地表圈层的相互作用

相互影响、相互制约。
（1）大气圈 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层,存在于整个地球外层.大气圈是地球海陆表面到星际空间的过渡圈层,没有明显的上限,一直可以延续到800千米高度以上,只是越趋向外大气越少,在2000 ～ 16000 千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子.它包围着海洋和陆地.地下土壤和某些岩石中也会有少量空气,它们也可认为是大气圈的一个组成部分.图5-3-2 地球外部圈层　　大气圈对生物的形成、发育和保护有很大的作用.由于大气圈的存在,挡住住绝大多数飞向地球的陨石,拦截下太阳辐射中的大部分紫外线和来自宇宙的高能粒子流,保护了地球生命,免遭外来的打击.因此,大气圈是地球表面和生命的盾牌.　
　（2）水圈 水圈是指连续包围地球表面的水层,包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等,它是一个连续但不很规则的圈层.既有液态水,也包括气态水和固态水.　　从离地球数万千米的高空看地球,可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋,它使地球成为一颗“蓝色的行星”,又是一颗“水球”.　　水圈是地球特有的环境优势.水圈的运动和循环影响了地球上各种环境条件的变化,影响各个圈层,使地球处在不断地变换之中.更重要的是水对亿万种生命以及人类能在地球上生存和发展,具有决定性的意义.　　
（3）生物圈 生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层.生物圈是指地球表层生物有机体及其生存环境的总称,是一个有生命的特殊圈层.　　生物圈是地球特有的圈层,它是地球大气、水和地壳长期演化、相互作用的结果,它又参与了对岩石、大气和水等其他圈层的改造,对地表物质的循环、能量转换和积聚具有特殊作用.

（4）岩石圈，地质学专业术语，是地球上部相对于软流圈而言的坚硬的岩石圈层。厚约60~120公里，为地震高波速带。包括地壳的全部和上地幔的顶部，由花岗质岩、玄武质岩和超基性岩组成。其下为地震波低速带、部分熔融层和厚度100公里的软流圈。

