第十一章 地球的环境
地球上一切生物的生存和发展都离不开空间和物质基础，简单来说这种空间和物质所构成的一个系统就是环境（environment）。因此，环境既有空间的概念，也有物质组成的概念。在现代环境科学中，把环境定义为以某个事物为中心的周围的一切事物。显然，环境的存在是以一个中心事物为对象的，它不仅随中心事物性质的改变而改变，也会随中心事物的消失而消失。因此，中心事物与周围事物这一对矛盾的统一体，就构成了环境。
我们通常说的环境，是以人类为中心事物的。因为研究环境的目的在于如何使人类与周围事物协调发展，为人类提供一个更美好的生存空间。因此，一般把人类环境定义为以人为中心事物的周围一切生物和非生物的、经济基础和上层建筑的综合体。人类环境（human environment）通常可划分为人类的自然环境（简称自然环境）和人类的社会环境（简称社会环境）。其中，自然环境是指人类在地球上赖以生存和发展的必要的物质基础，是人类周围各种自然因素的总和，如阳光、空气、土地、能源等等。
自然环境是人类生存和发展的决定性因素，人类的一切生命活动和生产活动都离不开自然环境。地球给人类所提供的自然环境（简称地球的环境）正是当代地球科学所研究的重要内容之一，它直接关系到人类社会未来的可持续发展问题。地球的环境是一个很复杂的系统，它包括大气环境、水环境、生态环境、地质环境和地理环境等。人类所生存的地表是这些环境相互影响、相互作用和相互制约形成的一个综合体。
第一节 地球的大气环境
一、大气圈的主要作用
地球的外部被一层厚厚（几千公里）的大气包裹着，就像人穿上一件外衣一样。它不仅保护着地球，尤其是地球上的生物，而且为地球表层生命提供生存所必需的O2及其他气体，同时在为地球表层创造一个温、湿适宜的环境中起着重要作用。
（一）阻挡紫外线
入射到地球上的辐射来自太阳和宇宙中的其他星体，其中以太阳辐射量最多，而来自宇宙其他星体的辐射量只相当于太阳辐射量的亿分之一。太阳辐射的能量主要集中在可见光（波长0.4～0.76μm），但也有少量的紫外线（波长小于0.4μm）和红外线（波长大于0.76μm）。若人体或一些动植物过多地受紫外线照射是有害的。
当太阳辐射穿过大气圈时，大气中的一些物质对太阳辐射的不同波长会产生选择性吸收。可见光部分被吸收的很少，而紫外线和红外线则被大量地吸收，且主要发生在暖层和平流层。当太阳辐射穿过暖层时，波长小于0.175μm的紫外线被该层氧原子吸收，因此氧也呈高度电离的状态。而余下部分的紫外线（波长为0.175～0.4μm），在穿过平流层时，又被该层的臭氧吸收掉99％以上。所以，真正达到地表的紫外线是很少的。正由于暖层和平流层对太阳辐射紫外线的大量吸收，才使地球上的动物和人类能生活在这把保护“伞”之下。
（二）保温作用
大气圈不仅阻挡了大量来自太阳和宇宙中的紫外线，同时还起到保温作用。正由于大气圈的存在，才使地面的平均温度为14℃。起保温作用的气体通常称温室气体，主要有二氧化碳（CO2）、水汽（H2O）和甲烷（CH4）。这些气体对太阳辐射的吸收不同于氧气和臭氧。二氧化碳仅对红外区波长为4.3μm附近的辐射吸收较强。水汽虽然在可见光和红外区都有吸收带，但吸收最强的是在红外区（波长0.93～2.85μm）。这些波段的辐射在太阳辐射中占得很少，而主要是可见光。因此，在太阳辐射穿过大气圈时，被这些气体吸收的辐射是很少的。
