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內容介紹
三十年來“全球變化”的研究，把地球科學推上瞭一個新颱階。地球上的大氣圈、水圈、岩石圈和生物圈連成一個完整的係統，牽一發而動全身，甚至地球內部和錶層的物質和能量交換，也在影響著人類享用的環境與資源，而這就是地球係統科學的研究對象。本書是在二十年教學科研實踐基礎上編寫而成，前五章介紹各圈層的構成與來曆，後五章討論不同時間尺度的地球係統演變，*後兩章介紹地球係統科學的研究方法和理論。全書以圈層間相互作用為主題，重點突齣機理追究和問題探討，不以灌輸知識為目的。

目錄
目錄
第1章 地球係統的組成與起源 001
1.1 地球係統的圈層結構 002
1.1.1 地球係統的圈層及其構成 002
1.1.2 圈層中的環流和圈層界限 006
1.2 地球的起源 008
1.2.1 宇宙大爆炸和元素起源 008
1.2.2 太陽係和地球的形成 012
1.2.3 月球的碰撞産生和地球的岩漿海 013
1.3 地球圈層的分異 016
1.3.1 地核、地幔和地殼的形成 016
1.3.2 水圈與大氣圈的形成 017
1.4 生命和光閤作用的起源 019
1.4.1 生命起源的證據和理論 019
1.4.2 光閤作用起源的探索 022
1.5 氧化大氣圈的形成 024
1.5.1 大氧化事件 025
1.5.2 硫化氫海洋 027
參考文獻 030
思考題 034
推薦閱讀 035
第2章 地球錶層與地幔 037
2.1 地殼的形成和闆塊運動 038
2.1.1 洋殼的産生與俯衝 039
2.1.2 大陸地殼及其古老性 043
2.1.3 大陸增生與“俯衝帶加工廠” 046
2.1.4 陸殼形成期與形成機製之爭 048
2.1.5 闆塊運動起源的假說 050
2.2 威爾遜鏇迴與超級大陸 052
2.2.1 聯閤大陸的聚閤與瓦解 052
2.2.2 地質曆史上的超級大陸 055
2.2.3 內大洋與外大洋的演變 059
2.3 地幔柱與大火成岩省 063
2.3.1 熱點與地幔柱 063
2.3.2 大火成岩省 064
2.4 地幔環流及其兩極性 067
2.4.1 地幔底部低速區的不均勻性 067
2.4.2 地幔環流與地球的東西兩極結構 071
2.4.3 威爾遜鏇迴的前因與後果 073
2.4.4 西太平洋演變的深部原因 076
參考文獻 079
思考題 084
推薦閱讀 085
第3章 地球係統的水循環 087
3.1 水的特性與地球錶麵過程 088
3.2 地球係統中水的賦存 093
3.2.1 地球錶層水的分布與變化 093
3.2.1.1 氣態水 094
3.2.1.2 液態水 097
3.2.1.3 固態水 100
3.2.2 地球內部的水與闆塊運動 104
3.2.2.1 地球內部水的儲量與分布 104
3.2.2.2 地球錶層與內部的水交換 106
3.2.2.3 闆塊運動與水 107
3.3 地球錶層係統的水循環 109
3.3.1 水循環的全球視野 109
3.3.2 水的三相轉換與氣候 112
3.3.2.1 氣態與液態的轉換 112
3.3.2.2 固態與液態的轉換 118
3.3.2.3 三相轉換的氣候意義 124
3.4 追蹤水循環的地質標誌 125
3.4.1 水文循環中的氫、氧同位素分餾 125
3.4.2 水文循環的其他替代性標誌 128
參考文獻 131
思考題 138
推薦閱讀 139
第4章 地球係統的碳循環 141
4.1 引言：溫室氣體與碳 142
4.2 地球係統各圈層中碳的賦存 143
4.2.1 大氣圈 144
4.2.2 陸地生物圈 146
4.2.3 水圈 147
4.2.4 岩石圈與地球深部 148
4.2.5 碳儲庫與穩定同位素 149
4.3 地球錶層係統的碳循環 151
4.3.1 尋找失蹤的碳 151
4.3.2 錶層海的碳匯與碳源 152
4.3.3 深層海的碳匯與碳源 154
4.3.4 陸地的碳匯與碳源 156
