地球表层

2.水循环  地球上的水，在太阳能的作用下，不断从水面、陆面和植物叶面蒸发，化成水汽升到高空，被气流带到其他地方，在适当条件下凝结，又以降水形式落到地表形成径流，注入海洋、湖泊；水的这种蒸发、输送、凝结、降落、径流的往复过程叫水循环。水循环分为大循环（海洋——天空——陆地——海洋）、陆地小循环 （内流区：蒸发——输送——降落——径流——蒸发）、海洋小循环 （在海洋范围内：蒸发——输送——降落——蒸发）。水循环运动是地表外力的主要动力，也是地球化学迁移的载体，具有重要的地理意义。

 3.大气循环　由于太阳辐射造成地表增温差异，辐射强的地方增温快形成上升气流，构成低压区，地面其他地方的空气向这里运动，以补充这里的上升空气；在高空，上升的空气向外移动至较冷的地方下沉形成高压区。从而构成了大气环流。有时高气压不完全是温度造成的，空气的集聚、堆积也可形成高气压。关于大气环流的作用前已讲过，不再赘述。 

（一）地球表层是物质三态存在和相互作用的场所

地球是太阳系乃至银河系中得天独厚的星体。迄今为止，它是人类所发现的星体中唯一有生命存在的星体。由于它距太阳远近适中（一个天文单位），使它表面具有较为适宜的温度；由于其形状大小适宜（半径6378公里），使它表面吸引了适量的水和大气并保持一定的压力，造就了地表固态、液态、气态三种形态物质共存并互相转化的复杂形态。它的丰富多彩，生机勃勃的表面形态是至今人类所发现的其他天体所无法比拟的。

固、液、气三态相互并存、相互作用是地球表层的突出特征。它表现为两个方面的机制：一是界面机制，二是异质机制。

界面对物质世界的进化发展具有重要意义。从物理意义上看，能量和物质的转换和传输，主要是通过界面来进行的；从化学意义上讲，吸附作用、吸收作用也是首先通过界面来实现的。在三相界面上，地球重力表现最为突出、最为鲜明。界面之间的物质密度发生急剧突然的变化，彼此约束力很差，

平衡极为脆弱，外部条件稍有变化重力就明显地表现出来。诸如所见的崩塌、滑波、泥石流、雪崩、冰川运动、河流、瀑布、地下水渗透、海流等等，均为地球重力的具体表现。在三相界面上，地球内力的表现也极为充分。在地球内部，岩石的密度、压力很大，限制着构造力的表现，而在界面上失去了上述约束条件，诸如火山、地震、构造运动塑造了千姿百态的地表形态。在三相界面上，太阳能对地球的影响也极为明显，大气、水和疏松的地表很容  易透过太阳辐射，从而易于加温和冷却。界面上造成了彼此相异的热力学特性，例如水的冻胀加剧岩石的风化，陆地、水面的温度差异直接控制气压形势和空气的运动，造成季风、山风、谷风、湖岸风等不同规模的环流。三相界面也是生物界存在的基础，固体地壳为生物的生存、运动提供了赖以依托的根基，气体的呼吸交换、液体的体内循环，相互构成了生命存在的基本条件。随着地球的进化和发展，界面的总面积不断地扩大。由于外部环境不断输入能量到地球表层，岩石不断地风化、破碎、变得越来越小、越来越细，从而总面积不断扩大。来自地球内部的构造力又使岩石圈表面出现褶曲、凹陷、断裂，也使界面的面积不断扩大。生物，特别是人类也是扩大表层界面面积的积极力量。生物的作用加剧岩石圈中土壤的形成过程，人类各种工程建筑可以把本来大体均一的地面弄得凸凹不平；城市中各种建筑物的总面积可以使原来地表的表面积增加几倍几十倍，造成的 “热岛效应”甚至可以将气温比郊区旷野提高几度 （℃）。界面面积的大小与物质能量的循环、交换、传输的程度和复杂性是正相关的，界面的存在和表面积的扩大，促进了地球表层的物质进步和能量传输，而来自地球内部的能量和来自地球外部的能量不断地促进地球三相界面总面积的扩大，彼此形成了正反馈的过程，这种相互促进不可逆转的发展过程，造成了地球表层的高速进化。

