新地球观地球系统科学ppt课件.pptx

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1、研究对象地球研究对象地球第一第一章章 宇宙中的地球（自学内容）宇宙中的地球（自学内容）第二章第二章 行星地球简史行星地球简史第三章第三章 地球的物质组成地球的物质组成第四章第四章 大气圈大气圈地球的地球的蓝色外壳蓝色外壳第五第五章章 生物圈生物圈大自然的精华大自然的精华第六章第六章 水圈水圈地表变化的主要媒介地表变化的主要媒介第七章第七章 地球表部圈层的相互作用地球表部圈层的相互作用第八章第八章 地球的内部圈层地球的内部圈层第九章第九章 岩石圈内部物质的转化岩石圈内部物质的转化第十章第十章 岩石圈的变形与变位岩石圈的变形与变位第十一章第十一章 重力、地磁与核幔作用重力、地磁与核幔作用第十二章第

2、十二章 新地球观新地球观地球系统科学地球系统科学第十三章第十三章 人与资源人与资源第十四章第十四章 维护我们的生存环境维护我们的生存环境地球的时空特地球的时空特征及物质组成征及物质组成地球圈层特征地球圈层特征和相互作用和相互作用地球科学应用地球科学应用地球科学方法论地球科学方法论天文学 地理学 地质学第十二章第十二章 新地球观新地球观地球系统科学地球系统科学一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、

3、各种时间尺度的周期性变化系统论系统论系统系统：指由若干相互联系、相互作用的要素所组成的指由若干相互联系、相互作用的要素所组成的具有一定功能的有机整体具有一定功能的有机整体。 整体性整体性, ,关联性关联性, ,等级结构性等级结构性, ,动态平衡性动态平衡性, ,时序性等时序性等是所有系统的共同基本是所有系统的共同基本特征；特征； 这些这些既是系统所具有的基本思想观点既是系统所具有的基本思想观点, ,也是系统方法也是系统方法的的基本原则；基本原则； 表现表现了系统论不仅是反映客观规律的科学理论了系统论不仅是反映客观规律的科学理论, ,且具且具有科学方法的含义有科学方法的含义. .系统论系统论系统

4、论系统论整体性：常常常常又被说成系统整体大于部分又被说成系统整体大于部分。其。其实质是说系统的整实质是说系统的整体具有系统中部分所不具有的性质，体具有系统中部分所不具有的性质，系统整体不同于系系统整体不同于系统的部分的简单加和即机械和统的部分的简单加和即机械和。 层次性：高层次系统是由低层次系统构成的，高层次包含着低层高层次系统是由低层次系统构成的，高层次包含着低层次，低层次属于高层次。高层次和低层次之间的关系，次，低层次属于高层次。高层次和低层次之间的关系，首先是一种整体和部分，系统和要素之间的关系。首先是一种整体和部分，系统和要素之间的关系。系统论系统论开放性：系统系统具有不断地与外界环境

5、进行物质、能量、信息交换具有不断地与外界环境进行物质、能量、信息交换的性质和功能，系统向环境开放是系统得以向上发展的的性质和功能，系统向环境开放是系统得以向上发展的前提，也是系统得以稳定存在的条件。前提，也是系统得以稳定存在的条件。稳定性：在在外界作用下开放系统具有一定的自我稳定能力，能够外界作用下开放系统具有一定的自我稳定能力，能够有一定范围内自我调节，从而保持和恢复原来的有序状有一定范围内自我调节，从而保持和恢复原来的有序状态，保持和恢复原有的结构和功能态，保持和恢复原有的结构和功能。For more（一）系统整体性原理（一）系统整体性原理 （二二）系统层次性）系统层次性原理原理（三三）系

6、统开放性原理）系统开放性原理 （四）系统的目的性（四）系统的目的性原理原理（五）系统突变性原理（五）系统突变性原理 （六）系统稳定性原理（六）系统稳定性原理 （七）系统自组织原理（七）系统自组织原理（八）系统相似性（八）系统相似性原理原理（1）结构功能相关）结构功能相关律律（2）信息反馈）信息反馈律律（3）竞争协同）竞争协同律律（4）涨落有序）涨落有序律律（5）优化演化）优化演化律律地球地球系统科学系统科学大气圈：大气圈：气象学、大气物理学气象学、大气物理学水圈：水圈：海洋学、陆地水文学、水文地质学、海洋学、陆地水文学、水文地质学、冰川学冰川学生物圈：生物圈：生物学生物学远古大气圈、水圈和生物

