10000個科學(xué)難題·地球科學(xué)卷

內(nèi)容概要

　　本書是《10000個科學(xué)難題》系列叢書的地球科學(xué)卷，是由我國工作在地球科學(xué)研究與教學(xué)第一線的地球科學(xué)專家以及一些海外學(xué)者撰寫的。本著“研究生愿選題，大學(xué)生能通讀，高中生感興趣”的原則，《10000個科學(xué)難題·地球科學(xué)卷》著重介紹地球科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)難題的來龍去脈，闡述這些難題的最新的研究進展，指出這些難題的難點所在及解決這些難題的可能途徑?！半y題”涉及的內(nèi)容基本上覆蓋了地球科學(xué)的主要領(lǐng)域，在一定程度上反映了這些領(lǐng)域國內(nèi)外的前沿研究水平。“難題”的撰寫在保證科學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)性的同時，力圖深入淺出、圖文并茂，以增加趣味性和可讀性。
　　本書按地球科學(xué)研究領(lǐng)域編排，包括：地理科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球物理、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)?！?0000個科學(xué)難題·地球科學(xué)卷》可供地球科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的大學(xué)本科生、研究生和專業(yè)研究人員與教師參考，也可供對地球科學(xué)感興趣的高中學(xué)生和業(yè)余愛好者閱讀。

書籍目錄

前言
地理科學(xué)
　長江與黃河河谷是怎樣形成?
　河流河床物質(zhì)組成沿流程變細(xì)過程中為什么存在突變現(xiàn)象?
　如何對于沖積河流河床形態(tài)方程進行封閉求解?
　沖積河流為什么會變得彎曲?
　下墊面性質(zhì)變化對局地氣候影響的定量解釋
　灰霾天氣的形成與演化
　分布式水文模型
　缺資料流域的水文預(yù)報
　土壤脫硅富鋁化的熱、動力學(xué)條件是什么?
　種域大小地理梯度的Rapoport法則
　SLOSS自然保育問題中的“獨大與數(shù)小”爭論
　森林-草原過渡帶的生態(tài)機理
　高山林線的形成機理
　森林植被分布的異常格局
　為什么不同地區(qū)生物群會有如此大的差異?
　中國不同植被類型主要植物種類相對花粉產(chǎn)量和花粉源范圍
　樹輪氣候重建中低頻信號的提取
　中全新世晚期中國森林植被衰退的原因——氣候變化或人類活動？
　農(nóng)業(yè)起源之謎
　史前大洪水之謎
　我國內(nèi)陸干旱區(qū)末次冰期間冰段“大湖期
　亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)降水變化的“西風(fēng)模式
　中世紀(jì)暖期和小冰期是全球性的還是區(qū)域性的氣候異常?
　地理環(huán)境演變過程中的尺度效應(yīng)和尺度轉(zhuǎn)換問題
　環(huán)境基準(zhǔn)及其賦值問題
　多種污染物的交互作用
　如何定量區(qū)分環(huán)境污染與其他因素對人體健康的危害
　復(fù)雜環(huán)境體系中化學(xué)污染物的鎖定和老化現(xiàn)象及其機理
　新型污染物的環(huán)境污染和環(huán)境行為
　水環(huán)境中納米顆粒物的環(huán)境行為
　水體富營養(yǎng)化發(fā)生機理
　超積累植物積累機理及其成因
　自然固氮和脫氮機制
　為什么難以確定可更新資源開發(fā)利用的臨界值?
　為什么難以制定自然資源開發(fā)最優(yōu)方案?
　災(zāi)害鏈傳遞機理
　自然災(zāi)害的風(fēng)險與損失評估
　自然災(zāi)害周期性
　人地關(guān)系地域系統(tǒng)及其在地球表層系統(tǒng)中的地位
　社會經(jīng)濟空間結(jié)構(gòu)的“點一軸系統(tǒng)”形成機制
　如何理解社會經(jīng)濟的空間結(jié)構(gòu)及形成的影響因素
　地域功能生成原理及其主要影響因素
　全球環(huán)境變化中文化與制度因子的作用方式與機理
　信息技術(shù)因子對區(qū)域空間重組的作用機理
　地域文化的尺度間整合過程
　城市化過程與動力機制
　巨型城市的形成機制與發(fā)展趨勢
　城市蔓延的機理與規(guī)律
　半城市化地區(qū)的形成機理與識別方法
　產(chǎn)業(yè)集群的形成機制與空間效應(yīng)
　產(chǎn)業(yè)空間轉(zhuǎn)移的周期性及其原理
　……
地質(zhì)學(xué)
地球化學(xué)
地球物理
大氣科學(xué)
海洋科學(xué)
編后記