到达地面的太阳辐射，有一部分被地面的物体所吸收。这些吸收太阳辐射的物体，又依据物体的温度不断发出辐射，这种辐射属长波辐射。大气中的水汽、二氧化碳等气体对来自地面的长波辐射吸收率很高（75％～95％），这样就把一部分的太阳能残留在低层大气中。由于大气本身也存在辐射，会把热量不断向高空传递，只要大气中这些温室气体的含量变化不大时，大气吸收的辐射能量与大气本身放出的辐射能量基本保持平衡。因此，也就保持地面的平均温度变化很小或基本不变了。
（三）调节能量分配和改造地面性质
大气时刻处在运动之中，大气运动的根本性原因是大气吸收太阳辐射和地面辐射量多少造成的。大气吸收辐射能越多，气压就越低，那么位于高压区的气体就向低压区运动。由于地球是一个球体，太阳辐射量随纬度有规则地变化。因此，在大气的环流下，把热量从低纬度运送到高纬度地区，不断调节着能量的分配。而来自高纬度地区的气体，对低纬度地区又起到降温的作用。
运动的大气对大气中的一些物质（尤其污染物）有扩散的作用，是使城市污染空气稀释和扩散，降低大气污染的重要途径之一。接近地面的运动大气，对地表的形态及地面性质有着重要的改造作用。大气吹蚀地表，形成各种风成地貌。在南、北纬30°左右的位置上，由于受到吹向赤道的干热空气的影响，在这个带上形成干燥少雨的沙漠景观。
二、气候带
一个地区的天气常是变化无常的，而气候则相对稳定一些。所谓的天气是指各种气象要素和天气现象的短时间综合状况；而气候则是指一个地区多年平均天气状况的综合。一个地区的气候通常用气温、降水量、风和湿度等要素来表示的，而影响一个地区的气候的因子很多，如太阳辐射、大气环流、地面性质等。因此，在全球几乎找不到气候完全相同的两个地区。但如果对气象要素和影响因子舍其小异、取其大同，是可以把世界气候分成若干个气候带的。
热带气候带 位于南、北回归线之间，该带的总体特征是：终年高温，最冷月平均气温在10～18℃以上；四季不显；受太阳辐射和大气环流的影响；降水量有旱季和雨季变化，且总降雨量从赤道附近向两侧逐渐减少。热带气候带包括赤道多雨气候、热带海洋性气候、热带季风气候、热带半干旱和干旱气候。
温带气候带 可分为北温带气候带和南温带气候带，但气候特点相似。该带的总特征是：四季分明，最冷月的平均气温在15～18℃以下；年总降雨量比低纬度带气候带少，海洋性气候偏潮湿，大陆性气候偏干旱。温带气候带包括副热带干旱与半干旱气候、副热带季风气候、副热带湿润气候、副热带干燥气候、温带海洋性气候、温带季风气候、温带大陆性湿润气候、温带干旱与半干旱气候。
寒带气候带 位于极圈以北（北半球）或以南（南半球）的地域，气温低，无夏季，降雨少，蒸发弱，无干旱景观，有大片沼泽和冻土发育，有极昼或极夜现象。该带包括副极地大陆性气候、极地长寒气候。
三、气象灾害
所谓气象灾害是指由气象要素变化而引起的自然灾害。常见的气象灾害有台风、龙卷风、旱涝、霜冻、酷热等。
（一）台风
台风是形成在热带海洋上的强大而深厚的热带气旋，风速可达 20～50 m/s，大者可达110m/s。通常把形成于西太平洋地区的热带气旋称台风；东太平洋和大西洋地区称飓风；印度洋地区称热带风暴；南半球称热带气旋。热带气旋按强度一般分为4级，中心最大风速在7级以下者，称热带低压；8～9级者为热带风暴；10～12级者称强热带风暴；等于或大于12级者称台风。
台风的范围通常在 600～1000 km，最大的可达 2 000 km。台风环流伸展的垂直高度可达 12～16 km。台风主要发生在南、北纬5°～20°海水温度较高的洋面上，全球台风发源地主要有8个海区。台风在海面上形成后，就随着气流的运动而发生迁移登陆，登陆后的台风随着向陆地的伸入逐渐减弱至消失。
北半球的台风多发生在夏秋季节，而南半球则发生在1～3月。台风的破坏力极大，我国东部沿海，尤其是东海和南海沿岸地带受台风影响最为严重。