7、圈：远古大气圈、水圈和生物圈：地质学地质学地壳：地壳：地质学、地理学、地球物理学、地球化学地质学、地理学、地球物理学、地球化学地幔与地核：地幔与地核：地球物理学、地球化学、宇宙化学地球物理学、地球化学、宇宙化学过去的地球科学都局限在某一特定的时间、空间范过去的地球科学都局限在某一特定的时间、空间范围来研究。围来研究。地球系统科学地球系统科学从从整体论（整体论（HolismHolism）的观点出发，研究地球这个大系的观点出发，研究地球这个大系统内各个子系统，即各圈层内部以及圈层之间的运动统内各个子系统，即各圈层内部以及圈层之间的运动变化的全过程、形成机制以及可能发生的变化趋势。变化的全过程、形成

8、机制以及可能发生的变化趋势。，进行各种时间尺度的演化研究，而不受地球，进行各种时间尺度的演化研究，而不受地球各原有分支学科的局限。各原有分支学科的局限。一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、各种时间尺度的周期性变化速度速度 太阳系太阳系 220 km / s 地球公转地球公转30 km / s 地球自转地球自转 (赤道赤道)230 m / s 空气流动空气流动0 - n10 m / s 水的流动

9、水的流动0 - n m / s 岩石圈岩石圈0 - n cm / a 地幔地幔0 - n mm / a 地球是一个动力系统，地球上所有物质都地球是一个动力系统，地球上所有物质都在不断地运动。在不断地运动。地球上不同物质（水、空气、生物、固体岩石圈、地球上不同物质（水、空气、生物、固体岩石圈、固态地幔和液态外核）的运动都有其独特的动力学固态地幔和液态外核）的运动都有其独特的动力学机制，它们均受到机制，它们均受到地球内部地球内部和和外部因素外部因素的影响。的影响。地球内部地球内部：地球重力场、地球自转及其速度：地球重力场、地球自转及其速度变化、温度差异、压力变化、物质成变化、温度差异、压力变化、物

10、质成分不均一等分不均一等地球外部地球外部：月球、行星、太阳系以至于银河：月球、行星、太阳系以至于银河系的引力和辐射影响等系的引力和辐射影响等一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、各种时间尺度的周期性变化地球是一个开放系统，自诞生以来，整个系统与地球是一个开放系统，自诞生以来，整个系统与周围环境之间就一直发生着质量、能量与动量的周围环境之间就一直发生着质量、能量与动量的交换。交换。 地球从宇宙中接

11、受质量和能量地球从宇宙中接受质量和能量星子吸积星子吸积, 陨击陨击太阳辐射能，宇宙射线太阳辐射能，宇宙射线 地球系统不断地耗散能量地球系统不断地耗散能量热量散失热量散失转动惯性能消耗，自转减慢转动惯性能消耗，自转减慢地球是宇宙巨系统中的一份子地球是宇宙巨系统中的一份子影响地球各圈层的运动变化的宇宙因素：影响地球各圈层的运动变化的宇宙因素：地球自身轨道的变化地球自身轨道的变化：地球自转速度的变化，地极移：地球自转速度的变化，地极移动，地球绕太阳系质心公转轨道半径或偏心率的变化，动，地球绕太阳系质心公转轨道半径或偏心率的变化，黄赤道交角的变化黄赤道交角的变化宇宙星体对地球的影响宇宙星体对地球的影响

12、：月球、太阳或大行星对地球：月球、太阳或大行星对地球引力的变化，太阳辐射能（如黑子）的变化，陨石撞引力的变化，太阳辐射能（如黑子）的变化，陨石撞击作用击作用太阳系的变化太阳系的变化：太阳系穿越银道面以及太阳系在银河：太阳系穿越银道面以及太阳系在银河系内公转一周系内公转一周一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、各种时间尺度的周期性变化地球系统由多个子系统（圈层）构成。地球系统由多个子系统（圈层）构

