【正文】 第六章 水圈系統(tǒng) 水圈的演化 : 水從無(wú)到有 ： 自生說(shuō)；外生說(shuō) 自生說(shuō) ?地球從 原始星云 凝聚成行星后，由于內(nèi)部溫度變化和重力作用，物質(zhì)發(fā)生分異和對(duì)流，于是地球逐漸分化出圈層。在分化過(guò)程中，氫、氧等氣體上浮到地表，再通過(guò)各種物理和化學(xué)作用最后生成水。 ?水是在 玄武巖 先熔化后冷卻形成原始地殼的時(shí)候產(chǎn)生的。初生的地球，在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)和凝聚的過(guò)程中，由于本身的凝聚收縮和內(nèi)部放射性物質(zhì)（如鈾、釷等）的蛻變生熱，溫度不斷增高，因此地球內(nèi)部的物質(zhì)也開(kāi)始熔化，高熔點(diǎn)的物質(zhì)下沉，易熔化的物質(zhì)上升，從中分離出易揮發(fā)的物質(zhì) :氮、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸氣。 ? 地下深處的 巖漿中 含有豐富的水，實(shí)驗(yàn)證明，壓力為 15KPa，溫度為1000度的巖漿，可以溶解 30%的水?；鹕娇谔幍膸r漿平均含水 6%，有的可達(dá) 12%，而且越往地球深處含水量越高。據(jù)此，有人根據(jù)地球深處巖漿的數(shù)量推測(cè)在地球存在的 45億年內(nèi)，深部巖漿釋放的水量可達(dá)現(xiàn)代全球大洋水的一半。 ? 火山噴發(fā) 釋放出大量的水。從現(xiàn)代火山活動(dòng)情況看，幾乎每次火山噴發(fā)都有約 75%以上的水汽噴出。 1906年維蘇威火山噴發(fā)的純水蒸氣柱高達(dá) 13000米，一直噴發(fā)了 20個(gè)小時(shí)。阿拉斯加卡特邁火山區(qū)的萬(wàn)煙谷，有成千上萬(wàn)個(gè)天然水蒸氣噴出孔，平均每秒鐘可噴出 97一 645度的水蒸氣和熱水約 23000m3。據(jù)此有人認(rèn)為，在地球的全部歷史中，火山拋出來(lái)的固體物質(zhì)總量為全部巖石圈的一半，火山噴出的水也可占現(xiàn)代全球大洋水的一半。 ? 地球內(nèi)部礦物脫水 分解出部分水，或者釋放出的一氧化碳、二氧化碳等氣體，在高溫下與氫作用生成水。此外，碳?xì)浠衔锶紵部梢陨伤?，在?jiān)硬的火成巖中，也有一定數(shù)量的結(jié)晶水和原始水的包裹體。 外生說(shuō) ? 人們?cè)谘芯壳蛄?隕石成分 時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中含有一定量的水，一般為 %5%，有的高達(dá) 10%以上，而碳質(zhì)球粒隕石含水更多。球粒隕石是太陽(yáng)系中最常見(jiàn)的一種隕石，大約占所有隕石總數(shù)的 86%。一般認(rèn)為，球粒隕石是原始太陽(yáng)最早期的凝結(jié)物，地球和太陽(yáng)系的其他行星都是由這些球粒隕石凝聚而成的。 ? 太陽(yáng)風(fēng) 到達(dá)地球大氣圈上層，帶來(lái)大量的氫核、碳核、氧核等原子核，這些原子核與大氣圈中的電子結(jié)合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過(guò)不同的化學(xué)反應(yīng)變成水分子，據(jù)估計(jì)，在地球大氣的高層，每年幾乎產(chǎn)生 宇宙水 。然后，這種水以雨、雪的形式落到地球上。 太陽(yáng)風(fēng) 是從恒星上層大氣射出的超聲速等離子體（帶電粒子）流。 水從少到多、從酸性到堿性 ： ?經(jīng)過(guò)以上的自生和外生過(guò)程，從而使地球上的水量逐漸發(fā)生變化。據(jù)估計(jì)，35億年前地球表層的水量只有目前的 1/10。水通過(guò)巖漿活動(dòng)和火山噴發(fā)由地球內(nèi)部逸出，從而使地球水圈的水越來(lái)越多。目前每年約有 660km3的水從地慢逸出。 ?原始酸性的大洋水與當(dāng)時(shí)偏于基性的火成巖發(fā)生作用，會(huì)產(chǎn)生中性或偏堿性的溶液，原始的酸性大洋便逐步改變其性質(zhì)，主要的碳酸根和重碳酸根離子成分逐步被氯原子所取代。