地球圈层结构研究（4）
胡经国
㈡、水圈
1、水圈概述
水圈（Hydrosphere）是指由地球表面上下海洋中和陆地上的液态、气态和固态水形成的一个大体或几乎连续而不规则的圈层。地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表和地下，这些水不停地运动和相互联系着，以水循环的方式共同构成水圈。陆地上江河湖沼的水或直接、或通过水气、地下水与海洋相通。由此，地球上的水体构成了包围地球的完整的水圈。
水分和能量的不同组合使地球表面形成了不同的自然带、地带和自然景观类型。水溶解岩石中的营养物质，为满足生物需要创造了前提。水分循环不仅调节气候、净化大气，而且几乎伴随一切自然地理、地质过程，促进地理、地质环境的发展与演化。
在太阳系八大行星中，只有地球是被液态水所覆盖的星球。地球上水的起源在学术界存在很大分歧，有几十种不同的地球水形成假说。
2、水圈物质组成
在水圈中，水的上界可达大气圈对流层顶部，其下界可深至深层地下水的下限，包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。
水圈的主体部分是地球大洋，其面积约占地球总面积的71%。陆地上的湖泊、水库（人工湖）、河流、运河（人工河）、沼泽、冰盖、冰川、地下水，甚至矿物中的水，都是水圈的组成部分。可见，水是地球表面分布最广泛、最重要的物质。同时，水及其水流也是参与地理、地质环境物质、能量转化的重要因素。
3、水圈水存在形式
水圈中大部分水呈液态储存于海洋、河流、湖泊、水库（人工湖）、沼泽及土壤中；部分水呈固态存在于极地的广大冰盖、冰川、积雪和冻土中；水汽主要存在于大气中。这三种物态的水通常通过热量交换而部分相互转化。
4、水圈水循环
地表水、地下水和大气中的水，在太阳辐射热的影响下，不断进行着水循环。地球水循环不仅调节气候、净化空气，而且几乎伴随着一切自然地质、地理过程，促进地质、地理环境的发展与演化。
水圈既独立存在，又渗透于大气圈、生物圈和岩石圈中，并且在其中不断进行着循环。水循环是地球外部圈层物质循环的重要方式之一。
地球表面的水是十分活跃的。海洋蒸发的水汽进入大气圈，经气流输送到大陆、凝结成雨、雪、冰雹后降落到地面，部分被生物吸收，部分下渗为地下水，部分成为地表径流。地表径流和地下径流大部分又回归海洋。水在循环过程中不断释放或吸收热能，调节着地球上各层圈的能量，并且不断地塑造着地表的形态。
水圈中的地表水大部分在河流、湖泊和土壤中进行重新分配，除了回归于海洋的部分以外，有一部分比较长久地储存于内陆湖泊和形成冰川。这部分水量交换极其缓慢，周期要几十年甚至千年以上。从这些水体的增减变化，可以估计出海陆间水热交换的强弱。
大气圈中的水分参与水圈的循环，交换速度较快，周期仅几天。由于水循环，因而使地球上发生复杂的天气变化。海洋和大气的水量交换，导致热量与能量频繁交换，交换过程对各地天气变化影响极大。世界各国极其关注海－气相互关系的研究。生物圈中的生物受洪、涝、干旱影响很大；生物的种群分布和聚落形成也与水的时空分布有极密切的关系。生物群落随水的丰缺而不断交替、繁殖和死亡。大量植物的蒸腾作用也促进了水循环。水在大气圈、生物圈和岩石圈之间相互置换，关系极其密切；它们组成了地球上各种形式的物质交换系统，形成千姿百态的地理、地质环境。
5、水圈质量与水资源
水圈质量约为1.45×1018吨，占地球总质量的0.024%左右。其中，海水占97.2%，冰川占2.1%，陆地水占0.629%。假定地表平坦，全球水体均匀覆盖地面，则平均水深可达2745米。若地球上的冰雪全部融化，则海平面将普遍升高70米。随着全球气候变暖，导致冰川融化，已成为地球人类面临的一个重大环境问题。