13、成。子系统间具有强相互（非线性相互作用）作用。子系统间具有强相互（非线性相互作用）作用。地球系统的复杂性：地球系统的复杂性：地球各子系统间发生的强相互作用而自发地球各子系统间发生的强相互作用而自发地涌现出系统总体性状、结构与动力学行为。地涌现出系统总体性状、结构与动力学行为。耦合作用耦合作用：两个（子）系统通过相互作用，批次影响一致紧密：两个（子）系统通过相互作用，批次影响一致紧密地联合起来。地联合起来。解耦作用解耦作用：通过互相作用后，两体系解除耦合关系，仍分别各：通过互相作用后，两体系解除耦合关系，仍分别各具特色、自成体系的现象。具特色、自成体系的现象。圈层间的相互作用圈层间的相互作用二十

14、世纪八十年代美国二十世纪八十年代美国John Martin提出了提出了“铁假说铁假说”，认为海，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，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。的浓度

15、、大气降尘的浓度与冰盖体积一起变化的记录。为了检验为了检验“铁假说铁假说”，近年来在东太平洋和南大洋，近年来在东太平洋和南大洋 先后进行了先后进行了“铁肥试验铁肥试验”，从船上将二价铁倾入海中，果然诱发出藻类勃，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，也证减少的原因，也证明了陆地明了陆地-海洋海洋-生物生物-大气之间环环相扣的因果关系。大气之间环环相扣的因果关系。 陆地陆地- -海洋海洋- -生物生

16、物- -大气之间环环相扣大气之间环环相扣: : 铁假说铁假说一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、各种时间尺度的周期性变化地球的演化在时间演化上具有不对称性和单向性，即不可逆性。经过陨石研究、高温高压试验以及宇宙化学、天体物理学、天文学、地质学和生物学研究，人们已经认识到不可逆演化过程。生物界生物界由低级到高级、由简单到复杂的不由低级到高级、由简单到复杂的不可逆进化可逆进化地球地球地球是如何演化

17、的？地球是如何演化的？太阳系的起源太阳系的起源(星云说星云说) 太阳周围的固体与气体物质，经过约太阳周围的固体与气体物质，经过约500万年快速旋转和万年快速旋转和冷凝；以固体颗粒冷凝；以固体颗粒(小圆球状的星子小圆球状的星子)为中心，通过反复随为中心，通过反复随机碰撞吸积、增大质量；逐渐形成太阳系的八大行星。机碰撞吸积、增大质量；逐渐形成太阳系的八大行星。一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、各

18、种时间尺度的周期性变化均变论均变论（郝顿和莱伊尔）（郝顿和莱伊尔）许多大变化是由一系列微小的变动逐渐积累而形许多大变化是由一系列微小的变动逐渐积累而形成的成的灾变论（居维叶）生物演化过程中，生物演化过程中，“没有一种缓慢进行的原因能没有一种缓慢进行的原因能产生突然的效果产生突然的效果”，“所以地球上的生命进程曾所以地球上的生命进程曾多次被可怕事件所打断多次被可怕事件所打断”，“地球表面曾经历过地球表面曾经历过相继的革命及各种灾变相继的革命及各种灾变”。 地球的演化，并不是匀速、线性地发展地球的演化，并不是匀速、线性地发展的，而是进行着变速的演化，表现为的，而是进行着变速的演化，表现为的的特征。

19、特征。 地球演化过程中既有地球演化过程中既有“均变均变”，也有，也有“灾变灾变”，呈现为一种，呈现为一种的变化过程，常常是一个较长时期的变化过程，常常是一个较长时期的、相对稳定的发展与一个较短时间的、的、相对稳定的发展与一个较短时间的、激烈变化的激烈变化的“灾变灾变”事件交替地演化。事件交替地演化。稳定期（均变期）稳定期（均变期）是一种是一种非平衡的相对静态非平衡的相对静态，演化呈现为相对有序的特征。这一时期，演化呈现为相对有序的特征。这一时期表现为：表现为： 大气圈的年平均温度基本稳定；大气圈的年平均温度基本稳定； 气候带的划分基本固定；气候带的划分基本固定； 海平面变化幅度较小；海平面变化

