面的部分散射辐射和经大气散射后到达地面的部分。二者之和为到达地面的太阳辐射总量，称为太阳总辐射Q。总辐射的日变化、年变化和随纬度的变化：1）一天之内，夜间总辐射为零，日出后逐渐增加，正午达到最大值，午后又逐渐减少，日出前达极小值。2）一年内，月均总辐射值，以夏季各月为最大，冬季各月为最小。3）总辐射量的空间分布因纬度而不同。纬度愈低，总辐射量愈大；反之，总辐射量愈小。(2)地面对太阳辐射的反射：到达地面的太阳总辐射只有一部分被地面吸收，另一部分被地面反射，地面反射的这部分太阳辐射，称地面反射辐射。地面反射率:物体反射的辐射能量占总入射能量的百分比。地面温度分布不均匀的重要原因。遥感应用和影像判读的基础。（二）地面辐射和大气辐射：地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身的温度向外辐射能量。1.地面辐射：（1）地面为长波辐射（2）地面长波辐射绝大部分被大气吸收2.大气辐射：（1）大气中的水汽和二氧化碳及杂质等物质，可以透过太阳短波辐射，又能强烈吸收地面长波辐射，使绝大部分地面辐射的能量保存在大气层中。（2）地面辐射的方向是向上的，而大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。向下的部分称大气逆辐射E气。（3）E气几乎全部被地面吸收，这就使得地面因辐射所损耗的能量得到了一定的补偿，因而大气对地面有保温作用。大气的这种对地面的保温作用，称大气的温室效应（GreenhouseEffect）(又称花房效应)。3.地面有效辐射：地面辐射E地和地面吸收的大气逆辐射E气之差值，称为地面的有效辐射。地面有效辐射的大小主要决定于地面温度、大气温度、大气湿度以及云量状况。当地面温度增高时，地面辐射增强，如果其他条件不变，则有效辐射增大；气温增高时，大气逆辐射增强，如果其他条件不变，则有效辐射减少；水汽及其凝结物发射长波辐射的能力较强，可增强大气逆辐射，降低地面有效辐射。空中云量较大时，不仅增强大气逆辐射，而且吸收地面长波辐射，以致大大减弱地面有效辐射。因此，有云的夜晚比晴天夜晚温暖，冬季人造烟雾可防霜冻，就是减弱地面有效辐射，增强大气温室效应的缘故。而冬季“月夜苦寒”则是增强地面有效辐射的结果。（三）辐射平衡1.概念：地面吸收太阳总辐射能获得能量，同时又通过有效辐射而丧失能量，在某一时段内收支的差值，称为辐射平衡或辐射差额。2.辐射平衡及时空变化从整个地-气系统平均状况来看，地面和大气从太阳辐射中获得的能量与发射到外层空间的能量相等。全球年平均辐射平衡为零，但局部地区却并非如此。低纬地区辐射平衡为正，能量盈余；高纬地区辐射平衡为负，能量亏损；高纬地区亏损的部分由低纬地区盈余的部分补充，能量由低纬向高纬输送主要是依靠全球性的大气环流和洋流进行。辐射平衡有明显的日变化与年变化。在一日内，白天收入的太阳短波辐射超过地面支出的长波辐射，故辐射平衡为正；夜晚情况相反，辐射平衡为负。辐射平衡由正转为负或由负转为正的时刻，分别出现在日没前与日出后一小时。在一年内，北半球夏季的辐射平衡因收入的太阳辐射增多而加大；冬季则相反，甚至出现负值。■专题：温室效应与全球变暖①大气温室效应：所谓温室效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长短辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。②温室气体:二氧化碳、氟氯碳化合物、甲烷、臭氧、氧化亚氮、及水汽等。③全球变暖：指的是全球平均地表气温的升高。局部出现一个暖冬并不是‘全球变暖’；全球气候的变化，需要从广泛分布于世界各地的成百上千个测量站收集资料，考虑测量站的地理位置，收集轮船横渡大洋时所做的测量，或利用文字记载推断每年天气的情况；或通过测量树木年轮的宽度等等。近百年全球地表温度年平均值:上升趋势明显(约0.6度），呈现冷暖交替的波动。请注意：大气的温室效应并不是全球变暖的罪魁祸首：事实上，地球能成为茫茫宇宙中适宜人类的栖息地，都是大气温室效应的作用结果。问题在于，当温室气体在大气的浓度增加时，会加剧‘温室效应’，引起地球表面和大气层下沿温度升高。