4.3.5 生命過程與水、碳循環 158
4.4 冰與碳：冰期鏇迴裏的碳循環 159
4.4.1 海洋碳泵 160
4.4.2 陸地碳庫 162
4.4.3 碳循環的時間尺度 163
4.5 地質碳儲庫的演變 164
4.5.1 地質碳儲庫 164
4.5.2 早期地球的碳儲庫演變 166
4.5.3 顯生宙的碳儲庫演變 168
4.5.3.1 海洋碳同位素變化 168
4.5.3.2 海洋碳酸鹽沉積 170
參考文獻 173
思考題 178
推薦閱讀 179
第5章 生物圈及其演化 181
5.1 重新認識生物圈 182
5.1.1 地球係統裏的生物圈 182
5.1.2 微生物——地球生態係統的基礎 183
5.1.2.1 微型光閤生物 183
5.1.2.2 黑暗食物鏈和深部生物圈 186
5.1.2.3 微生物與地球係統科學 192
5.1.3 生物的重新分類 195
5.1.3.1 從形態分類到化學分類 195
5.1.3.2 真核生物的演化和分類 197
5.2 生産力與化學過程 202
5.2.1 新陳代謝途徑的多樣性 202
5.2.2 生源要素的循環 204
5.2.2.1 氮循環和碳循環 204
5.2.2.2 限製性營養元素：磷還是氮 207
5.2.2.3 硫循環和生源要素的耦閤 210
5.2.3 生物泵和海洋有機碳 212
5.2.3.1 微生物碳泵和溶解有機碳 212
5.2.3.2 兩種類型的碳循環 215
5.2.3.3 海洋有機碳庫的演變 217
5.3 生物演化與地球係統 219
5.3.1 生物圈的發展 219
5.3.1.1 真核生物和多細胞生物的産生 219
5.3.1.2 底棲動物及其骨骼的齣現 221
5.3.1.3 生物圈登陸 224
5.3.2 浮遊生物演化與環境 224
參考文獻 228
思考題 234
推薦閱讀 235
第6章 構造尺度的演變 237
6.1 地球係統演變的時間尺度 238
6.1.1 能量和物質的轉移 238
6.1.2 構造運動概念的變更 241
6.1.3 構造運動的時間尺度 244
6.2 海陸分布與環境演變 245
6.2.1 海陸分布的環境影響 245
6.2.2 海道啓閉的環境效應 248
6.2.2.1 白令海道開啓和北冰洋的演變 249
6.2.2.2 巴拿馬和印尼海道關閉與大洋的不對稱 253
6.2.2.3 德雷剋和塔斯馬尼亞海道開啓與南極冰蓋的形成 257
6.2.3 大陸破裂的環境效應 260
6.3 岩漿活動與環境演變 262
6.3.1 地幔柱與大洋缺氧事件 262
6.3.1.1 白堊紀大火成岩省 262
6.3.1.2 白堊紀缺氧事件 264
6.3.1.3 白堊紀環境變化 266
6.3.2 火山噴發與生物大滅絕 266
6.3.3 海底擴張與海水化學 270
6.4 地形改組與環境演變 274
6.4.1 古高度再造 275
6.4.2 地形和水係 275
6.4.3 剝蝕與沉積 278
參考文獻 280
思考題 287
推薦閱讀 288
第7章 軌道尺度的演變 291
7.1 地球上的周期性過程 292
7.1.1 循環，周期，韻律 292
7.1.2 冰期鏇迴及其軌道驅動的發現 294
7.1.3 地球過程中的天文因素 296
7.2 軌道驅動的氣候變化 298
7.2.1 軌道參數的周期變化 298
7.2.1.1 斜率 299
7.2.1.2 偏心率與歲差 302
7.2.1.3 軌道參數的不穩定性 305
7.2.2 氣候鏇迴的軌道驅動 306
7.2.2.1 冰期鏇迴的軌道驅動 307
7.2.2.2 低緯過程的軌道驅動 309
7.3 地球過程軌道驅動研究的發展 311
7.3.1 地質曆史上的軌道周期 311
7.3.1.1 前第四紀的軌道周期 311
7.3.1.2 地質計時的天文標尺 314
7.3.2 軌道驅動的計算和應用 316
7.3.2.1 軌道驅動的計算問題 316
7.3.2.2 軌道驅動的機製研究 317
7.3.3 地球錶層過程中的軌道因素 320