异质机制是指气体、液体、固体三相之间物质组成和结构功能之间明显差异所产生的特殊效应。美国科学家丸山孙郎认为： “异质化是系统功能发展、组织结构完善和进化的基础，世界上所有的生物过程、社会过程和某些物理过程的基本规律，都是异质性和共生性的增加。” 异质有利于调节和促进物质和能量的流动和转换。地表三相共存，形成了海洋、陆地、冰川、沙漠、湖泊、沼泽等大小等级不同的异质系统，从而造成了不同规模的水分、空气循环，实现物质和能量的循环运动和转换。不同的异质系统也形成了人类社会的不同的资源条件、生产环境和生活环境，也促进了人类社会生产、社会生活信息的流动和交换。可见地球表面千差万别的异质系统与地球内部和外层空间那种近于死寂、相对均一的同质系统相比，进化速度是惊人的。

总之，气态、液态、固态三相共存相互作用的地球表面在界面机制、异质机制共同作用下使地球表层处于不可逆的进化状态，形成了一个特殊的物质流、能量流运动和转换系统，强化了各组成要素之间的相互制约性、共生性和整体性，系统的组织水平越来越高级，越来越复杂，使之质地区别于地球其他层圈，形成了自己独特的性质。

（二）地球表层是内外力相互作用的场所

所谓地球内力是指地球的构造力，来自地球内部，在地球表层清晰明显地表现出来，诸如火山、地震、岩浆活动、地壳隆起和沉陷等等。除火山爆发外，内力作用的限度基本上终止于地球固体表面，它造成地球表层地理位置（经度、纬度、高度）相对改变，构成地球表层固体部分的基本框架。内力作用总的趋势是造成地表高低起伏、千姿百态的表面形态。外力作用即指以太阳辐射为基本能源而产生的风化作用、流水作用、风蚀作用等，它通过物理化学变化、物质的侵蚀、搬运、堆积作用极力消除内力所造成的起伏，总的作用趋势是夷平地表，其影响深度仅限于地表以下几米到几十米的深度。很显然，内力作用的上限和外力作用的下限都在地球表层之中。地表形态是由内外力共同作用的结果，这一特点是地球其他层圈所不具备的。

（三）地球表层是有机界和无机界互相转化的场所

生物圈是地球表层物质、能量流所维持的一层薄薄的有机膜，它起到了太阳能与无机界之间的中介作用。正是有机界中的绿色植物通过光合作用固定太阳能，然后通过食物链的关系传递给食草、食肉动物，生命体死后又在太阳能的作用下，通过微生物将有机体分解成无机盐类，参加地表物质循环，供植物再吸收，转化为新的有机体。地表中固有的氮、磷、钾等无机元素也作为养分被植物吸收转化为有机体。这种有机与无机的转化也是只有地球表  层才存在的。

（四）地球表层是人类的生存环境

人类的出现使地球表层发生了质的变化，也构成了区别于其他层圈的突出特征。人类的影响最初是斑点状的，随着时间的推移，它的作用发生了突性的进展。虽然早在200万年以前就出现了人类，但只是有文字记载的历史时期形成社会生产力以来，特别是近代工业革命以来，人类的作用和影响才突出地显现出来。人类改变大气圈，造成温室效应、热岛效应，甚至控制局部环流；人类改变水循环、创造人工地形，从根本上改变了生物界的面貌等等。现在几乎找不到一块没有人类影响的禁地，人类的作用和影响在地球上已经连成一片，形成了名副其实的智慧圈、文化圈，地球表层渐渐成了人及其生活环境相互有机联系的新的系统。对现代地理学来说，不仅人文地理学要研究人类与其生产、生活环境的关系，就是自然地理学在分析地面诸种现象和过程时，也不可忽视人对环境的影响。

