10000個(gè)科學(xué)難題·地球科學(xué)卷

內(nèi)容概要

　　本書(shū)是《10000個(gè)科學(xué)難題》系列叢書(shū)的地球科學(xué)卷，是由我國(guó)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(xiě)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(gè)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(lái)龍去脈，闡述這些難題的最新的研究進(jìn)展，指出這些難題的難點(diǎn)所在及解決這些難題的可能途徑。“難題”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(guó)內(nèi)外的前沿研究水平?！半y題”的撰寫(xiě)在保證科學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)性的同時(shí)，力圖深入淺出、圖文并茂，以增加趣味性和可讀性。
　　本書(shū)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(gè)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(duì)地球科學(xué)感興趣的高中學(xué)生和業(yè)余愛(ài)好者閱讀。

書(shū)籍目錄

前言
地理科學(xué)
　長(zhǎng)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(guò)程中為什么存在突變現(xiàn)象?
　如何對(duì)于沖積河流河床形態(tài)方程進(jìn)行封閉求解?
　沖積河流為什么會(huì)變得彎曲?
　下墊面性質(zhì)變化對(duì)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(bào)
　土壤脫硅富鋁化的熱、動(dòng)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(wèn)題中的“獨(dú)大與數(shù)小”爭(zhēng)論
　森林-草原過(guò)渡帶的生態(tài)機(jī)理
　高山林線的形成機(jī)理
　森林植被分布的異常格局
　為什么不同地區(qū)生物群會(huì)有如此大的差異?
　中國(guó)不同植被類型主要植物種類相對(duì)花粉產(chǎn)量和花粉源范圍
　樹(shù)輪氣候重建中低頻信號(hào)的提取
　中全新世晚期中國(guó)森林植被衰退的原因——?dú)夂蜃兓蛉祟惢顒?dòng)？
　農(nóng)業(yè)起源之謎
　史前大洪水之謎
　我國(guó)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(guò)程中的尺度效應(yīng)和尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題
　環(huán)境基準(zhǔn)及其賦值問(wèn)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(duì)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(jī)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(yíng)養(yǎng)化發(fā)生機(jī)理
　超積累植物積累機(jī)理及其成因
　自然固氮和脫氮機(jī)制
　為什么難以確定可更新資源開(kāi)發(fā)利用的臨界值?
　為什么難以制定自然資源開(kāi)發(fā)最優(yōu)方案?
　災(zāi)害鏈傳遞機(jī)理
　自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)與損失評(píng)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(huì)經(jīng)濟(jì)空間結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)一軸系統(tǒng)”形成機(jī)制
　如何理解社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jī)理
　信息技術(shù)因子對(duì)區(qū)域空間重組的作用機(jī)理
　地域文化的尺度間整合過(guò)程
　城市化過(guò)程與動(dòng)力機(jī)制
　巨型城市的形成機(jī)制與發(fā)展趨勢(shì)
　城市蔓延的機(jī)理與規(guī)律
　半城市化地區(qū)的形成機(jī)理與識(shí)別方法
　產(chǎn)業(yè)集群的形成機(jī)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(gè)科學(xué)難題?地球科學(xué)卷地理科學(xué)長(zhǎng)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(shí)， 作為陸地表層最重要的造貌營(yíng)力，河流強(qiáng)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(guò)程。長(zhǎng)江、黃河是中國(guó)的第一和第二大河，也是世界 著名的大河流，都發(fā)源于號(hào)稱“世界屋脊”的青藏高原，跨越了我國(guó)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(zhǎng)江、黃河的水系格局是漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期水圈、大氣圈和巖石圈相互作用的結(jié)果。她們是何時(shí)誕生的？又經(jīng)歷了哪些發(fā)展階段？這些已考問(wèn)了地質(zhì)地貌學(xué)家一個(gè)世紀(jì)的科學(xué)難題，至今仍然沒(méi)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(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡條件下的開(kāi)放系統(tǒng)，在不同的時(shí) 空尺度下，河流系統(tǒng)響應(yīng)構(gòu)造活動(dòng)和氣候變化的機(jī)制和過(guò)程目前也不清楚。