Physical Processes in Earth and Environmental Sciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Blackwell Pub

作者:Leeder, Mike/ Perez-arlucea, Marta/ Leeder, M. R.

出品人:

页数:336

译者:

出版时间:2006-2

价格:524.00元

装帧:Pap

isbn号码:9781405101738

丛书系列:

图书标签:

• 地球物理学
• 环境科学
• 地质学
• 地球化学
• 水文科学
• 大气科学
• 物理学
• 地球系统科学
• 环境物理学
• 地表过程

地球与环境科学中的物理过程：深入探究自然界的动态机制 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，用以理解地球和环境系统内部所发生的关键物理过程。我们聚焦于驱动地质构造、气候变化、水文循环以及生态系统动态的物理学原理和机制。本书内容结构严谨，从宏观的地球物理现象到微观的物质传输过程，层层递进，力求为行星科学、环境工程和地球化学等领域的学生、研究人员及专业人士提供坚实的理论基础和丰富的应用案例。 --- 第一部分：地球的深层结构与动力学 本部分将探讨构成我们星球的基本物理结构，并阐述驱动地球演化的巨大能量机制。 第一章：地球内部的物理状态与组成 本章首先概述了地球的层状结构——地壳、地幔和地核——及其主要的物理特性。我们将详细分析地震波层析成像如何揭示地下物质的密度、温度和相态变化。重点讨论了硅酸盐矿物在高压高温下的相变动力学，以及这些相变如何影响地幔的粘滞性和对流模式。同时，我们将深入研究地核的液态外核与固态内核的物理性质，特别是铁镍合金的电导率及其在地球发电机效应中的作用，解释地球磁场的起源与周期性变化。 第二章：岩石圈的形变与构造运动 构造地质学的核心在于理解岩石圈如何响应内在和外在的应力场。本章详细阐述了岩石流变学的基础。我们将分析不同温度和应力条件下，岩石表现出的弹性、粘塑性和脆性变形机制。从实验室的岩石力学实验数据出发，构建描述应力-应变关系的本构方程。在宏观层面，探讨板块构造的驱动力，包括热对流拖曳力、俯冲板片拉力（Slab Pull）和洋脊推力（Ridge Push）的相对贡献。具体案例分析将涵盖大型走滑断层系统的运动学特征、造山带的应力平衡，以及地震发生时的断层破裂过程的物理模型。 第三章：地幔对流与热量传输 地幔对流是地球内部物质和能量循环的根本动力。本章致力于量化和模拟这一复杂过程。我们将从热力学角度出发，讨论瑞利数（Rayleigh Number）在判断地幔是否发生自然对流中的关键作用。随后，我们将介绍数值模拟方法，如有限元法和有限差分法，来求解描述粘性流体运动的纳维-斯托克斯方程，并耦合温度方程来模拟多尺度对流模式，包括上地幔的席卷式对流与整体对流的相互作用。此外，本章还将探讨放射性衰变作为内部热源的贡献，以及热量通过热传导和热辐射在不同深度间的分配。 --- 第二部分：水圈与大气圈的物理过程 本部分将焦点转向地球表面和近地表环境，考察水、大气和冰雪的物理行为及其相互作用。 第四章：大气环流与气候动力学 大气运动是复杂的流体动力学问题。本章从流体力学的基本方程（如欧拉方程和纳维-斯托克斯方程）出发，引入科里奥利力、压力梯度力和重力，构建描述大气运动的原始方程组。我们将深入分析大气热力学，包括湿空气的相变（凝结与蒸发），以及潜在温度和位温的概念。重点解析地转平衡和梯度风平衡在解释大规模环流（如哈德利环流、科里奥利力作用下的气旋/反气旋）中的作用。此外，本章还将探讨辐射传输理论，分析大气对太阳短波辐射的吸收与反射，以及温室气体对长波辐射的捕获机制，为理解气候反馈机制奠定物理基础。 第五章：水文循环与地下水动力学 水圈的物理过程涉及从降水到蒸发、再到地下水流动的多相态和多尺度传输。本章首先处理大气水汽传输与降水形成过程中的微物理学，包括云滴的碰撞与聚结。在水文部分，我们将详细阐述地表径流的动力学，应用曼宁方程和浅水波方程描述河流和洪水运动。核心内容转向地下水流动的渗流理论，详细推导并应用达西定律（Darcy's Law），并将其扩展到非饱和带（Vadose Zone）的水分运动，引入Richards方程来描述毛细作用和重力共同控制下的水流。我们还将分析污染物在地下水中的对流-弥散过程，利用Fick定律和守恒方程进行量化描述。 第六章：冰川学与冰盖动力学 冰川和冰盖是地球气候系统的重要组成部分。本章关注冰的流变学。冰的流动机制与岩石不同，主要依赖于晶粒内滑动和晶间滑动（或称基底滑动）。我们将讨论牛顿型流动和幂律粘塑性流动模型，并展示如何利用冰川速度测量数据来约束内部应力状态和底界面摩擦系数。此外，本章还将涉及冰盖的质量平衡（积雪与消融）、冰流失的物理机制，以及冰川对基岩的侵蚀作用，包括磨蚀（Abrasion）和拔蚀（Plucking）的物理过程。 --- 第三部分：界面过程与物质传输 本部分聚焦于不同圈层交界面（如固-气、液-固）发生的关键物理化学过程，这些过程对环境质量和生态系统健康至关重要。 第七章：地表物质的侵蚀与沉积动力学 风、水和重力是塑造地表形态的主要物理代理。本章系统分析土壤侵蚀的物理机制。我们将从流体力学角度解析水流对颗粒物施加的剪切应力，并引入Hjulström曲线来描述颗粒的起动、输运和沉积的临界速度。对于风力侵蚀，我们将讨论盐跃层（Saltation）、悬移（Suspension）和爬移（Creep）的物理模型。沉积学部分，则侧重于颗粒在流体中的沉降动力学，应用斯托克斯定律（Stokes’ Law）并讨论其局限性，以及在复杂流场（如湍流）中颗粒的输运与层理形成。 第八章：海洋物理与沿海动力学 海洋是地球上最大的能量和物质储库。本章首先介绍大尺度的海洋环流，包括风驱动的表层环流（如西边界流）和密度驱动的深层环流（热盐环流）。我们将应用Ekman理论来解释风应力在海洋表层产生的螺旋运动和净水流方向。在沿海区域，重点分析波浪理论，从线性浅水波和深水波模型出发，解释波浪的折射、衍射和破碎现象，这些现象直接影响着海岸侵蚀和沉积。此外，还将探讨潮汐的动力学机制，以及海平面变化与地壳均衡调整的耦合过程。 第九章：界面处的能量与物质交换 本章是物理过程综合应用的体现，关注固-液、液-气界面上的微观物理机制。我们将讨论孔隙介质中的多孔介质流动，重点是毛细作用在土壤水势和水汽传输中的作用，运用拉普拉斯方程描述界面张力对流体分布的影响。对于气固界面，我们将分析大气边界层的湍流特性，湍流混合如何高效地传递动量、热量和水分。通过通量协方差技术（Eddy Covariance），量化地表与大气之间的能量平衡（潜热通量与感热通量）。最后，探讨这些交换过程如何调控地表温度和生物地球化学循环的物理驱动力。 --- 本书的深度和广度确保了读者不仅能掌握地球和环境科学中核心的物理定律，更能理解这些定律如何在复杂的自然系统中相互作用，形成我们观察到的宏大景象和微小变化。每一章都力求将理论模型与实际观测数据紧密结合，以期提供一个真实、动态的地球系统图景。

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