三、地球表层的能量转换和物质循环

（一）地球表层的能量转换

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。① 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，

① 下中邦彦等编：《世界文化地理大系》第 2 卷，平凡社 1959 年版，第 128 页。

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 CO2，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 CO2 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① 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

① 太阳常数：在日地平均距离时，在地球大气不受衰减的高度上单位面积单位时间接受的直角入射的太阳辐射量，世界气象组织（WMO）把太阳常数值定为 1367±7 瓦/米 2。

气中去。

（二）地球表层的物质循环

地质大循环地质 大循环超出了地球表层范围，是宏观的物质循环。60 年代以后，地质力学认为岩石圈的构造是由板块组成的。在大洋中脊轴部断裂谷中涌出玄武岩熔岩构成新的海底，使原来海底向两侧扩张，其速度为 0.2—10cm/年。扩张到边缘，海陆两个板块相遇，海洋板块向陆地板块下俯冲，在大陆侧形成岛孤，海洋侧形成海沟。两个块板相撞处，地壳活动激烈，多火山、地震，如日本列岛——冲绳——台湾岛就是环太平洋岛孤火山带的一环，是亚洲板块和西部太平洋板块相撞形成的。当海洋板块俯冲完后，大陆板块相遇，发生褶皱、断裂，形成线状山系，如喜马拉雅山脉就是印度板块和亚洲板块相撞而形成的。俯冲下的板块熔入地幔中，通过地幔对流在大洋中脊又重新出露形成新的岩石，这样周而复始形成循环，每周期 2

—3 亿年（图 1-3）。在板块运动的同时，岩性也发生周期性变化，出露地表的晶质岩风化破碎松散后，被流水、风力带走沉积到低洼处（河、湖、海的底部）形成沉积岩。沉积岩没入板块底部熔于地幔中，在循环中出露地表又重新变成结晶岩，然后再在外力作用下形成新的沉积岩。1858 年在巴黎出版了一本名叫《揭开创造的神秘》的书，地理学家施奈德（A.Snider）以其丰富的想像力，发现地球各大陆似乎原来是连成一体的，他并用石炭纪时北美洲和欧洲植物化石几乎一致的事实作了说明。而后在 1912 年德国地理学家魏格纳（A.Wegener）发表论文，引证古生物化石的证据系统地阐述了大陆移动的地质历史过程。但是在科学水平还较低的当时，只能做为一种假说存在，而且引起很多非议。现代科学的发展，板块学说很有力地解释了大陆漂移说法的正确性。经科学家探测，在大洋中央没有 1 亿 5 千万年以上的沉积物，大洋中央海岭两侧的地磁异常分布相近，并与大洋中央海岭走向平行，而且发现沿 915 米深的大陆斜面各大洲有多处重合（图 2-3 黑色部分）。可见，对科学发展来说，最初的天才思索、丰富的想像与后来严谨的科学证明都是很重要的。

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。

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。
生物循 环指生态系统中生产者（绿色植物）、消费者（动物和人）、分解者（微生物）之间形成的有机界与无机界的循环。生物之间的物质循环与能量转换是同步进行的（具体过程请参看能量转换部分）。