地球上的总水量约为1.36×109立方千米。其中，海洋占97.2%，覆盖了地球表面积的71%。地表水总量约为2.3×105立方千米，其中淡水只有一半，约占地球总水量的万分之一。地下水总量约为8.40×106立方千米。大气水总量约为1.3×104立方千米。
6、水圈地质作用
水圈与大气圈、生物圈和地球内部圈层（主要是岩石圈）的相互作用，直接关系到影响人类活动的表层系统的演化。水圈也是外动力地质作用的主要介质，是塑造地球表面形态最重要的地质外营力。例如，沟谷、河谷、瀑布都是由于流水侵蚀作用而形成的；溶洞、石林、石峰等喀斯特（岩溶）地貌都是由于地表和地下的流水溶蚀作用而形成的。
7、水圈水形成过程
在太阳系八大行星之中，只有地球是被液态水所覆盖的星球。关于地球上水的起源在学术上存在很大的分歧，有几十种不同的地球水形成假说。有的观点认为，在地球形成初期，原始大气中的氢、氧化合成水，水蒸气逐步凝结下来并形成海洋。有的观点认为，形成地球的星云物质中原先就存在水的成分。有的观点认为，原始地壳中硅酸盐等物质受火山影响而发生反应，从而析出水分。还有的观点认为，被地球吸引的彗星和陨石是地球上水的主要来源，甚至地球上的水还在不停地增加。
通常认为，在地球刚刚诞生的时候，没有河流，也没有海洋，更没有生命。它的表面是干燥的，大气层中也很少有水分。地球是由太阳星云分化出来的星际物质聚合而成的。它的基本组成有氢气和氮气以及一些尘埃。固体尘埃聚集结合形成地球的内核，其外面围绕着大量气体。在地球刚形成的时候，结构松散，质量不大，引力也小，温度很低。后来，由于地球不断收缩，内核放射性物质产生能量，导致地球温度不断升高；其中有些物质慢慢变暖熔化，较重的物质，如铁、镍等聚集在中心部位形成地核，而最轻的物质则浮于地表。
随着地球表面温度逐渐降低，地表开始形成坚硬的地壳。但是，因地球内部温度很高，岩浆活动非常激烈，火山爆发十分频繁，同时喷发出大量的岩浆（熔岩）和气体。地壳也不断发生构造运动和演化，有些地方隆起形成山脉，有的地方沉陷形成低地、盆地、平原与山谷。由于地球体积不断缩小，引力也随之不断增大，因而火山爆发喷发出来的大量气体已无法摆脱地球的引力，从而围绕着地球，构成了“原始地球大气”。原始大气由多种成分物质组成，水蒸气便是其中之一。
组成原始地球的固体尘埃，实际上是由于衰老了的星球爆炸而形成的大量碎片。这些碎片多是无机盐之类的东西，在它们内部蕴藏着许多水分子，即所谓的结晶水合物。结晶水合物里面的结晶水在地球内部高温作用下离析出来就变成了水蒸气。当喷到空中的水蒸气达到饱和状态时便冷却成云，变成雨，落到地面上，聚集在低洼处，逐渐积累成湖泊和河流，最后汇集到地表最低区域形成海洋。
地球上的水在开始形成的时候，不论湖泊或海洋，其水量不是很多；随着地球内部产生的水蒸气不断被送入大气层，地面水量也随之不断增加；经历几十亿年的地球演变过程，最后终于形成了我们现今看到的江河湖海。
8、水圈与人类
⑴、人体组成
水是人类生活中不可缺少的物质。人类为了维持生命，必须喝水和从食物中吸取必要的水分。一个成年人体内水的总量占总体重的65%～70%。人体内的水主要存在于血液、淋巴和细胞中。人类的血液与海洋水有着千丝万缕的联系。人体的器官和组织中都有水：心、肺、肾中的水约占80%；骨骼中平均占30%；牙齿珐琅质中占0.3%；在人体中的生物液体（唾液、胃液、尿）中占95%～99%。
⑵、相互影响
大规模的人类活动对水圈中水的运动过程有一定的影响。大规模乱砍滥伐森林、大面积荒山植林、大流域调水、大面积排干沼泽、大量抽取地下水等，都会促使水的运动和交换过程发生相应变化，从而影响地球上水分循环的过程和水量平衡的组成。
2020年1月21日编写于重庆
2021年12月18日修改于重庆
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