7.3.3.1 軌道驅動下的潮汐作用和海洋過程 320
7.3.3.2 軌道周期與內力作用 321
7.3.3.3 地外星球上的軌道周期 322
參考文獻 326
思考題 332
推薦閱讀 332
第8章 周期轉型和氣候突變 335
8.1 冰期鏇迴的多樣性與跨冰期變化 336
8.1.1 冰期的多樣性 336
8.1.2 間冰期的多樣性 338
8.1.3 跨冰期變化 342
8.2 氣候周期變化的轉型 343
8.2.1 暖室期和冰室期的軌道周期 344
8.2.2 南極冰蓋發育中的氣候轉型 346
8.2.3 北半球冰蓋發育中的氣候轉型 348
8.3 氣候環境的突變 352
8.3.1 冰消期的氣候突變 352
8.3.1.1 末次冰消期 353
8.3.1.2 曆次冰消期的比較 354
8.3.2 火山爆發事件 357
8.3.3 天體撞擊事件 360
8.3.3.1 從微隕石到小行星 360
8.3.3.2 白堊紀末撞擊事件與生物大滅絕 361
8.3.4 特大洪水事件 362
8.3.5 突發升溫事件 366
參考文獻 369
思考題 376
推薦閱讀 377
第9章 人類尺度的演變 379
9.1 人類尺度環境變化的研究 380
9.1.1 人類尺度演變的記錄載體 381
9.1.1.1 冰芯 381
9.1.1.2 紋層，石筍，珊瑚，樹輪 383
9.1.2 人類尺度演變的測年方法 385
9.1.3 人類尺度演變的驅動機製 386
9.2 韆年尺度演變的發現及其機理探索 387
9.2.1 冰芯記錄的韆年尺度變化 387
9.2.2 深海記錄的韆年尺度變化 388
9.2.3 石筍記錄的韆年尺度變化 391
9.2.4 “大洋傳送帶” 394
9.3 外因驅動下的人類尺度演變 399
9.3.1 軌道驅動的韆年尺度變化 399
9.3.1.1 半歲差和1/4 歲差 399
9.3.1.2 潮汐作用與月球軌道周期 401
9.3.2 太陽活動周期與氣候 405
9.3.2.1 太陽活動周期的發現 405
9.3.2.2 氣候演變中的太陽活動周期 407
9.4 現代環境的周期變化 410
9.4.1 厄爾尼諾- 南方濤動 410
9.4.2 年際- 年代際尺度的氣候濤動 412
參考文獻 415
思考題 422
推薦閱讀 423
第10章 全球變化與古環境研究 425
10.1 全球變化的提齣與研究現狀 426
10.1.1 全球變化科學問題的提齣 426
10.1.2 全球變化與氣候外交 428
10.1.3 全球變化的觀測證據 430
10.1.4 全球變化研究的國際閤作 433
10.1.4.1 國際研究計劃的演進 433
10.1.4.2 國際地圈- 生物圈計劃三十年 434
10.2 全球變化的科學問題與爭論 437
10.2.1 溫室效應的曆史爭論 437
10.2.2 圍繞全球變化的科學爭論 441
10.2.3 關於氣候工程學的爭論 443
10.2.4 關於地球未來的爭論 444
10.3 全球變化與古環境研究 446
10.3.1 “人類世”——在“古”“今”之間拆牆 446
10.3.1.1 “人類世”的提齣 446
10.3.1.2 “人類世”的爭論 447
10.3.2 地質時期的全球變化 450
10.3.2.1 早新生代的高溫期 451
10.3.2.2 高溫期的全球變化 452
10.3.3 地外星球的全球變化 453
10.3.3.1 火星上的全球變化 453
10.3.3.2 金星的大氣圈 456
10.3.3.3 外行星衛星上的全球變化 457
參考文獻 460
思考題 468
推薦閱讀 469
第11章 地球錶層係統的定量研究 471
11.1 從定性到定量：地球科學的演變 472
11.1.1 地球科學定量化的起步 472
11.1.2 多元統計方法的應用 474
11.1.3 地球科學定量化的發展 477
11.2 地球錶層的觀測係統與數據管理 478
11.2.1 遙感觀測平颱 478
11.2.2 地麵/ 海洋觀測平颱 480
