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系统的边界——地理面(2)

时间:2010-01-29  归属:理论地理学

  夏天荷叶上的水珠,或秋天清晨凝结于草叶上的露珠,均呈圆球状,这是人们常见的事实。如果用界面原理加以解释,那将是十分简单的。图3-3中的横线AB表示液—气界面。在液体中的水分子,其存在位置有3种状况,分别以m,m1和m2表示。每个分子周围的小圆,代表该分子的引力范围。在大块液体的内部,象分子m的存在位置那样,它与各个方向上所来的引力相平衡,其合力等于零。而分子m1离开界面AB的距离小于分子引力半径,它从其上所受到的引力,要比从其下所受到的引力为小,

  这是由于界面AB之上的气相中,分子浓度比液体水要小得多,其结果形成了对于分子m1的作用合力f1的方向向下,企图将分子m1拉向水体内部;同理,作用于分子m2的向下合力f2更大,因为该分子正位于界面AB之上。由此看来,液体表面的分子,总是处于一个向内部拉引的力的作用之下,总是存在着有缩小界面表面积的趋势,这就是为什么荷叶上的水珠呈球形的原因,因为在相同体积的状况下,球形具有最小的表面积。

  存在于界面上的物质受到向内部的力的作用,表面具有自动缩小的趋势,从物理学上看,它必然减少了总自由能。相反,如欲把界面的面积扩大,也必须作一定数量的功才能实现,作功的大小与界面表面积的大小成比例:

  A=σ△S (3.1)

  式中A为所要做的功;△S表示新产生的界面面积,如果取△S=1平方厘米,则A=σ,因此σ可以看做是单位表面上的表面能,即在等温的条件下,新形成1平方厘米或消失1平方厘米的界面所需要的或所放出的可逆功。对于水与空气这种界面来说,σ通称为表面张力。以一定量的物质而言,表面越大,它所具有的表面能也越大。由此看来,地理面是一个具有巨大表面能的物质系统,同时由于界面的动态表现活跃,故地理面也是一个很不稳定的系统,需要有更多的外加能量以驱使其达到或保持相对的稳定。地理面所处的三相界面,要比其上的大气圈与其下的岩石圈,都复杂得多,其基本表现为输入通道多、状态变化多、结构层次多。

  生物,例如树木,总是采取化整为零(即扩大表面)的办法,尽量扩大自身与外界环境的接触面。换言之,就是能够尽量适应所在三相界面中表面积特别大的这种条件。只有这样,生物才可最大限度地截获其生长发育所必须的能量和物质。在某种意义上我们可以这样认为,生物的生命过程,正是通过与外部环境充分接触的最大可能界面,以实行这种物质和能量的交换而完成的。而地球表面的三相界面,正好具备了满足植物需要的巨大表面积,因此只有在这种特定的空间位置,才可能有生物的存在,这是生物与环境互相适应、互相协调的又一充分例证。

  据计算,植物每制造1克糖,不仅需要约4000卡的太阳辐射能,还要吸取相当于2500升大气中所含的二氧化碳,当然也要加上从植物根部摄取的1000克左右的水及水中所溶解的各种矿物质营养元素。这样大量的需求,一方面要求系统内有大量的物质贮存,另一方面要求植物在短时刻内即可及时获取到。因此不仅要求系统的表面应尽可能地大,而且还要求植物本身,如叶子、根等器官,要与大气、日光、水分、养分等有充分的接触界面。可以发现,唯有在地球的地理面内,这种条件才比较完美地具备。

  由这些例子看出,在地理面中,这种互相渗透的分散相体系(如在土壤的固相中,包括有次一级的固—液、固—气和液—气界面;在近地面空气层的气相中,由于气体内不同程度地含有雾滴、气溶胶和固体微粒等,因而也存在有次一级的固—气、液—气和固—液界面;在液体中,同时亦溶解有空气和其它矿物元素等,这样在液相内也存在着次一级的固—液、固—气及液—气界面),的确成为其所在空间的一个显著特征。正由于这种界面特点的存在,才十分有利于物质能量的输入、交换和贮存。海绵能贮水在于其有较大的表面积,地理面内可以贮藏较多的物质和能量,改变和迟滞物质、能量流动的进程,正是由于它具有充分大的表面积。此外,只有在界面层内,才具有交换速率大、发生变化的方向多、利用自然条件的途径广、对系统自我修复与自我调节的能力强等基础。由此出发,规定了地理系统行为的特殊性、综合性与复杂性。

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  • 关键词:地球界面地理面积边界作用循环物质系统一个
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