行星地球的最重要的特色之一是有水,素稱“水星”。地表的廣大麵積被水所覆蓋,主體是海洋,占地球表麵積的70.9%。此外,還有大陸上的湖泊、河流和冰川,土壤和淺部岩石的孔隙也含有一定數量的“地下水”。這樣就構成了一個不甚規整而基本上連續的水圈。水圈質量為140億億噸,約為13.6億立方千米,占地球總質量的0024%。
據研究,初期地球上水很少,最早是從大氣中分化出來的。當時大氣中的大量水氣,由於溫度降低,以塵埃為凝結核,形成水滴降落地麵。更多的水來自地球內部岩石中的結晶水,它們由於溫度升高形成水汽,隨火山活動等逸出地殼進入大氣中,經凝結降落地麵,因此水圈是整個地質時期由小到大,長期積累的結果。
地表水、地下水和大氣中的水,在太陽輻射熱的影響下,不斷地進行著循環(每年循環的水量約為42.3萬立方千米,占地球水量的0.03%),並轉化為強大的動能,成為改變地表麵貌的重要因素。大氣的降水、河水的流動、地下水的活動等等,一方麵破壞地表及地下一定深度的岩石,一方麵又形成新的岩石。同時,水是一切有機體的生長要素,而有機體是改變地球麵貌的又一個重要的要素。由此可見,水是參與地球發展和地殼變化最積極的因素之一。
地表水在運動過程中對所經過的沉積物或岩石有著重要的侵蝕作用,既包括水動力作用下的碎屑物搬運,又包括水對岩石或沉積物的化學溶蝕作用,還包括碎屑物在搬運過程中的磨蝕作用。喀斯特地貌就是地下水對碳酸鹽岩侵蝕作用的結果。在水流作用下,形成陡峭的海岸、彎曲的溝壑、高高的冰蝕懸穀、氣勢磅礴的大峽穀。“滴水穿石”也是水的化學侵蝕作用的寫照。
水的循環圖
海與洋
地球上被稱為生物圈的空間約97%由海洋構成。不是巧合,作為地球上生命之源的水,97%也蘊藏在蔚藍色的大海中。我們通常所說的海洋主要指太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋四大洋以及連接洋與陸的海。粗略地說,近陸為海,遠陸為洋。它們的水體相互溝通,均稱為海水。大洋海水深,麵積廣闊,形態不受大陸直接影響;海洋水淺,範圍局限,形態受陸地輪廓直接影響。海水總體積達137億立方千米,占地球總水量的97%,海水中溶解有近80種元素,陸地上的天然元素在海水中不僅都存在,而且有17種元素是陸地上所稀少的。地球上80%的生物生活棲息於海洋,海產品目前為人類提供2%的食用蛋白質。
神秘的海底世界
來去匆匆的潮汐,大洋中激蕩的海流,驚人的海浪都提醒著人們,地球上的海水是永遠不會靜止下來的。海水做大規模的定向流動稱為洋流或海流,它既見於海水表麵,也能形成於海水深部;既發生在近海地帶,也分布於遠海水域。定期到來的信風是引起洋流的主要原因。風對水麵的拖曳力及施加於波浪迎風麵的壓力能使海水緩慢前進。赤道地區溫度較高的海水流向高緯度地區,是為暖流;高緯度地區的寒冷海水流向赤道地區是為寒流。兩者構成表層海水的循環。深部洋流的循環是受海水密度的控製。如高緯度地區表麵海水結冰,所含鹽分向下移動,從而提高了下層海水的密度,這種溫度低,密度大的海水一麵下沉,一麵向赤道方向流動,相應地促使低緯度地區的海水上升並向高緯度方向流動,構成大規模海水的深部循環。
潮汐的起因
古希臘的哲學家和科學家們沒有涉獵到一個課題就是潮汐(即每天海水的漲落)。在中國和冰島這樣相距萬裏之遙的不同地方,古代海的觀察家們都對這個問題絞盡腦汁。希臘人的觀察力很敏銳,但他們湊巧都住在一個幾乎沒有潮汐的內陸海邊。在沿海地區發展起來的文明社會中,人們對每一天海水的漲落司空見慣並受其影響。雖然人們很早就弄清了月亮的位置和月象、潮汐的高度以及每天水位到達最高點的時間之間存在著一定的關係,但直到17世紀艾薩克·牛頓發現萬有引力定律時,人們才弄清潮汐是由於月亮和太陽對海洋的引力所產生的結果。
地球和月亮通過萬有引力強烈地互相吸引,引力在兩個星球相對的一麵要大一些。月亮對地球任何點的淨引力,是兩個球體之間巨大的恒定力的矢量和(大小加方向)。我們認為,這個巨大的恒定引力是由地球所有的質量集中在球心產生的。在地球表麵各點所受的力,與該點到月球的距離有關,故各點所受的力有微小差異。這差異即是產生潮汐的力。這種力在固態的地球、海洋和大氣中引起了微小的變化(月球亦然),固態地球的變形很弱,除很靈敏的儀器外不易覺察。但是,海水體積的膨脹要明顯得多,所以很容易通過潮汐看出來。麵對月球的海水所受的純引力最大,而背離月球的那部分海水受到的純引力最小。當地球自轉時潮汐也環繞著地球移動,因而海潮有一次始終麵對月亮,而另一次則恰恰相反。