三、大气圈的热力因素(一)大气的增温与冷却1．大气的非绝热变化：空气与外界互相交换热量，引起的气温变化。其方式主要有：（1）传导:传导作用在空气分子密度大和气温梯度大的近地气层中表现明显。（2）辐射：辐射交换使大气净增热量。（3）对流与湍流：对流和湍流使空气在垂直方向和水平方向经常进行热量交换，使空气的热量分布趋于均匀，是近地层大气热量交换的重要方式。（4）水相变化：大气中的水汽主要集中在5km以下，故此作用主要发生在对流层下半部。水相变化对热带地区热量交换具有重要作用。大气的增热和冷却，是以上几种热量交换形式共同作用的结果。▲2.大气的绝热变化气块与外界无热量交换，由于外界压力变化，使气块胀缩作功，引起内部能量转换所产生的大气温度变化。气块在绝热上升过程中，每上升单位距离的温度变化，称为气温绝热垂直递减率，或绝热减温率。不含水汽的空气的绝热减温率是干绝热减温率γd，经理论计算，近似地等于1℃/100米，饱和空气上升则按湿绝热减温率γm=0.65℃/100米降温。(二）大气温度的时空变化1.气温的时间变化：大气温度的时间变化，主要是由地球的自转运动和公转运动引起的气温的周期性变化（日变化、季变化与年变化），和由大气运动引起的气温的非周期性变化。（1）气温的日变化一天之内，气温的最高值与最低值之差，称为气温日较差。气温最高值不是出现在正午太阳高度角最大时，而是在午后二时前后，气温最低值不在午夜，而在日出前后；高纬气温日较差比低纬小；日变化夏季也高于冬季；地表性质对气温的日较差也有显著的影响，海洋上气温日变化比大陆要小得多；阴天气温日较差比晴天河谷、盆地内的气温日较差比同纬度平地（2）气温的年变化一年中月平均气温的最高值与最低值之差，称为气温年较差；在北半球，一年的气温最高值在大陆上出现在7月份，在海洋上出现在8月份；气温最低值在大陆上和海洋上分别出现在1月和2月；由于海陆热力性质的差异，大陆上的年较差要比海洋大得多；由于太阳辐射的年变化高纬比低纬大，所以，纬度越高，年较差越大；气温年变化一般可划分为四种类型：①赤道型;②热带型;③温带型;④极地型气温日变化、年变化是气温的周期性变化，但这种变化常因大气的不规则运动而遭到破坏。例如3月以后，我国江南正值春暖花开的时节，就常常因为冷空气的活动有突然转冷的现象。寒潮冷空气南下使所经地区气温骤降，导致下午2点左右的最高气温不明显。秋季，正是秋高气爽的时候，往往也会因为暖空气的来临而气温突然回暖。这种变化的时间和辐度视气流的冷暖性质和运动状况而不同，它没有一定的周期，称非周期性变化。实际上，一个地方的气温变化，是周期性变化和非周期性变化共同作用的结果。2．大气温度的空间分布（1）气温的水平分布：气温的水平分布，主要受地理纬度、海陆分布、地形起伏、大气环流、洋流等因素的影响。气温的水平分布通常用等温线图表示。单位距离内气温的变化值称气温水平梯度。■全球气温水平分布有如下特点：①空间变化：赤道地区气温高，向两极逐渐降低。②等温线：并不与纬度圈平行，而是发生很大的弯曲。③全球最高温度带：并不是出现在地理赤道上，而是出现在10°N附近的热赤道上，显示了云量对太阳总辐射的影响。④大陆中纬度西岸气温比同纬度的东岸：高，主要是受洋流的影响。（2）对流层中气温的垂直分布（1）从整个对流层平均状况来看，海拔每升高100米，气温降低0.65℃。在夏季和白天，地面吸收大量太阳辐射，地温高，地面辐射强度大，近地面空气层受热多，气温直减率大；反之，在冬季和夜晚气温直减率小。（2）在一定条件下，还可能呈现下层气温反比上层低的现象，气温随高度增大而上升的现象，称为逆温。（3）产生逆温的原因分为：1）辐射逆温;2）平流逆温;3）下沉逆温;4）锋面逆温第二节大气的运动一、大气运动的驱动力：1．水平气压梯度力▲2．地转偏向力（科里奥利力）3．惯性离心力4．摩擦力总结：1、各种力的平衡是暂时的；2、气压梯度力是主要的；3、低纬不考虑地转偏向力；4、直线运动时不考虑惯性离心力；5、自由大气中可不考虑摩擦力；▲二、大气的辐合与辐散三、大气环流和风系★（一）全球大气环流1．行星风系和三圈环流模式2．海平面气压分布地球表面，海陆相间分布，由于海陆热力性质的差异，使纬向气