第十五章 地球系统科学
15.1 地球系统科学
15.2 地球动力系统
15.3 开放的地球系统
15.4 地球层圈间的强相互作用
15.5 不可逆的进化
15.6 均变与灾变
15.7 各种时间尺度的周期性变化
第一节 地球系统科学
地球系统科学从整体论的观
点出发研究地球大系统内的各个
子系统。把地球当作一个行星整
体来认识，进行各种空间尺度的
变化和时间尺度的演化研究。打
破了原有地球科学分科的局限性。
地球系统过程,特征空间尺度和特征时间尺度
第二节 地球动力系统
? 太阳系（携带地球）以 220千米 /秒的速度绕银
河系中心运动，旋转一周需 2.8亿年。
? 地球以 30千米 /秒的速度绕太阳公转。
? 地球的大气圈、水圈、生物圈在不停的运动，
形成了地球表层的外动力地质作用。
? 岩石圈（地壳）、地幔、地核进行着物质与能
量的交换，形成了复杂的内动力地质作用过程。
? 地球上物质的运动遵循特有的动力学机制，既
受到地球内部因素的影响，也受到地球外部天
文因素的影响。
第三节 开放的地球系统
? 地球与太阳系（宇宙）进行着
广泛的物质交换。
? 地球与太阳系（宇宙）之间进
行着能量交换。
? 地球的形成与演化是在开放体
系中进行的。
第四节 地球层圈间的强相互作用
? 地球是由具有强相互作用（非线性作用）
的单元（子系统）组成的复杂系统。
? 非线性的规则：
? 1+1>2 正效应，系统良性发展。
? 1+1=2 正常状态，系统平衡。
? 1+1<2 负效应，系统破坏。
? 地球子系统具有自组织特征，符合自相
似（自复制、克隆）和分形分维原理。
地球系统的复杂性
? 复杂性是指地球各子系统之间的强相
互作用而自发地涌现出系统总体形状、
结构和动力学行为。复杂性是介于有
序与无序之间的一种边缘现象。
? 复杂性领域包括了开放系统中有序与
无序并存，线性与非线性并存，集中
与分散并存，统一与分异并存，平衡
与不平衡并存，渐变与突变并存。
正常年份太平洋温度对气候的影响
正常年份气流的变化
厄尔尼诺年东太平洋形成高温海水区域
厄尔尼诺年气流变化
? 地球内部层
圈的耦合与
解耦作用。
? 耦合是指两
系统通过相
互作用，彼
此影响甚至
联合的现象。
? 解耦是指两
体系解除耦
合关系后，
各系统自成
体系的现象。
第五节 不可逆的进化
? 150亿年前宇宙大爆炸。
? 50亿年前形成原始太阳。
? 46亿年前形成原始地球。
? 38亿年前形成原始大陆和大气圈、水圈。
? 30— 18亿年前大陆增生。
? 5亿年前生物大爆炸。
? 地球的演化遵循由简单到复杂、由低级
到高级的规律。是一种非线性的自发的
自组织过程。
第六节 均变与灾变
? 地球的演化是在均变与灾变的交替中发
展的。表现为稳定期与活跃期的更迭。
? 稳定期（均变期）：地球演化表现为相
对平稳、有序的特征。大气圈、水圈、
生物圈、岩石圈的变化相对平静。
? 活跃期（灾变期）：地球演化表现为突
变或灾变，呈现极为不平衡的无序状态。
气候剧变、海平面上升、生物大量灭绝，
地磁翻转，构造运动、岩浆作用、变质
作用强烈。
第七节 各种时间尺度的周期变化
? 280(+25)Ma:一个银河年，与地质年表中
代的时间近似。中生代 +新生代，古生代，
震旦纪。
? 33(+3)Ma,太阳系穿过银道面，与地质纪
的时间相吻合。
? 9.5万年：地球偏心率周期。
? 4.1万年：黄道面与赤道面交角变化周期。
? 2.17万年：近日点近动变化周期。
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15.1 地球系统科学