20、幅度较小； 生物稳定地繁衍、复苏或发育；生物稳定地繁衍、复苏或发育； 地磁极变化幅度较小；地磁极变化幅度较小； 地层内表现为连续沉积，地层之间呈现为整合接触关系；地层内表现为连续沉积，地层之间呈现为整合接触关系； 地球内部热能处于平稳地积累和释放状态，岩浆活动稀少地球内部热能处于平稳地积累和释放状态，岩浆活动稀少或微弱；或微弱； 变质作用主要发生在地壳下部，以埋藏变质为主；变质作用主要发生在地壳下部，以埋藏变质为主； 岩石圈内的构造应力平稳地积累或调整，主应力方向不太岩石圈内的构造应力平稳地积累或调整，主应力方向不太明显，差应力值较小岩石圈板块小幅度地升降，其水平位明显，差应力值较小岩石圈板块

21、小幅度地升降，其水平位移量也相当微弱，岩石仅发生微弱的变形。移量也相当微弱，岩石仅发生微弱的变形。活跃期（突变期或灾变期）呈现为极不平衡的呈现为极不平衡的无序无序状态。常表现为：状态。常表现为： 发生异常气象，大气温度剧变，气候带迁移发生异常气象，大气温度剧变，气候带迁移 海平面大幅度升降海平面大幅度升降 生物种群灭绝生物种群灭绝 地磁极翻转；地磁极翻转； 地层中出现沉积间断，地层间呈现出角度不整合接触关系；地层中出现沉积间断，地层间呈现出角度不整合接触关系； 地球内部热能大量释放，岩浆活动与各种变质作用剧烈；地球内部热能大量释放，岩浆活动与各种变质作用剧烈； 岩石圈内构造应力猛烈释放，岩石发

22、生强烈变形，构造应力岩石圈内构造应力猛烈释放，岩石发生强烈变形，构造应力的定向性明显，差应力值较大，板块升降幅度与水平位移量的定向性明显，差应力值较大，板块升降幅度与水平位移量都较大。都较大。 常发生大规模的陨击事件，各天体对地球的引力作用常出现常发生大规模的陨击事件，各天体对地球的引力作用常出现某种的异常变化。某种的异常变化。灾变事件以一定的先后次序依次发生：灾变事件以一定的先后次序依次发生： 首先，以一次巨大的陨击作用作为诱发因素，引起全首先，以一次巨大的陨击作用作为诱发因素，引起全球电磁场剧变和地磁极的翻转；球电磁场剧变和地磁极的翻转； 陨石撞击岩石圈表层引起大爆炸，粉尘升到大气圈上陨石

23、撞击岩石圈表层引起大爆炸，粉尘升到大气圈上部，遮蔽了太阳幅射能，造成全球气温骤降；部，遮蔽了太阳幅射能，造成全球气温骤降； 巨大的陨击坑使地表地形发生巨大变化，也可引起海巨大的陨击坑使地表地形发生巨大变化，也可引起海平面的剧烈变化，发生海啸；平面的剧烈变化，发生海啸； 陨击作用产生的粉尘落到地面上之后，形成一层富含陨击作用产生的粉尘落到地面上之后，形成一层富含铂族元素或重稀土元素异常的粘土层；铂族元素或重稀土元素异常的粘土层； 陨击作用后几年到数万年的时间内，大气与海洋环境陨击作用后几年到数万年的时间内，大气与海洋环境的巨大变化，不能适应环境的生物大量灭绝。的巨大变化，不能适应环境的生物大量灭

24、绝。2-5万年前重约万年前重约7万吨的陨石万吨的陨石，以每小时约，以每小时约6.9万千米的万千米的速度撞入地球，在美国亚速度撞入地球，在美国亚利桑那州的沙漠上留一个利桑那州的沙漠上留一个丑陋疤痕丑陋疤痕巴林杰陨石坑巴林杰陨石坑，而陨石本身在这个过程，而陨石本身在这个过程中粉碎了。陨石坑宽中粉碎了。陨石坑宽1264米，深米，深174米。米。一、地球是一个系统一、地球是一个系统二、地球动力系统二、地球动力系统三、开放的地球系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化五、不可逆的进化六、均变与灾变六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化七、各种时间尺度的周期性变化中国黄土沉积中国黄土沉积