环境科学概论重点ppt

第一章绪论第一节地球和我们所处的环境第二节环境问题第三节环境科学及其分支在太空中，地球是一个由蓝、咖啡、绿和白色所组成的球，它悬挂在太空之中已有46亿年的历史了。在这漫长的历史长河中，地球孕育了大量的生物，形成了和谐的生态系统。在距今约300万年前,地球上出现了人类。在人类漫长而曲折的进化过程中，人类既是环境的创造物，又是环境的塑造者。人来在实践中不断地总结经验，有所发现，有所发明，有所创造，有所前进。在今天，由于科学技术发展的迅速加快，人类获得了以无数方法并在空前的规模上改造环境的能力。第一节地球和我们所处的环境1.1太阳系的诞生1.1.1宇宙的开端20世纪初，天文学家斯里弗尔（V.M.Slipher,1875-1969)在观测银河系外的仙女座大星云时，取得15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以每秒数十万米的高速退行，即离开我们愈来愈远。1929年，哈勃(E.P.Hubble,1889-1953)根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。爱因斯坦(AlbertEinstien,1879-1955)在1916年提出的广义相对论演绎出宇宙在膨胀的理论。哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀，曾测到有的河外星系之间，正以每小时2,500,000km的速度在拉开距离。《BIGBANG》－大爆炸宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密温度约1032°K，绝对温度1亿亿亿亿度显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙现在认识：大爆炸后1秒钟，温度降到1010K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子约在大爆炸后50-100万年首先由电子和质子合成氢原子接着是氦原子也大量生成了随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成爆炸后100万年到20亿年逐步形成各类天体星系证明150亿年前发生过这样的大爆炸：爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。特别是盖莫夫(G.Gamow，1904-1968)预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度。彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933-)和威尔逊(R.W.Wilson,1936-)发现：1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3°K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。其它证据：现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到30%左右，仅仅太阳上那种氢合成氦的作用，是不能造出这么多氦的，而大爆炸能做到因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实天文观测中已多次记录到超新星爆炸另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。冷暗物质------最新证据！1.1.2太阳系出现-大爆炸发生约100亿年之后---星云学说哲学家康德(ImmanuelKant,1724-1804)－星云说在献给普鲁士国王的《自然通史和天体理论》中假定：最初“整个宇宙的物质都处于分散的状态，并由此造成一种完全的混沌”，“构成我们太阳系的星球的物质，在太初时都分解为基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用，使这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体。星云说不能解决太阳系中许多问题太阳和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，但实际上相差近100倍1.1.3地球的诞生天，积气也；无处无气。地，积块（土）也；充塞四虚，无处无块”－列子·天瑞天是气的集合，地是土的集合古代贤哲的卓识20世纪30年代末天文观测证实在银河系中，有许多气体和尘埃存在这些气体主要是氢和氦。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98%左右尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料。固体物质不及2%，颗粒细微，半径只有0.0001(万分之一)厘米左右，微粒弥漫在整个太空中地球的成分氢和氦的含量都很少而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属地球的化学组成为何如此不同？1.1.3.1地球的形成在太阳系内，由于接受的太阳辐射多，温度高，轻的气体被辐射到远处，散失到太阳系的外部远处构成类木行星近太阳的地区，以尘埃中的固体物质为主，化学组成当然和原来的星云有显著的不同（铁、硅、镁、氧为主）近处构成类地行星原始地球内的“星子”受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大收缩不是无限的，因为物质还要受到自转所产生的惯性离心力的作用，而离心力是要随着体积缩小，导致自转速度加快而增大，当离心力增大到能抵消引力时，就达到平衡冷－热－冷尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能尽管原始的星云物质是冷的，后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处於热的熔融状态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结地球圈层的形成重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构铁和镍比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集－地核较