15.2 地球动力系统
15.3 开放的地球系统
15.4 地球层圈间的强相互作用
15.5 不可逆的进化
15.6 均变与灾变
15.7 各种时间尺度的周期性变化
第一节 地球系统科学
地球系统科学从整体论的观
点出发研究地球大系统内的各个
子系统。把地球当作一个行星整
体来认识，进行各种空间尺度的
变化和时间尺度的演化研究。打
破了原有地球科学分科的局限性。
地球系统过程,特征空间尺度和特征时间尺度
第二节 地球动力系统
? 太阳系（携带地球）以 220千米 /秒的速度绕银
河系中心运动，旋转一周需 2.8亿年。
? 地球以 30千米 /秒的速度绕太阳公转。
? 地球的大气圈、水圈、生物圈在不停的运动，
形成了地球表层的外动力地质作用。
? 岩石圈（地壳）、地幔、地核进行着物质与能
量的交换，形成了复杂的内动力地质作用过程。
? 地球上物质的运动遵循特有的动力学机制，既
受到地球内部因素的影响，也受到地球外部天
文因素的影响。
第三节 开放的地球系统
? 地球与太阳系（宇宙）进行着
广泛的物质交换。
? 地球与太阳系（宇宙）之间进
行着能量交换。
? 地球的形成与演化是在开放体
系中进行的。
第四节 地球层圈间的强相互作用
? 地球是由具有强相互作用（非线性作用）
的单元（子系统）组成的复杂系统。
? 非线性的规则：
? 1+1>2 正效应，系统良性发展。
? 1+1=2 正常状态，系统平衡。
? 1+1<2 负效应，系统破坏。
? 地球子系统具有自组织特征，符合自相
似（自复制、克隆）和分形分维原理。
地球系统的复杂性
? 复杂性是指地球各子系统之间的强相
互作用而自发地涌现出系统总体形状、
结构和动力学行为。复杂性是介于有
序与无序之间的一种边缘现象。
? 复杂性领域包括了开放系统中有序与
无序并存，线性与非线性并存，集中
与分散并存，统一与分异并存，平衡
与不平衡并存，渐变与突变并存。
正常年份太平洋温度对气候的影响
正常年份气流的变化
厄尔尼诺年东太平洋形成高温海水区域
厄尔尼诺年气流变化
? 地球内部层
圈的耦合与
解耦作用。
? 耦合是指两
系统通过相
互作用，彼
此影响甚至
联合的现象。
? 解耦是指两
体系解除耦
合关系后，
各系统自成
体系的现象。
第五节 不可逆的进化
? 150亿年前宇宙大爆炸。
? 50亿年前形成原始太阳。
? 46亿年前形成原始地球。
? 38亿年前形成原始大陆和大气圈、水圈。
? 30— 18亿年前大陆增生。
? 5亿年前生物大爆炸。
? 地球的演化遵循由简单到复杂、由低级
到高级的规律。是一种非线性的自发的
自组织过程。
第六节 均变与灾变
? 地球的演化是在均变与灾变的交替中发
展的。表现为稳定期与活跃期的更迭。
? 稳定期（均变期）：地球演化表现为相
对平稳、有序的特征。大气圈、水圈、
生物圈、岩石圈的变化相对平静。
? 活跃期（灾变期）：地球演化表现为突
变或灾变，呈现极为不平衡的无序状态。
气候剧变、海平面上升、生物大量灭绝，
地磁翻转，构造运动、岩浆作用、变质
作用强烈。
第七节 各种时间尺度的周期变化
? 280(+25)Ma:一个银河年，与地质年表中
代的时间近似。中生代 +新生代，古生代，
震旦纪。
? 33(+3)Ma,太阳系穿过银道面，与地质纪
的时间相吻合。
? 9.5万年：地球偏心率周期。
? 4.1万年：黄道面与赤道面交角变化周期。
? 2.17万年：近日点近动变化周期。
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