11.2.3 海底觀測平颱 481
11.2.4 地球內部的觀測 483
11.2.5 大數據和互聯網 484
11.3 古環境定量再造與替代性標誌 486
11.3.1 海水古溫度——替代性標誌的實例 486
11.3.2 替代性標誌的應用和錯用 490
11.3.3 替代性標誌的發展前景 491
11.4 地球係統的數值模擬 492
11.4.1 數值模擬的産生 493
11.4.2 數值模擬的類型 494
11.4.3 地球係統模式 499
11.4.4 數值模擬的前景和局限性 502
參考文獻 504
思考題 510
推薦閱讀 510
第12章 探索地球係統的運行機製 513
12.1 地球科學的曆程：從現象描述到機理探索 514
12.1.1 地球科學的視野 514
12.1.2 地球科學的理論探索 516
12.1.2.1 地球科學中的定律 516
12.1.2.2 19 世紀的進化論 517
12.1.2.3 20 世紀的活動論 518
12.1.3 尋求地球係統科學的理論 521
12.2 地球係統：理論探索的展望 523
12.2.1 行星循環和比較行星學 523
12.2.2 能量和熵 527
12.2.3 生物圈大電場 532
12.3 地球演變：變化曆程與運行機製 536
12.3.1 從元素起源到生命産生 536
12.3.2 生物圈和地圈的協同演化 538
12.3.3 地球係統運行機製的探索 541
12.3.3.1 跨越時間尺度的現象 541
12.3.3.2 穿越空間圈層的交換 542
參考文獻 543
思考題 547
推薦閱讀 548
縮寫名詞 549
索引 554

在綫試讀
地球係統與演變
　　第1章 地球係統的組成與起源
　　理解地球係統的今天、預測它的明天，都需要知道它的昨天和前天。研究地球係統的演變、揭示其中的規律，先得瞭解地球係統的組成。本章從圈層結構和地球起源的簡介入手，對地球的早期演化進行討論，作為後麵章節的引論。
　　1.1 地球係統的圈層結構
　　1.1.1 地球係統的圈層及其構成
　　在太陽係的各個行星中，地球的圈層*多。水星、火星、金星和地球四顆內行星，固態部分的圈層結構比較相近，都有鐵質的地核、石質的地幔和地殼（圖1-1）；而流態的部分卻相差懸殊，隻有地球纔有水圈。金星、地球和火星都有大氣圈，但火星的大氣極為稀薄，大氣壓力隻相當於地球上的0.007。金星的大氣圈又太稠，大氣壓力比地球上高90倍。這種差彆，既說明地球的特殊性，又反映齣行星演化的階段性。太陽係內行星形成的起點相近，而演化的結果隻有地球至今保持瞭變化的活力和結構的多樣性。比如火星在30億年前曾經有過輝煌，有過火山和水圈的活動，形成過沉積岩。但是到地球太古宙晚期的時候，火星的這些活動都已經停止，即便幾百萬年前偶爾還有火山活動，至今偶爾還有流水的蹤跡，卻已經迴天乏力，剩下一片荒涼。
　　圖1-1 內行星與月球圈層結構的比較
　　地球的各個圈層中，人類曆來隻接觸大氣圈、水圈和岩石圈，常常將這三者叫做“錶層係統”，甚至提倡建立“地球錶層學”。這三者確實是傳統地球科學的研究對象，通過“係統”的名稱強調其間的相互關係，客觀上是自然地理學的進一步發展。但是隨著科學嚮地球內部推進，這種劃分也受到挑戰：岩石圈的下部本身就屬於地幔，將“錶層係統”的下界劃在地幔的內部，非常不利於對地球錶麵過程的理解。其實站在人類的角度看，以我們所居住的地麵為界，下麵有地核、地幔和地殼，上麵有水圈和大氣圈，這就是地球所謂的“內圈層”和“外圈層”（圖1-2）。
　　人類站在地麵上談論“天高地厚”，如果隻指大氣圈而且不包括沒有明確外界的外逸層，那麼“天高”可以算700 km；“地厚”是明確的，固體地球的半徑是6370 km。兩者相加，構成7000 多韆米半徑的星球，這就是地球係統。地球係統內部的物質按重力分異，重的在下、輕的在上，構成瞭地球的圈層。各個圈層的厚度和密度如附注1 所示。地球圈層密度

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