地球是一个复杂系统，这就意味着它是由大量不同的、而且具有强相互作用(即非线性相互作用)的单元(子系统)所组成的系统。正是地球的各个子系统之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，这些就被称为地球系统的复杂性(complexity)。上面这个复杂性的概念，与平时所说的作用类型复杂(物理的、化学的与生物的)，作用的时间尺度变化(瞬时到几十亿年)，作用的空间范围变化(10－9～108m)的复杂概念差别很大。关于圈层相互作用的各种具体表现，在本书第四章至十一章中已经分别给予了介绍，此处不再详述。
地球各圈层间的强相互作用，说明各圈层之间发生着耦合与解耦作用。耦合作用是指两个系统通过相互作用，彼此影响以至紧密地联合起来的现象;解耦作用则指通过互相作用之后，两体系解除耦合关系，仍分别各具特色、自成体系的现象。例如壳幔边界与核幔边界就是如此，它们分别是以镁铁硅酸盐为主的地幔与以铝硅酸盐为主的地壳的边界以及铁镍地核与镁铁硅酸盐地幔的边界。由于耦合作用的结果，壳幔边界与核幔边界存在着复杂的过渡带;而在远离过渡带的地方，经过解耦作用才分别各具特色。任何两个相邻圈层之间都存在着一个复杂的过渡带，在该带内，物质成分不均匀地趋向混合;而在远离过渡带的地方，分别保持各圈层自身的特色。大气圈与岩石圈之间的过渡带是包气带，水圈与岩石圈之间的过渡带就是地下水含水层位与渗入岩石圈的流体赋存带。生物本身就是分别赋存在大气圈、水圈与岩石圈之中的。生物正是依靠上述4个圈层之间的相互作用获取营养(O2、CO2、水分、有机物并接受太阳辐射能)而维持生命的。反过来，生物也能通过其自身的新陈代谢作用而改变着大气的成分(净化或污染)，改变着水质，在岩石圈内发生着生物地质作用及生物成矿作用。在岩石圈底部也可以因为在一些层位含有超临界气体而变为软流圈。
不仅相邻两圈层之间可以互相作用、互相影响，而且相隔甚远的圈层其实也可能以某种形式互相影响着。例如在固体地球表层及其以上、大气圈下层内的重力场就受深部密度不同的物质分布的影响。地表的磁场则主要受地内核转速较快，使流体地外核与地幔间发生差异运动，造成磁流体的对流与旋涡，以致产生电磁场所控制。地表附近岩石圈内的地温场也是深部地幔传导热、对流热和壳内放射性元素(U、Th、K)蜕变热共同影响的结果。
地震发生前几天，由于深部地壳物质应力积累，产生微裂隙，逐渐扩大容积，放出气体，而使大气圈底部的空气发生局部的“温室效应”。利用卫星红外线遥感探测方法，及时掌握“热红外异常”的迁移规律就有可能成功地预报地震(彩图Ⅰ-4，据我国地震学家强祖基1996年的最新研究成果)。1996年2月3日，我国云南省丽江县发生7.0级强地震，根据卫星热红外温度异常的演化特征，强祖基等专家于震前49天做了预报。他们首先在震前52天(1995年12月13日)发现红河下游出现孤立的增温异常区，随后4天不断向西北部扩大，同东南部增温区连成一片。彩图Ⅰ-4是1995年12月16日(11时57分世界时)所摄，显示该区在12月17日当地傍晚时间(19时57分)金沙江孤立增温区与南部增温区连成一片。后来的震中发生在金沙江孤立增温区的西北边缘(程海附近)。此照片底部为色标，左端起始温度为260K，每向右移1格，温度增加1K。此外，大地震发生前夕的地声(次声波)、地光(电磁波辐射)、短时间的重力异常与磁异常变化、地下水位突然上升或降低、闷热、暴雨、异常气象或动物的异常反应等，都证明岩石圈深部的变形、应力释放对大气圈、水圈和生物圈会产生明显的影响。
近年来，厄尔尼诺现象引起了普遍的关注(图7-14)，它造成地表大范围内的异常气象，酷热、干旱、森林火灾、暴雨、洪涝，使人民生活受到严重的干扰。据研究，厄尔尼诺现象与海水增温有关。1997年3月份，东太平洋赤道附近的海水增温，超常年达6℃之多，到11月份大洋平均水温仍较常年高出3.3℃，造成东西长逾10000km、南北宽2000km的海水增温区。这样一个100多年来规模最大、强度最高、持续时间最久的厄尔尼诺现象，造成了严重的破坏作用。1998年，太平洋中的暖水主要集中在西部，于是造成西太平洋沿岸地区暴雨成灾，而东太平洋地区则比较干旱，这种异常气象被称为拉尼娜。但是，关于厄尔尼诺和拉尼娜发生的机制，则众说不一，例如有信风、季风影响，海流紊乱，地球自转速率变化，天体引力变化，洋底火山和地震等诱因。杜乐天在1996年提出厄尔尼诺可能与地幔大规模排气作用有关。厄尔尼诺的中心地区，恰好位于东太平洋洋脊三联点附近，该处是岩石圈厚度最薄、也是岩石圈最脆弱的部位，也是全球板块扩张速度最大的地区。这些高温、高压的地幔流体从洋脊三联点处溢出，必然造成海水温度的升高。该处洋流正好是自东向西流动，造成了近东西向展布的大规模海水温度升高区，从而引起附近大气圈内的异常气候。拉尼娜则可能是其滞后现象的表现。
这很可能是一种较合理的解释。尽管厄尔尼诺和拉尼娜形成机制问题比较复杂，但可以肯定，只有从圈层相互作用和按照地球是一个开放的动力系统的观点去认识，才有可能找到答案，不能只把它当作一种孤立的气象现象来研究。

我们现今看到的地球表部不仅景观绚丽多彩，而且也非常适合生物的生存和发展，是一片生机盎然的景象，这也是地球表部圈层相互作用的结果(图7-15)。然而，如果追溯到地球形成的初期，情况就完全不同了。那时地球表层的环境非常恶劣，岩石圈表面到处是岩浆喷溢而成的熔岩流，根本就没有水流，大气圈的温度也极高，并充满了来自岩浆的酸性气体和水蒸气，整个固体地球表面的环境是生物所无法忍受的。但是随着地壳的增厚，火山活动的减弱，大气圈的温度也逐渐降低，大气圈中一部分水蒸气也凝聚成水滴降落到岩石圈表面，并会聚在一些低洼的地方，形成最初始的海洋，这时地球上出现了液态水圈。水圈的出现使地球表层圈层之间的相互作用逐渐变得复杂起来。

图7-15 地球表部圈层的相互作用

大气圈与岩石圈的接触过程使岩石圈的表面矿物岩石发生了风化作用，岩石变得松软。在大气圈的降水过程中，不仅使大气中的酸性气体和温室气体减少，温室效应减弱，而且降落到岩石圈表面的水还可侵蚀岩石圈表面，改变着岩石圈的表面形态。被侵蚀或溶蚀下来的物质进入了水体，使水体的成分变得复杂，被搬运到低洼处(或海洋)，逐渐聚集起来。一些碎屑物质在重力的作用下逐渐从水体中沉积出来，而一些溶解的组分在水体中当达到一定的浓度时也会发生沉积作用。因此水圈的出现实现了岩石圈表层物质在水平方向上的迁移。尽管大气圈中水蒸气和其他气体含量降低了，但这时大气圈中氧气的含量还非常的低，阻挡不了大量的紫外线，陆地表面直接暴露在紫外线的照射之下，对生命产生危害，甚至可以杀死生命。但在水圈中，由于水体的阻挡作用，紫外线穿透水体的深度是有限的，在一定深度的水下就可以避免紫外线的杀伤作用，所以生命起初也只能在那里产生和发育。