因此，詳細(xì)研究長(zhǎng)江與黃河水系的形成過(guò)程，探討地表各圈層相互作用機(jī)理對(duì)于認(rèn)識(shí)我國(guó)宏觀地貌與環(huán)境的形成與演變、青藏高原隆升過(guò)程等具有重要的科學(xué)意義，對(duì)于流域內(nèi)資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)、環(huán)境治理等方面也具有現(xiàn)實(shí)意義。由于長(zhǎng)江、黃河自源頭到入?？诳缭搅硕鄠€(gè)不同的地質(zhì)構(gòu)造單元，故其形成歷史和演化過(guò)程極其復(fù)雜。目前，針對(duì)長(zhǎng)江河谷地貌形成演化的爭(zhēng)論主要集中在三峽段和金沙江大拐彎處。關(guān)于長(zhǎng)江三峽的成因有由溯源侵蝕導(dǎo)致的河流襲奪、先成河、來(lái)通過(guò)對(duì)河流階地及盆地與河口沉積地層的研究取得一些測(cè)年數(shù)據(jù)，但差別較大，短的只有十幾萬(wàn)年，長(zhǎng)的有 200 多萬(wàn)年[5.7]。金沙江在石鼓附近由原來(lái)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(zhǎng)江第一彎”，其成因至今仍然是一個(gè)懸而未解的問(wèn)題。近百年來(lái)有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了較多的研究，提出了各自的看法，歸納起來(lái)主要有兩種觀點(diǎn)即河流襲奪說(shuō)與非襲奪說(shuō)。前者認(rèn)為金沙江原來(lái)由石鼓經(jīng)白漢場(chǎng)-九河-劍川這一南南西向縱谷，通過(guò)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(gè)南北向河段原來(lái)都是沿?cái)嗔寻l(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(duì)于河流襲奪貫通的時(shí)間則說(shuō)法不一，遠(yuǎn)可達(dá)始新世[9]，近至晚更新世晚期[10]。非襲奪說(shuō)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(lái)，黃河水系的研究取得了顯著進(jìn)展。地貌學(xué)和沉積學(xué)的研究揭示黃河的形成是通過(guò)襲奪、串聯(lián)內(nèi)流水系進(jìn)行的：更新世之前黃河中上游分布著多個(gè)相互獨(dú)立、缺乏水道溝通的內(nèi)陸湖泊水系；120 萬(wàn)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(wàn)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(guò)程和形成時(shí)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(guò)去眾多內(nèi)陸湖泊的形成、消亡的時(shí)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(shí)代也存在不同的認(rèn)識(shí)，如有的學(xué)者[16]認(rèn)為黃河在 40 萬(wàn)年前已部分切開(kāi)三門峽，完全切穿而東流入海的時(shí)間則為 15 萬(wàn)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(wú)關(guān)[17，18]。無(wú)論是在寬廣的河谷中還是在廣闊的沖積平原上，都會(huì)看到蜿蜒曲折的河流，能在很長(zhǎng)距離上保持順直的河道極為少見(jiàn)。即使是分叉河流，就單個(gè)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(zhǎng)度與河谷長(zhǎng)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(huì)變得彎曲？這一問(wèn)題看似十分簡(jiǎn)單，深究起來(lái)，卻包含著深?yuàn)W的道理。對(duì)彎曲河型的形成原因，地貌學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了100余年的研究，雖然提出的假說(shuō)達(dá)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(dá)到最小”這一假說(shuō)而提出來(lái)的。河流是一個(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的開(kāi)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(yùn)泥沙，則其能耗率將達(dá)到最小，此時(shí)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(dòng)調(diào)整的功能，當(dāng)來(lái)自流域的泥沙量超過(guò)河流的挾沙能力時(shí)，為了達(dá)到平衡，河流傾向于通過(guò)增加河長(zhǎng)來(lái)減小比降，從而降低挾沙能力，因而變得彎曲12，引。這一假說(shuō)流傳甚廣。然而，一些新的發(fā)現(xiàn)對(duì)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(yáng)光照射，冰川消融，常常會(huì)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(shí)，人們觀察到，大洋中的洋流通常不是沿直線前進(jìn)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(gè)河灣之間的過(guò)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(shí)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(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)之多，均服從這一關(guān)系。人們甚至發(fā)現(xiàn)，下暴雨時(shí)沿著干凈玻璃窗流下的水流，也常常不會(huì)沿直線流動(dòng)，而會(huì)采取類似于正弦曲線的彎曲流路。

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《10000個(gè)科學(xué)難題·地球科學(xué)卷》：“十一五”國(guó)家重點(diǎn)圖書(shū)出版規(guī)劃項(xiàng)目。

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