（二）龙卷风
龙卷是积雨云中伸展出来的漏斗状的涡旋云柱，龙卷伸展到地面时引起强烈的旋风，称为龙卷风。龙卷有时悬挂在空中，有时延伸到地面。出现在陆地上的，称陆龙卷；出现在海面上的，称海龙卷。
龙卷风的特点是持续时间短、活动范围小（直径从几十米到几百米）、中心气压极低、风速快（100～200 m/s）。龙卷风具有极大的破坏力，能把人、畜、物卷入至空中带到它处。一般认为龙卷风的形成与积雨云中强烈升降气流有关。
龙卷是一种强的中、小尺度的天气系统，在台风内的龙卷有时很多，例如美洲五次飓风内有115个龙卷。 1962～1967年在我国共产生23个龙卷台风。 1956年9月 24日在厦门登陆的龙卷台风，从长江口出海时，在嘉兴和上海出现了龙卷，把黄浦江边一只11万kg重的油桶吹到空中近 17 m高，掷到 100多m以外的地方。
从世界范围来看，龙卷主要发生在中纬度（20°～50°）地区。美国是龙卷出现最多的国家，平均每年出现500次左右；澳大利亚、日本次之。我国主要出现在华南、华东一带。
（三）旱涝灾害
旱是指降雨量偏低正常值（平均值），而涝是指降雨量高于正常值，至于降雨量偏离正常值多少才能算旱或涝，还没有一个定量的概念，但是旱或涝肯定能造成灾害。我国是一个多旱涝的国家，几乎每年都有旱涝灾害发生。从全国来看，较大旱涝的发生周期约为3年。大旱年“赤地千里，川竭井枯，百谷无成，野无寸草”；大涝年“平地行舟，河谷尽没”。我国南北方旱涝发生的时间有点差别，南方以春涝秋旱为特征，而北方则是夏涝冬春旱为特点。旱或涝都给人们的生活、生产以及生命带来严重的影响。1931年，长江的洪水灾害，造成了自沙市以下沿江城市全部被淹，武汉市受淹达百日之久，受灾人数达2 855万人， 14.5万人死亡，经济损失达13.5亿元（银元）。
旱涝的发生是受多种因素影响的，其中大气环流、海水温异常变化、太阳活动、地球自转等因素较为重要，而我国的旱涝主要受西太平洋副热带高压的影响。旱涝在时间上具有交替出现的现象，而且具有一定的周期，如华北地区的旱涝具有5年、10～11年、35～40年、100年的周期，掌握旱涝发生的周期，对进行抗旱防灾是有指导意义的。
（四）霜冻
霜冻是指在春、秋农作物生长季节里，由于温度骤降到0℃以下，致使农作物受到危害，甚至死亡。由于我国大部分地处温带和副热带地区，该区地形复杂，大气型式多变，日夜温差较大，是极易发生霜冻的。每年秋季发生的第一次霜冻叫初霜冻，它影响农作物的抽穗、扬花和成熟；春季发生的最后一次霜冻叫终霜冻，其危害主要影响春播、出苗和越冬作物的反青。我国每年都遭受不同程度霜冻的危害，如1972年8月中、下旬北方出现了一场早霜冻，比历年出现的最早霜冻提前了10～20天，致使5个省份受到严重冻害；90年代初我国华东地区的一次霜冻，使浙江、江西、江苏等地的桔子树被冻死，造成了巨大的经济损失。
四、大气污染
（一）大气污染的概念
大气污染是指大气中一些物质的含量远远超过正常本底含量，对人体、动物、植物和物体产生不良影响的大气状况。大气污染既可因人类活动造成，也可由自然因素引起。但随着人口的剧增及工业化和城市化的快速发展，人类活动成为造成大气污染的主要原因。
（二）大气污染源及污染物
大气污染源有人为源和自然源。自然源如森林大火、火山喷发、地震等释放出来的各种气体、烟尘、粉尘等。这些污染源一般都超出了人类所能控制的范围。