早期的大洋便隨著向氯離子為主的現(xiàn)代大洋過(guò)渡。在距今 15一 20億年時(shí)，海洋中出現(xiàn)真核細(xì)胞的綠色植物，通過(guò)綠色植物的光合作用產(chǎn)生大量的 游離氧 ，不但滿足海洋中各種氧化反應(yīng)，而且從水中逸至大氣中，使水圈和大氣圈開(kāi)始具備現(xiàn)代特點(diǎn)。此時(shí)有了足夠的游離氧，從而使二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸根，還原硫轉(zhuǎn)化為硫酸根，海水中除了含大量的氯化物以外，又增添了大量的碳酸鹽和硫酸鹽。 隨著微生物光合作用的加強(qiáng)，海水中的二氧化碳減少， pH值提高 ，使古代酸性海水逐漸演變成由氯化物和硫酸鹽組成的弱堿性的現(xiàn)代海水。此后，從寒武紀(jì)到現(xiàn)在，海水性質(zhì)沒(méi)有很大變化。 從汽到水、冰 : 根據(jù)以上事實(shí)說(shuō)明地球內(nèi)部含有大量的水，這些水是當(dāng)宇宙中的塵埃凝聚成地球時(shí)，同時(shí)被封存在地球的原始球粒隕石中。由于當(dāng)時(shí)地球溫度很高，原物質(zhì)處于熔融狀態(tài) 。地球自轉(zhuǎn)速度也很快 (35億年前，地球自轉(zhuǎn)的速度約為現(xiàn)在的 6倍，那時(shí)地球上的一天一夜只有 4h)。由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的重力離心分異，使重物質(zhì)下沉，輕物質(zhì)上升?；顒?dòng)性最強(qiáng)而又是最輕的物質(zhì)之一的水，便轉(zhuǎn)移到地球外殼。包含在巖漿中的水，也隨著巖漿的逐漸凝固被排擠出來(lái)。這些被擠壓出來(lái)的水呈水汽狀態(tài)，在高空凝結(jié)為云，飄浮在地球上空。此后，地面溫度逐漸降低，濃厚的水汽逐漸冷凝成水降到地面，形成原始水圈。據(jù)估計(jì)，大約 6億年前，地表溫度降低到 30度左右時(shí)，巖漿中擠出的水大約有99%都降落到地面，形成為地球表面的水。此后，由于溫度繼續(xù)下降，地表形態(tài)的變化，氣溫在各地的差異等，在某些高緯、高海拔地區(qū)，尤其是在寒冷的冰期來(lái)臨時(shí)，水又由氣態(tài)、液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)。逐步形成了氣態(tài)水、液態(tài)水和固態(tài)水共存，三態(tài)相互轉(zhuǎn)換的水圈現(xiàn)代水圈。 從地理學(xué)的角度，水的作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面： ?水是全球熱量交換的載體 地球輻射差額在 35176。S— 35176。N為正，其他為負(fù)，但全球的溫度能維持相對(duì)的穩(wěn)定，是因?yàn)楦叩途曋g主要通過(guò)大氣環(huán)流和洋流交換熱量，而 水分則是主要的載體 。 ?水是塑造地貌的主要外營(yíng)力 內(nèi)力作用形成宏地貌，而外力作用（主要是水）對(duì)宏地貌進(jìn)行 “ 雕刻 ” ，形成微地貌。 第一節(jié) 地球上水的分布 地球 “水的行星 ” 地球上水的分布：水平、垂直 水平：主要表現(xiàn)為海陸分布 垂直：大氣圈、生物圈、巖石圈 第二節(jié) 水循環(huán)與水量平衡 一、水循環(huán) (water cycle) 概念：地球上各種形態(tài)的水，在太陽(yáng)輻射、地心引 力等作用下，通過(guò)蒸發(fā) (evaporation)、水汽 輸送、凝結(jié) (condensation)降水 (precipitation)、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)，不 斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。 水循環(huán)基本過(guò)程 地球上的水循環(huán)過(guò)程 : 蒸發(fā) 水汽輸送 降水 徑流 (地表徑流和地下徑流 ) 水循環(huán) 水循環(huán)機(jī)理 ?服從質(zhì)量守衡定律； ?