地球表层的能量来源分为两大方面，即内生能，外生能。

内生能由两部分组成：一是地球本身的引力能，以潜在的势能存在，它总是力图使地球上的物质处于稳定状态。在其他力的触发下，它释放出的能  量是地壳中物质运动的能源之一，如滑坡、泥石流、山谷冰川的运动以及河流、瀑布等都是以引力能为基础的。二是地球组成物质的放射性元素蜕变产生的热能，它是内生能的主要部分，是火山、地震、岩浆活动、构造运动等现象的能量来源，它形成地表的基本轮廓，决定海陆分布与地势起伏。地球内能造成的地壳运动有突变和渐变的不同形式，像火山、地震是突变的形式，能在短时间中释放巨大的能量，造成严重的灾害，形成地表起伏。例如，日本北海道昭和新山就是在不到两年里人们眼看着拔地而起的 400 米高山。大多数情况下是以渐变的形式，在亿万年的地质时代里形成沧海桑田的变化。我国古代就有 “东海三为桑田”之说。海底发现陆生动物化石，高山上发现海生动物化石，在现今地质考察中已是相当普遍的现象，它们都生动地记录了地球表层缓慢的巨大的地壳运动。根据现代技术查明，同位素放出的热量基本是在地表以下 14公里的花岗岩中产生的。经测定，按平均值来说，从地表向下每深入 33 米温度上升 1℃，每度对应的深度叫地热增温级，火山活动区最小 （0—20 米/度），构造活动区次之 （20—30 米/度），构造稳定区最大 （33—100米/度）。这些放射性元素放出的热能转化为地壳运动的动能，运动能又造成地表高差起伏，成为潜在的势能，这些势能又在一定条件下转化为表面物质从高向低运动的动能。

外生能主要是太阳辐射能，其次占极小部分者还有星际间的引力能，如太阳、月亮对地球的潮汐作用，陨石堕落的机械能以及各种宇宙线所放射的能量。太阳辐射进入地球大气层，由于大气层圈构造和物质组成使它的辐射强度和辐射光谱分配发生变化。在离地90公里高度以上，由于原子氧对紫外线的吸收使温度大大增高。至 50 公里处臭氧层吸收紫外线，使大气中又出现一个增温层。这两层不仅可以减少到达地面的太阳辐射强度，而且由于吸收紫外线而保护了地球上的生命。这是很有意义的，如果没有这两个层保护，生命就不可能在地表上存在。据科学家认为火星上所以没有生命，其中主要原因是火星上没有氧气，紫外线可以大量地直接到达火星固体表面的缘故。还有的科学家提出人类要保护臭氧层的问题，认为目前2—3 万米高空的频繁往来的超音速飞机会污染臭氧层，长期下去会破坏臭氧层的稳定状态。第三个增温层次是大气底层的水汽和 CO ，它们吸收太阳辐射及地表长波辐射，形成所谓 “温室效应”，它如一层棉被保护地表热量不更多地散失到层外空间去。工业革命以来，由于人类使用化石燃料的增加所造成的空气中 CO 的增加，引起了很多科学家的忧虑。他们认为，提高全球温度促使南极冰川融化，海面上升，威胁沿海大城市的安全，这个问题已成为全球最为关注的环境问题之一。

太阳辐射是地球表层的基本能源，地球的冰期、间冰期，长周期的气候于湿寒暖变化的原因，不仅仅在地球表层内部，而且直接与太阳本身的活动有关。一般用太阳常数来表示太阳辐射的强度。据科学家 （Weeherald 和Manade1975）最近统计，太阳常数每增加2％平均气温就上升3℃，减少2％就降温 4.3℃。太阳表面的耀斑即太阳黑子也直接影响地球表层的气候变迁。据研究，太阳黑子有 11年、22 年、80—90 年的变化周期，虽然究竟怎样影响地球表层尚有争论，但这个问题确实是不可忽视的。太阳辐射能到达地球表层以后经过一系列转化。在无机界，辐射能转化为大气、水和固体物质的热能，陆地的岩石和土壤吸收辐射后增温，其影响深度日变化 1.5—2 米，多年变化平均深度20—30 米 （土壤和松散的沉积岩中），水下影响深度达100米左右。大气热能其中一小部分直接来源于吸收太阳辐射，大部分来源于吸收地面、水面的长波辐射。其梯度每上升 100米，平均约降温 0.6℃，形成植被、土壤等自然要素的垂直带性。太阳辐射能转化为为热能以后，热能又转化为动能。由于地球形状而造成太阳入射角不同，

再加上由于地球自转偏向力的影响，形成经线方向的大气环流、气候带、风带。由于海陆位置造成大气的海陆环流 （纬向环流），造成季风气候和由沿海向内陆的干湿差异。由于陆地表面地形影响造成了地方性环流。在大气环流的作用下，形成水循环，转化为江河湖海的动能，雕塑着千姿百态的地貌形态。在海洋，热能造成的热力梯度直接转化为洋流的动能。增热的大气、水体和地壳，同时又以长波辐射形式将热能转化为辐射能，彼此相互影响、转化。