章節(jié)摘錄

插圖：10000個科學(xué)難題?地球科學(xué)卷地理科學(xué)長江與黃河河谷是怎樣形成？How Did the Valleys of the Yangtze and the Yellow Rivers Form？河流是人類及眾多生物賴以生存的基礎(chǔ)，也是哺育人類歷史文明的搖籃。同時， 作為陸地表層最重要的造貌營力，河流強烈地塑造著各種地表景觀，其形成發(fā)育記 錄著區(qū)域地貌和環(huán)境演化的過程。長江、黃河是中國的第一和第二大河，也是世界 著名的大河流，都發(fā)源于號稱“世界屋脊”的青藏高原，跨越了我國三大地形階梯 而東流入海。她們的孕育和發(fā)展，為華夏文明的形成提供了適宜的地理環(huán)境。而當(dāng)今長江、黃河的水系格局是漫長地質(zhì)歷史時期水圈、大氣圈和巖石圈相互作用的結(jié)果。她們是何時誕生的？又經(jīng)歷了哪些發(fā)展階段？這些已考問了地質(zhì)地貌學(xué)家一個世紀(jì)的科學(xué)難題，至今仍然沒有明確的答案。另外，河流與其周圍的環(huán)境要素（如植被、土壤、地下水等）構(gòu)成了一個處于動態(tài)平衡條件下的開放系統(tǒng)，在不同的時 空尺度下，河流系統(tǒng)響應(yīng)構(gòu)造活動和氣候變化的機制和過程目前也不清楚。因此，詳細(xì)研究長江與黃河水系的形成過程，探討地表各圈層相互作用機理對于認(rèn)識我國宏觀地貌與環(huán)境的形成與演變、青藏高原隆升過程等具有重要的科學(xué)意義，對于流域內(nèi)資源開發(fā)與保護、環(huán)境治理等方面也具有現(xiàn)實意義。由于長江、黃河自源頭到入海口跨越了多個不同的地質(zhì)構(gòu)造單元，故其形成歷史和演化過程極其復(fù)雜。目前，針對長江河谷地貌形成演化的爭論主要集中在三峽段和金沙江大拐彎處。關(guān)于長江三峽的成因有由溯源侵蝕導(dǎo)致的河流襲奪、先成河、來通過對河流階地及盆地與河口沉積地層的研究取得一些測年數(shù)據(jù)，但差別較大，短的只有十幾萬年，長的有 200 多萬年[5.7]。金沙江在石鼓附近由原來的西北-東南流向突然以銳角轉(zhuǎn)折向東北流去，這一奇特彎曲被稱為“長江第一彎”，其成因至今仍然是一個懸而未解的問題。近百年來有關(guān)學(xué)者進行了較多的研究，提出了各自的看法，歸納起來主要有兩種觀點即河流襲奪說與非襲奪說。前者認(rèn)為金沙江原來由石鼓經(jīng)白漢場-九河-劍川這一南南西向縱谷，通過漾濞江注入瀾滄江或紅河；而金沙江下段的“W”型曲折中多個南北向河段原來都是沿斷裂發(fā)育的向南流的幾條河流，隨著云南高原的抬升，因原出流河道被阻塞和幾條支流的溯源侵蝕襲奪，最終造成金沙江下段折曲東流[8]。對于河流襲奪貫通的時間則說法不一，遠可達始新世[9]，近至晚更新世晚期[10]。非襲奪說認(rèn)為該區(qū)馬蹄形的大拐彎完全受構(gòu)造所控制，與北北西-南南東和北北東-南南西的共軛構(gòu)造有關(guān)，并非河流襲奪的結(jié)果[11]。近 20 年來，黃河水系的研究取得了顯著進展。地貌學(xué)和沉積學(xué)的研究揭示黃河的形成是通過襲奪、串聯(lián)內(nèi)流水系進行的：更新世之前黃河中上游分布著多個相互獨立、缺乏水道溝通的內(nèi)陸湖泊水系；120 萬年前后三門峽被貫通，李家峽以下的黃河出現(xiàn)并東流入海；大約 1 萬年前黃河溯源侵蝕連通若爾蓋古湖，現(xiàn)代水系格局最終定型[12，13]。其形成演化與青藏高原隆升、氣候變化之間的關(guān)系也得到了較好的解釋[14，15]，即晚新生代期間高原隆升決定著河流的下切幅度，而河流的沉積.