表 1-3 地球各圈层质量

一、地球的外部圈层

（一）大气圈

从地表（包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体）到 16000km 高空都存在气体或基本粒子，总质量达 5×1015t，占地球总质量的 0.00009％。主要成分氮占 78％；氧占 21％；其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等， 占 1％。地球的表面为什么形成大气圈，这是与地球的形成和演化分不开的。地球在其形成和演化的过程中，总是要分异出一些较轻的物质，轻的物质上升，积少成多形成大气圈。我国古代也有这样的话：“混沌初开，乾坤始奠， 轻清者上升为天，重浊者下沉为地。”其实这就是讲的物质分异作用。上升的气体为什么不会从地球的表面跑到宇宙空间中，其主要原因是地球的引力把大气物质给拉住了，形成一个同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度是 11.2km/s，尽管气体物质很轻，其运动速度也很快，如氧分子的运动速度是 0.5km/s，氢分子的运动速度是 2km/s，但这种速度并不能使气体物质脱离地球的引力场。只有一部分氢和氦，在宇宙射线作用下可以被激发，产生很高的速度而跑掉一些。所以，大气圈中氧和其它气体的成分就相对增加了。

在太阳系中的其他星球，如月球、水星、火星等，则不同于地球的情况。月球的表面重力只有地球重力的 1/6，物质脱离月球的速度为 2.38km/s。所以月球上分异出的气体物质，很容易脱离月球，使月球不可能形成大气圈。水星离我们地球最近，其表面重力是地球的 1/3，脱离速度是 4.2km/s，气体比较容易跑掉，所以水星上也没有形成大气圈。火星表面的引力与水星的引力差不多，但火星的表面温度较低，气体分子运动的速度相对比较慢，所

以火星的四周还可以保存一部分大气物质，但比起地球来，气体是非常稀薄的。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多，因此在这些星球上都存在有大气圈。但它们的成分却与地球上的大不相同。由于这些行星的引力大，连氢、氦这些轻气体分子都能被吸引住，所以这些星球上的气体不适合各种生物的生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似，也存在有大气圈，但金星上没有植物进行光合作用，所以二氧化碳的含量很大。这样的条件也不适于生物的发展与生存。

地球大气圈成分是随着时间而变化的。当初大气中的二氧化碳可能达到百分之几十，大约在 3 亿年前，由于植物大规模繁盛，才演化成接近现今的大气成分，目前大气中的二氧化碳只有万分之 4.6。大约在 1 亿年前，大气的温度才接近现今的温度。从地史发展来看，二氧化碳的多少是影响地表温度的一个重要因素。若二氧化碳增多，地球的温度将会增高。根据有关资料， 自工业革命以来，二氧化碳的含量已增加 13％，因此人们推测地球的大气温度将会越来越高。

大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用：

1. 大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素。

2. 大气可以保护生物的生长，使其避免受到宇宙射线的危害。

3. 防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失，如若没有大气圈，地球上将不会存在水分。

4. 一切天气的变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。

5. 大气是地质作用的重要因素。

6. 大气与人类的生存和发展关系密切。大气容易遭受污染，大气环境的质量直接关系着人类健康。

（二）水圈

水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。它包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成一个连续而不规则的圈层。水圈的质量为 1.41×1018t， 占地球总质量 0.024％，比大气圈的质量大得多，但与其他圈层相比，还是相当的小。其中海水占 97.2％，陆地水（包括江河、湖泊、冰川、地下水） 只占 2.8％；而在陆地水中冰川占水圈总质量的 2.2％，所以其他陆地水所占比重是很微小的。此外，水分在大气中有一部分；在生物体内有一部分， 生物体的 3/4 是由水组成的；在地下的岩石与土壤中也有一部分。可见，水圈是独立存在的，但又是和其他圈层互相渗透的。

地球上有水，这好像是很平常的现象，与其它星球相比，则显得特殊了。如，月球、水星、金星上都没有水。金星的表面温度较高，水都变成蒸汽跑掉了。火星上的水不少于地球，但火星上的水几乎都是以冰的形式存在的。火星以外的行星表面温度更低，难于存在液态水，如土星光环，据查明是由冰块组成的。

大气圈中存在的水分只占水圈总量的十万分之一，但它的重要意义是不

能以百分比来衡量的。因为大气中的水分不时凝结为雨、雪降下，又不时从地面和海面得到补充。实际上，大气中的水汽成了水分循环的中转站。这个中转站对人类生存关系极大。每年大约有 4.46×1014t 的水分经过蒸发进入大气圈，同时也有相等数量大气中的水分经过凝结又降回大地，其中大约有1/5 降落在大陆上。

地球上的原生水，是地球物质分异的产物。目前火山喷发常有大量水汽从地下喷出便是证明。如 1976 年阿拉斯加的奥古斯丁火山喷发，一次喷出水汽即达 5×106kg。当然地球上的水圈是逐渐演化而成的。

水圈是地球构成有机界的组成部分，对地球的发展和人类生存有很重要的作用：

1. 水圈是生命的起源地，没有水也就没有生命。

2. 水是多种物质的储藏床。

3. 水是改造与塑造地球面貌的重要动力。

4. 水是最重要的物质资源与能量资源，水资源的多寡和水质的优劣直接关系着经济发展与人类生存。

（三）生物圈

指地球表面有生物存在并感受生命活动影响的圈层。目前世界上已知的动物、植物大约有 250 万种，其中动物占 200 万种左右，植物大约占 34 万

种左右，微生物大约有 3.7 万种。整个生物圈的质量并不大，仅仅是大气圈质量的 1/300，但它起到的作用却是很大的。生物圈具有相当的厚度。绿色植物的分布极限大约是海拔 6200m 左右，根据资料，在 33000m 高空还发现有孢子及细菌。总的来讲，生物圈包括大气圈的下层，岩石圈的上层和整个水圈，最大厚度可达数万米。但是其核心部分为地表以上 100m，水下 100m， 也就是说大气与地面、大气与水面的交接部位是生物最活跃的区域，其厚度约为 200m 左右，因为在这个范围内具有适于生物生存的温度、水分和阳光等最好的条件。

生物圈是在地球演化过程中形成的一个特殊圈层，大约在 30 亿年以前，

地球上才开始有了最原始的生命记录。大约从 6 亿年前才进入生命演化的飞跃阶段。地球上自从出现生物，便对地球的发展起着重要的特殊的作用。由于生物的生长、活动和死亡，使生物和大气、水、岩石、土壤之间，进行着多种形式的物质和能量的交换、转化和更替，从而不断改变着周围的环境。如植物在光合作用过程中，不断从大气中吸收 CO2，在反应中放出 O2，改变着大气的成分，同时将碳固定下来，并把它们的一部分埋藏在地壳中，形成大量的地壳能源。据估计，每年大约有 1.5×1010t 的碳，从大气转入到树木之中，煤碳就是地质时代树木被掩埋地下形成的。目前，每年大约形成含碳量达 3×108t 的泥碳。此外，空气中的 CO2，溶解到水中形成 HCO3-，与 Ca+ 结合形成 CaCO3，一部分为生物所吸收变成硬体（外壳、骨骼等），沉积而成为石灰岩。同时，生物也参予了土壤的发育。可以说，没有生物也就没有

今天的地球面貌，没有生物，也就不可能提供如此繁多的生物资源。