太陽(yáng)輻射和重力是基本動(dòng)力； ?涉及水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈； ?全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開(kāi)放 系統(tǒng)。 水循環(huán)的基本類型 ?大循環(huán)： 概念：發(fā)生在全球海洋與陸地之間的水分交換過(guò)程。 又稱為 外部循環(huán) 。 ?小循環(huán) 概念：發(fā)生在海洋與大氣之間，或陸地與大氣之間 的水分交換過(guò)程。 又稱為 內(nèi)部循環(huán) 。 ●海洋小循環(huán)：海洋與大氣之間的水分交換過(guò)程。 ●陸地小循環(huán)：陸地與大氣之間的水分交換過(guò)程。 全球水循環(huán)的層次結(jié)構(gòu) 水體的更替周期 T為更替周期； W為水體總貯水量；△ W為水體年平均參與水循環(huán)的活動(dòng)量。 W/ △WT ?二、水量平衡 (water balance) 概念：任意區(qū)域在任意時(shí)段內(nèi)，其收入 (input)的水 量與支出 (output)的水量之差額必等于該時(shí) 段區(qū)域內(nèi)蓄水的變化量。 全球水量平衡方程 ： P全球 =E全球 全球水量平衡：盡管對(duì)于全球海洋陸地的蒸發(fā)量 、降水量與徑流量的估算值還不完全相同 ， 但有一點(diǎn)是共同的 ， 就是全球的水量是平衡的 。 全球水平衡 （數(shù)據(jù)來(lái)自 John Mbugua,1995） 第 六 章 水量平衡的研究意義： 水量平衡研究是水文、水資源學(xué)科的重大基礎(chǔ)研究課題，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 ?可以定量地揭示水循環(huán)過(guò)程與全球地理環(huán)境、自然生態(tài)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系、制約的關(guān)系； ?是人們認(rèn)識(shí)和掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各種水體的基本特征、空間分布、時(shí)間變化以及今后發(fā)展趨勢(shì)的重要手段； ?為工程規(guī)劃提供基本設(shè)計(jì)參數(shù)，以及用來(lái)評(píng)價(jià)工程建成以后可能產(chǎn)生的實(shí)際效益； ?水量平衡方法是合理處理各部門(mén)不同用水需要，進(jìn)行合理調(diào)度、充分發(fā)揮工程效益的重要手段。 第三節(jié) 水分運(yùn)動(dòng)和輸送 一、海水的運(yùn)動(dòng)和輸送 海水的運(yùn)動(dòng)類型：洋流運(yùn)動(dòng)、潮汐運(yùn)動(dòng)、波浪運(yùn)動(dòng) （一）洋流運(yùn)動(dòng) 概念及分類 概念 :海洋中具有相對(duì)穩(wěn)定的流速和流向的海水。 類型（按成因） ： 風(fēng)海流、密度流、補(bǔ)償流 潮流（一般不算作洋流）由天體引潮力所引起，它和潮汐共存。其運(yùn)動(dòng)形式有旋轉(zhuǎn)流（回轉(zhuǎn)流）和往復(fù)流（如錢(qián)塘江）。 （ 1）風(fēng)海流 在穩(wěn)定的盛行風(fēng)作用下形成的洋流。 其影響深度，一般為 200m左右。 （ 2）密度流 是由于海水密度分布不均勻引起的洋流。 海水密度 分布不均勻而使海區(qū)形成了壓力梯度，海水從高壓 區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)，所以又稱梯度流。 （ 3）補(bǔ)償流：是由于海水從一個(gè)海區(qū)大量流出，而另一個(gè)海區(qū)海水流來(lái)補(bǔ)充而形成的。 補(bǔ)償流可以是水平流動(dòng)，也可以是垂直流（上升流和下降流）。 世界著名的上升補(bǔ)償流 離岸風(fēng)形成的上升流（涌升流）： 海區(qū) 離岸風(fēng) 補(bǔ)償流名稱 北太平洋東岸 東北信風(fēng) 加利福尼亞寒流 南太平洋東岸 東南信風(fēng) 秘魯寒流 北大西洋東