侵蝕作用與冰期.間冰期氣候變化密切相關(guān)。但是其間較細(xì)致的發(fā)育過程和形成時代仍存在較大的分歧，如更新世之前內(nèi)流水系格局的展布缺乏詳細(xì)的圖景，過去眾多內(nèi)陸湖泊的形成、消亡的時代及其與黃河演化之間的聯(lián)系尚不清楚，三門峽貫通的時代也存在不同的認(rèn)識，如有的學(xué)者[16]認(rèn)為黃河在 40 萬年前已部分切開三門峽，完全切穿而東流入海的時間則為 15 萬年前。另外，流域內(nèi)局部地段的研究表明構(gòu)造隆升是河流階地形成的主要原因，而與氣候變化無關(guān)[17，18]。無論是在寬廣的河谷中還是在廣闊的沖積平原上，都會看到蜿蜒曲折的河流，能在很長距離上保持順直的河道極為少見。即使是分叉河流，就單個河道而言，也常常是彎曲的。這表明，沖積河流總是傾向于向彎曲發(fā)展。彎曲系數(shù)（河道長度與河谷長度之比）大于某一數(shù)值（如1.5 ）的河道在地貌上稱為曲流，或具有彎曲河型的河道。沖積河流為什么會變得彎曲？這一問題看似十分簡單，深究起來，卻包含著深奧的道理。對彎曲河型的形成原因，地貌學(xué)家已經(jīng)進行了100余年的研究，雖然提出的假說達數(shù)十種，但至今未能得到滿意的解釋。隱藏在曲流成因背后的奧秘，是地貌學(xué)中懸而未決的難題之一。在曲流形成的理論中，很多是基于“河流系統(tǒng)能耗率達到最小”這一假說而提出來的。河流是一個處于動態(tài)平衡狀態(tài)下的開放系統(tǒng)，這種平衡表現(xiàn)為力的平衡和輸沙平衡。如果河流所消耗的能量，恰好等于克服水流阻力和搬運泥沙，則其能耗率將達到最小，此時河流處于輸沙平衡狀態(tài)，河床既不發(fā)生侵蝕，也不發(fā)生堆積。著名自然地理學(xué)家李?；舴以缭?886年就提出，河流為了減少侵蝕做功，就“力圖改變自己的比降，因而形成曲流”…。近代的研究認(rèn)為，由于沖積河流具有自動調(diào)整的功能，當(dāng)來自流域的泥沙量超過河流的挾沙能力時，為了達到平衡，河流傾向于通過增加河長來減小比降，從而降低挾沙能力，因而變得彎曲12，引。這一假說流傳甚廣。然而，一些新的發(fā)現(xiàn)對于上述解釋提出了挑戰(zhàn)。學(xué)者發(fā)現(xiàn)，廣義的“曲流”可以不依賴于河流泥沙的存在。在冰川表面上，由于陽光照射，冰川消融，常常會發(fā)育彎曲的小河，以排泄冰川融水。值得注意的是，很多這樣的小河是彎曲的，具有和發(fā)育在沖積物中的曲流相似的幾何形態(tài)。同時，人們觀察到，大洋中的洋流通常不是沿直線前進的，而是形成近似于正弦曲線的平面形態(tài)，這與典型的沖積性曲流河床的彎曲形態(tài)極為相似。研究者發(fā)現(xiàn)，曲流河床的河灣跨度與兩個河灣之間的過渡段的河寬之間有很好的線性關(guān)系，即前者為后者的12倍。建立這一關(guān)系時涉及了很大的樣本，既包括攜帶泥沙的天然沖積性曲流和室內(nèi)模型小河，也包括不攜帶泥沙的大洋洋流和冰川表面的小河，盡管所涉及河流、洋流的尺度相差達6個數(shù)量級之多，均服從這一關(guān)系。人們甚至發(fā)現(xiàn)，下暴雨時沿著干凈玻璃窗流下的水流，也常常不會沿直線流動，而會采取類似于正弦曲線的彎曲流路。

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《10000個科學(xué)難題·地球科學(xué)卷》：“十一五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目。

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