人为污染源是人类生产和生活过程中所排放的污染大气的物质。又可分为工业企业污染源、家庭炉灶及取暖设备排放源和交通污染源。这些污染源排放的污染物主要有烟尘、SO2、CO、NOx、SO、H2S、CO2、铅尘、有机化合物等。据统计，世界每年排入大气的有害气体就达6.14亿t、CO2达64亿t（1997年）。目前，城市里最主要的污染源是汽车，它不仅具有排污源低、分散等特点，而且污染物也很复杂。据1998年的统计，北京每年由汽车排出的铅就达2 800t，大气中的NOx主要来自汽车。北京市的大气污染状况已使她列入全球十大严重大气污染城市之内。
（三）大气污染的危害
大气污染的危害是多方面的，首先是对人体产生直接的危害。人体会随着呼吸有害有毒气体的增多，出现慢性中毒、急性中毒和致癌作用。长期呼吸浓度较低的有害气体，将产生慢性疾病，如交通警较园艺工人易患支气管炎、肺病。如污染空气中有害气体浓度很高，人将会出现急性中毒乃至死亡，如1952年英国伦敦烟雾事件，就造成了近4 000人死亡。大气中的某些有机化合物还能致癌。因此，大气污染对动物、植物、水体生态环境都有危害。
大气污染的另一个后果是产生“温室效应”。出现温室效应的主要原因是人类排放大量的CO2。正如前述，CO2能吸收较多的来自地面的长波辐射，把大量的热量截留在低层大气中，使近地面的温度升高。据研究，若大气中CO2含量增加10％，气温就相应升高0.3℃。1920～1940年间，由于全球燃料消耗迅速增加，大气中的CO2含量也快速增加，地面的平均气温升高了近0.4℃。1994年，大气中CO2的含量达358.8×10-6，较1970年增加了33.3×10-6，较工业革命前上升了78.8×10-6，预计到2000年，将增到379×10-6。受“温室效应”的影响，将会导致两极冰川融化、海平面上升、气候带北移、地理景观变化、虫灾增加等现象。可见“温室效应”将危及全人类。
大气污染还将造成酸雨。酸雨是指pH值低于5.6的大气降水，主要是大气污染物SO2和NOx引起的。它对人体、物体、水体以及动植物都有影响。1939年，记录到第一次偏酸性降雨的pH值为5.9，到50年代酸雨的pH值就降到了3～5，最低达2.1。我国东部地区的酸雨比较严重，主要是四川、贵州、广西、湖南、湖北等省。pH值小于5.6的降雨面积已从1985年的175×104km2，扩大到1993年的280×104km2。
自从1974年美国学者罗兰德提出大气圈平流层的臭氧（O3）量正在减少的观点以来，臭氧量的减少越来越受到关注。导致臭氧量减少的原因是人类排放了大量的消耗臭氧的物质（四氯化碳、氟氯烃、一氧化二氮、甲烷等）。这些物质经上升气流送到高空，与臭氧发生反应，形成氧气和其它氧化物，使臭氧量减少。平流层中臭氧的减少，将导致到达地面的紫外线增多，这将会严重威胁人体健康，也使生物遭受危害、农作物减产等。
（四）大气环境的保护与治理
1.减少或控制大气污染物的排放
大气污染是由污染源排放污染物造成的，控制大气污染物的来源是控制大气污染的关键。减少或控制大气污染物的排放量一般有两种方法，即浓度控制和总量控制。浓度控制是使排出废气中的有毒和有害成分降低到规定标准以下，这对于控制污染源密集度低和污染程度较轻的地区是一种基本手段。总量控制是对整个地区排放的污染物总量加以限定，从而达到改善大气环境的手段，这对于污染严重和污染源较集中的地区是一种有效的方法。
为了实现大气污染的控制，可根据污染源和污染物的特性，采取不同的具体措施，如改变能源结构、进行技术革新、改进生产工艺等等，使大气污染控制到最低限度。随着科学技术的发展，一些新型的无污染能源有望得到利用，这将会完全改善大气质量。
2.合理的城市和工业布局及规划