地球上的生命最早出现在水圈中，最初始的生命是一些蓝藻、细菌等生物。虽然它们都很原始，也很细小，但它们的光合作用吸收二氧化碳，释放出氧气进入大气圈和水圈，从而逐渐改变了大气圈性质，也改变了地球表层的性质，这是具有里程碑意义的变化，可以说它们是地球的拓荒者。大气圈含氧气多了，加强了大气圈对岩石圈的风化作用，原先一些不能进行的风化作用也成为可能。大气圈中的氧气，本身就有吸收紫外线的能力，而同时在紫外线的作用下又能形成臭氧，臭氧能阻挡波长相对较长的那部分紫外线，从而大大减少了紫外线直射大地，使地球表部形成一个能允许生命生存的环境。水圈中的蓝绿藻在进行光合作用的同时，也消耗水体中的CO₂，在他们死亡后还可造成水体中的碳酸盐沉积，使相当一部分CO₂被固化在岩石圈中。随着大气圈中氧气含量逐渐增加，水中的生物也不断地向水的表层发展，最终登上了陆地。生物登陆，使生物圈体系发育完整，真正形成了一个包围地球的连续的圈层，从而对岩石圈和水圈产生了更为明显的影响。陆地上的绿色植物进行着大气圈中碳的转换，是调节大气圈CO₂含量的重要枢纽，也影响大气圈的气候变化。陆地上的生物风化作用使岩石圈的表层形成土壤，又为生物的生长提供更优越的条件。陆地生物的生长影响了水的运动和分布，也影响水圈对岩石圈的作用过程。

在大气圈、水圈、生物圈之间发生相互影响和相互作用的同时，也受到了来自岩石圈的影响。地壳运动(在后面的章节中论述)在垂直和水平两个方向上不断改变岩石圈的位置和形态，影响水圈、生物圈和大气圈的运动特征和性质。一些地区的地壳运动上升或沉降，使岩石圈表面地形高差变大，不仅引起大气圈的气体运动形式和强度发生变化，而且引起地球表部的气候格局也发生变化，这种影响直到今天还在继续。如青藏高原的隆起造成我国西部地区的干旱、荒漠化以及东亚季风的形成。由此陆地上的水便获得更大的动力，侵蚀作用加强，不仅把陆地侵蚀成沟壑纵横，山奇石异的地貌，而且把大量的物质搬运到海洋或其他低洼处沉积，从而加强了岩石圈的物质循环。由于气候的变化，水体分布的变化，生物的分布和形态也发生变化，在干旱少雨的地区，不仅生物稀少，而且形态也比较特殊，在一些高山地区，生物出现明显的垂直分带现象。

总之，地球表部四个圈层之间的相互作用是很错综复杂的，无论现今见到的地球表层的景象，还是地球历史时期的状态，都是各圈层之间相互作用的结果(图7-15)，而且这种景象还不是静止的，时时刻刻都在变化着，是一个动态变化的相对平衡。近20年来，美国宇航局(NASA)所倡导的“地球系统科学”，其主要研究内容就是上面所述的地球表部四个圈层之间的相互作用———全球变化(global change)。这些圈层的相互作用对于人类社会的存在和发展具有极其重大的影响，必须给予足够的重视。这是当今地球科学研究的重点问题和前缘领域之一。

思考题

1.地球表层的岩石为什么能变得松软?

2.不同气候条件下形成的土壤有什么不同?

3.生命活动是如何改变其他圈层性质的?

4.水是如何改变岩石圈的形貌的?

5.假使地壳是稳定的，那么地表形态将如何演化?

6.地球表部圈层间的相互作用的纽带是什么?

7.地球表部环境变化的动力因素是什么?

进一步阅读的书目

1.徐成彦等.1988.普通地质学.北京:地质出版社.

2.刘本培等.2000.地球科学导论.北京:高等教育出版社.

3.王建.2001.现代自然地理学.北京:高等教育出版社.

4.毕思文.2003.地球系统科学导论.北京:科学出版社.

5.李天杰等.2004.土壤地理学.北京:高等教育出版社.

6.张兰生等.2000.全球变化.北京:高等教育出版社.

7.殷鸿福，张文准，张志坚等.1999.生物成矿系统论.武汉:中国地质大学出版社.

8.Frank Press et al.1982.EARTH.W.H.Freeman and Company.