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围1.1.3.2现代地球环境的逐渐形成46亿年前，整个地球的温度都很高，表面也接近于熔融的状态各类岩石的块体（以星子为基础）各不相属地分布在地球的表面后来构成大陆的地壳冥古宙（46－38亿年前）大约在40亿年前后，越来越多的较轻的硅酸盐成分迁移到上部冷凝地球终于有了一个虽然还比较薄、但已是连续完整的地壳原始地球表层一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结，或涌出地面，表现为广泛分布的火山活动另一方面物质又在向下流动，把上面已固结的地壳撕裂，并将其部分碎块拽向深处，使它再次熔入地幔物质之中与此同时，薄弱的地壳还在陨石的撞击下，形成大量陨击坑最初的大气成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低（低于100°C），大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成了广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸性物质太古宙（38－25亿年前）38亿年前，海洋中开始有了生命的活动。从出现最原始的原核细胞生物--蓝绿藻，32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖，后者能消耗二氧化碳，产生出氧气大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色植物的大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其有利于高等喜氧生物的发展元古宙（距今18亿年前到6亿年前）大陆不断扩大大气变成以二氧化碳为最多海洋里的生物最多的是菌藻植物，它们的活动促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合，碳酸钙镁等物质沉淀在海底，使大气中的二氧化碳减少，氧和氮的含量逐步增加化学进化说认为，生命起源于原始地球上的无机物，这些无机物在原始地球的自然条件作用下，从无机到有机、由简单到复杂，通过一系列化学进化过程，成为原始生命体。1.1.3.3生命起源化学进化说CH4NH3H2OH2氨基酸单糖核苷酸地球米勒模拟原始大气产生有机物的实验装置1.2太阳与地球的关系1.2.1地球的公转与自转地球围绕太阳公转，公转轨道面椭圆性，称为黄道面。太阳处于椭圆的一个焦点上，另一焦点在太阳边缘。地球公转一周称一回归年，为365.2422个太阳日。近日点距太阳1.47亿公里，远日点距太阳1.52亿公里，平均距离为1.50亿公里，称一个天文单位。地球自转轴与公转轨道面成66°33′，形成地球上季节的变化。自转轴与黄道面倾角地球公转和二十四节气二十四节气春季立春雨水惊蛰春分清明谷雨夏季立夏小满芒种夏至小暑大署秋季立秋处暑白露秋分寒露霜降冬季立冬小雪大雪冬至小寒大寒季节地球的经纬度和时区为标定地球表面任一点的具体位置设定经纬度；把经过地轴的平面与地球表面的交线称经圈，经圈被南北极点一分为二为两个半圆，称作子午线或经线；将通过英国伦敦格林威治天文台旧址的子午线定为本初子午线，即0°经线，向东的称为东经，向西的称西经。把垂直于地轴的平面与地表面的交线称作纬圈；经过地心的垂直于地轴的平面与地表面交线为赤道，定义为纬度0°；赤道以北的称北纬，以南的称南纬；地表任一点的纬度为该点与地心连线与赤道面的夹角。地表经纬度以太阳直射本地经线定义为地方时12点；经线相差1°其地方时相差4min；以0°经线时间为基准，东西各7.5°的区域为0时区，向东西各增加15°为一个新的时区，分别为东一区、东二区、西一区、西二区……，该区域内时间以中间经线时间为其区时，相邻时区时间相差1小时，东边的早，东西十二时区重叠。地球的经纬度和时区1.2.2.2太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射能量随波长的分布称太阳辐射光谱。太阳辐射光谱可以分成三个区域：紫外线区占总能量的约7％，可见光区占总能量的约50％，红外线区占总能量的约43％。问题：到达地表的太阳辐射中，紫外线约占总能量的7％。太阳常数：当处于日地平均距离，地球大气上界、垂直于太阳平行光线，单位时间穿过单位面积的太阳辐射能，数值上约1367±7w/m2。太阳常数随着太阳活动而发生变化，范围约1325～1457w/m2。大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度为1.35～1.4×105lx，称太阳光量常数。1.2.2.3大气对太阳辐射的减弱太阳辐射在穿越大气层时，大气组分对其阻碍，使其减弱，减弱的方式主要有：大气对太阳辐射的吸收作用大气对太阳辐射的散射作用大气对太阳辐射的反射作用大气对太阳辐射的吸收作用（1）大气的吸收光谱太阳辐射经过整层大气时，在波长小于0.29μm的波段中，吸收率接近于1。也就是说，大气把太阳光谱中0.29μm以下的紫外辐射几乎全部吸收了。而在可见光区，大气吸收很少，只有不强的吸收线带。但在红外区则有很多很强的吸收带。（2）大气中各种成份对太阳辐射的吸收大气中吸收太阳辐射的物质主要是氧、臭氧、水汽和液态水，其次是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、尘埃等。氧（O2）氧对太阳辐射的吸收主要在0.25μm以下的紫外区，吸收很强。并在吸收后发生光化反应产生臭氧。这一吸收作用主要在高层大气中进行，以致使0.25μm以下的太阳辐射很少到达一般观测所及的高度。在可见光区，氧还有两个较弱的吸收带，A带位于0.76μm附近，B带位于0.69μm附近。它们对太阳辐射的削弱不大。臭氧（O3）：臭氧在紫外区和可见光区都有吸收带，其最强的吸收带位于0.2～0.32μm之间称为哈特莱带，另一个吸收带位于0.32--0.36μm称为汉琴斯带。由于这个波段的辐射被臭氧吸收，使它不能到达地面，因而保护了地面上生物免受过量紫外线的伤害。位于可见光的吸收带其波长范围在0.44～0.75μm。此吸收带虽弱，但因位于太阳辐射最强的波段内、所以吸收的能量并不少。水汽和液态水（H2O）：水汽对太阳辐射的吸收带和吸收线很多，在可见光区有很多吸收带，但都很弱。在红外区从波长0.93～2.85μm之间有七个主要的吸收带，水汽对太阳辐射的吸收与水汽含量的多少有关，水汽含量愈多，吸收的也愈多。一般来说，水汽在主要的太阳辐射光谱中没有极强的吸收带。大气中的水分不仅处于气态，也有处于液态的，大气中的液态水同样能够吸收太阳辐射。液态水具有比水汽强得多的