在有机界，能量转化是通过生态系统来实现的。首先通过绿色植物的光合作用固定太阳能，然后通过食物链逐级转化。每级转化都要耗散能量，基本按 1/10定律进行。生物死亡之后其残体再由微生物分解为无机成分还原于土壤，其中一部分再由植物吸收。在特殊气候条件下 （过分湿润或寒冷），一部分动植物残体不能被微生物全部分解，而形成化石燃料贮存于地下。人类是太阳能转化的重要环节，人居生物链的顶端，靠农业技术尽量多的固定太阳能，供人类消费。生态系统这个母机的运转的能源只来源于太阳能。绿色植物是地球上生机勃勃的生物世界的第一次发动，它固定太阳能的多少直接决定了生态系统的规模和能量转换的强度。地壳中贮存的太阳能是人类工业的主要能源，人类的智能正在把这部分长期存留于地下的太阳能返回到大气中去。

  地球表层的结构

    地球具有同心圆状层圈构造。根据科学家通过地震波等手段探测，得知地球的固体部分从地表到地心密度逐渐加大，从地心到地表依次分为明显的三个不同层圈：地核（0—3478 公里）、地幔和地壳。地球的液体部分上界为江河湖海的水面，下界为江河湖海底部及地下水的最下层；海平面距地心约6378公里。气体部分（大气圈）分为对流层、同温层、中间层、热成层和外逸层。

    地理学所研究的地球表层从严格意义上讲，并不是地球的最外层，而是接近地球固体表面的部分。它由以下几部分组成：

    1.岩石圈    一般地指地球表层的固体岩石部分，包括地壳的全部和地幔的一部分。地壳厚度不一，高山高原处较厚、大洋底部较薄，平均30 公里左右。地壳分上下两层：下层为硅镁层，上层为硅铝层。上层在大洋处较薄，广大的太平洋底部甚至根本没有这一层。岩石圈的表层还分土壤圈和沉积岩石圈。沉积岩在陆地厚约2 公里，在海洋其下界一般在水面下4 公里，最深海沟处甚至超过水面下 11公里。岩石圈极不平坦，呈复杂多样的地貌起伏，71％为大洋凹地，29％为凸起大陆。

    2.水圈   包括海洋、河流、湖泊、冰川及岩石孔隙中的地下水，最大厚度约 20 公里。

    3.大气圈   即地球的气体部分。下界可视为海陆表面，向上分为不同层次。地理学中所讲的地球表层系统是指大气圈中最下层、最接近地球固体表面的部分，即对流层。它集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽以及固体杂质，每增高 100 米约降温 0.6℃，热力梯度明显，水平、垂直运动显著，主要天气现象都发生在这里。其厚度依纬度和季节而异，低纬地带平均 17—18公里，高纬地带平均8—9公里，夏季厚于冬季。

    4.生物圈   即地球上所有的生物及其生存环境的总和。总厚度 20 公里左右，主要集中在水面以下200 米至地面以上 100米的空间范围内。生物圈与地球其他层圈相比，厚度很薄，有人形象地称它为 “生物膜”。

    5.智慧圈  又称为人类圈、技术圈、文化圈等，指人类及由人类所创造的人工物质环境。人类虽然也是生物的一个组成部分，并与其他四个层圈（特别是生物圈）有发生学上的关系。但是，它是由生物进化而来的，它具有新的、自己所独有的特性，因而使它做为一个单独的层圈与生物世界分开。人类不仅仅是通过自己的生物功能去影响自然，而是通过自己的智慧、有意识有目的的劳动去影响自然，即通过社会生产劳动、科学技术，改造和建设环境。人类的影响远远超过了做为生物的人的活动范围，也在很多方面超出生物圈的范围，有的甚至达到外层空间和其他星球，现在地球上几乎找不到一块完全不受人类影响的地方。智慧圈成为与其他四个层圈交错存在的第五个层圈。 “智慧圈”的概念是前苏联学者B.N.维尔纳茨基 1942年首次提出的他指出： “智慧圈是地球新的地质现象，在这里首次成为巨大的地质力量。

    他能够而且应该以自己的劳动和思想改造自己的生存领域，与过去比较是根  本的改造。” 这一思想很快得到了世界上众多科学家的公认，对人类认识地  球、认识环境做出了贡献。智慧圈是人文地理学基本的研究空间，这一概念  的产生对人文地理学的发展也有重要意义。

地球表层各层圈间不是绝对的、彼此截然划分的，而是互相影响互相渗  透的。但除了固体地壳和大气圈外也不是处处连续的。因此对各个层圈的划分应从宏观上、整体上、相对地去理解。