为了控制大气污染，改善生存环境，一座城市的建设必须有一个长远的规划。从环境保护角度出发，在城市规划和布局上应从这几方面考虑：①地理因素。在一些易形成逆温层的谷地和盆地地区，不宜把工业区建在这些地方。②风向。一个城市工厂应布置在盛行风的下风向，而居民区则建在上风向。③工业区不宜集中。因污染物排放量过大将影响被稀释和扩散的速度。
3.发展植树绿化
植树绿化不仅可以美化环境，而且还可吸滤各种毒气、截留粉尘、净化空气，起到保护大气环境的作用。因此，应把植树绿化作为改善大气质量的一种基本途径。
五、大气环境变迁
自地球形成以来，大气环境一直处于变化之中。既有物质成分的变化，也有气温冷暖和干湿的交替变化。大气环境变化的时间尺度有长有短，有的可长达几亿年的变化周期，而有的只有几年或几天的变化周期。
在气候冷暖的变化过程中，我们一般把地球上气候极其寒冷（比现今年平均温度可低8～12℃）、高纬冰川和高山冰川扩展的阶段称冰期。两个冰期之间气候相对温暖（与现代的气温接近或高一些）的阶段称间冰期。冰期只占地球历史的1/10时间，而绝大部分时期为间冰期。总体来说，地球的大气环境主要是处于温暖的阶段中的。在太古宙的晚期，地球上就出现了寒冷的气候，开始发育冰川。在元古宙，有过多次冷暖的交替波动。到新元古代的震旦纪时期，全球发育了第一次规模较大的冰川活动，通常称为第一次大冰期。当时我国南方地区就发育了冰川。此后，地球经历了长达3.3亿年的温暖时期。在晚古生代（石炭纪至二叠纪），地球又进入第二次大冰期，这次以南半球发育大量冰川为特征。在整个中生代，全球的气候都比较温暖，有的地区显得干燥。全球性的第三次大冰期发生在第四纪。我们现在就处于这次大冰期中。
虽然第四纪是处在整体寒冷气候的背景下，但在期间还存在着次一级冷暖气候波动，这种波动的频率和幅度较前几个时期都大。根据冰碛物、深海沉积物、冰心、黄土等研究，又可划出多个次一级的冰期和间冰期，如在欧洲的阿尔卑斯山地区从早到晚可分为拜伯冰期、多脑冰期、民德冰期、里斯冰期和雨木冰期，中国的东部地区可划分为鄱阳冰期、大姑冰期、庐山冰期和大理冰期。
近百余年来，由于有了大量的气温观测记录，这为研究区域和全球的气温变化提供了更为确实可靠的资料。由这些资料得到的总的气温变化趋势是：从19世纪末到本世纪40年代，世界气温曾出现明显的波动上升现象；本世纪40年代到60年代，世界气候有变冷的趋势；进入70年代后，世界气候又趋变暖，到80年代后气温增暖的形势更为突出。据威尔森（H.Wilson）和汉森（J.Hansen）研究，全球年平均气温从1880～1940年60年中增加0.5℃， 1940～1965年降低了0.2℃，然后从1965～1993年又增暖了0.5℃。
导致气候变化的因素是多样的，包括太阳辐射的变化、地球轨道要素的改变、太阳活动、地形变化、大气环流等等。事实上，气候变化往往是诸多因子共同作用的结果。未来气候变化可能有两种趋势。其一是由于化石燃料的使用，使大量CO2进入空气中，由于CO2阻止了地面经太阳辐射加温后以长波（红外）辐射形式散发返回空间的热量，使地表增温。由此，到下个世纪中叶气温将明显升高，届时极地冰川融化，将带来一系列的环境问题。其二是现在气候正逐渐变冷，来自CO2的影响可能使气候变冷的趋势减弱，但不能阻止目前正在形成中的冰期。在研究现代气候变化时，特别要注意人类活动对气候的影响。由于人口的急速增长，自然资源受到严重破坏，导致了沙漠化、水土流失和气候反常，也带来了城市气候问题。因此必须综合分析研究才能掌握气候变化规律，推测未来气候的变化，更好地为生产建设和人类生活服务。