第一节 地球的基本性质
一、地球的形状和大小
1.对地球形状、大小的认识
人类在长期生产实践中，对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程。当初人们确认地球的形状为圆球形，这是一个认识上的进步，有人比喻为第一级近似。到18世纪末，人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球，这是第二级近似。为了数学上计算方便，人们用“旋转椭球体”这一几何形体来代表地球的形状。所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成的球体。地球因自转而变扁，这符合逻辑和事实，但地球不是流体，所以旋转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。地球表面有大陆和海洋，地势有高有低，其形状是非常不规则的。后来通过重力测量采用“大地水准体”（Geoid）这个概念来代表地球的形状，这是第三级近似。大地水准体是指由平均海面所封闭的球体形状。海面上的重力位各处都是相等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆，就形成一个封闭曲面，这个曲面叫大地水准面。由于地球表面有71%为海洋所占据，所以在一定程度上讲，大地水准面代表了地球的形状，而且这个面是一个实际存在的面。但它仍然是介于旋转椭球体和地球真实形状之间的一个中间形态。
近年来，由于人造卫星等空间技术的发展，大大地推动了关于地球形状的深入研究，取得了一些新的数据。概括说来，有以下几个方面的认识：①大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面，而是有地方隆起，有地方凹陷，相差可达100m以上；②地球赤道横截面不是正圆形，而是近似椭圆形，长轴指向西经20°和东经160°方向，长短轴之差为430m；③赤道面不是地球的对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看，其形状与标准椭球体相比较，位于南极的南极大陆比基准面凹进24m；而位于北极的没有大陆的北冰洋却高出基准面14m。同时，从赤道到南纬60°之间高出基准面，而从赤道到北纬45°之间低于基准面。用夸大了的比例尺来看，这一形状是一个近似“梨”的形状。这一认识是到目前为止对于地球认识的一个新阶段。这种认识说明地球的形状及反映这种形状的内部物质状态还未达到稳定平衡状态。当然，今后卫星测量还必须结合大地测量、重力测量和天文测量等综合手段，才能获得进一步精确的数据。
2.地球的形状和大小的最新数据
1975年9月，国际大地测量学和地球物理学联合会第18届年会推荐和1980年公布的部分大地测量常数值，后者带*号：
地球赤道半径（?）：6 378 137m*
地球极半径（?）：6 356 752m*
赤道标准重力加速度（?e）：（978 032±1）×10-5m/s2
3.地球的其他数据
地球平均半径：6 371km
赤道周长：40 075.24km
地球的面积：51 000万km2*
海洋面积：36 100万km2，占地球总面积的70.8%
陆地面积：14 900万km2，占地球总面积的29.2%
地球的体积：10 830亿km3*
地球的质量：5.976×1027g*
地球的平均密度：5.517g/cm3
物体脱离的临界速度：11.2km/s
赤道上点的线速度：465m/s
大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）：8 844.43m
大陆平均高度：825m
海洋最深海沟：-11 034m
海洋平均深度：-3 800m
大陆和海洋的平均高度：-2 448m（即全球表面无起伏，将被2 448m厚的海水所覆盖）
从以上数据中，得知地球表面不仅海陆并存，而且地面起伏最大高差近20km。但若把地球缩小，以3.2m为半径，画一道高1.5cm的圆周线带，则地表的最高点和最低点均可包括在这道圆周线带内；同时，由于地球扁率只有1/298，无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体，从宏观上看地球仍然是近似球形的球体。
二、地球的物理性质
1.地球的密度和重力
地球的质量是根据万有引力定律计算出来的，用地球的质量除以地球的体积，便可得出地球的平均密度是5.517g/cm3，而地壳上部的岩石平均密度是2.65g/cm3，由此推测地球内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知，地球密度是随着深度的加深而增大的，并且在地下若干深度处密度呈跳跃式变化，推测地核部分密度可达13g/cm3左右。
地球的平均密度和水星（5.4）相差不多，月球（3.341）和火星（3.95）的密度都比地球小，其他行星的密度就更小了。当前很重视和其他星体对比来研究地球。
地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力F=m1m2/r2，由此可知，重力与地球质量（m1）和物体质量（m2）的乘积成正比，与地球和物体二者质量中心的直线距离平方（r2）成反比。地表重力因还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的影响，故各地并不相等，且随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算，在两极，重力比赤道地区大0.53%，也就是说把在两极重100kg的物体搬到赤道地区时，则变成99.47kg。通常用单位质量所受的重力，即重力加速度（g）来表示各地的重力大小。如在赤道的重力为978.031 8cm/s2，在两极为983.217 7cm/s2。
如果把地球看作一个理想的扁球体（旋转椭球体），并且内部密度无横向变化，所计算出的重力值，称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地形以及地下岩石密度不同，以致所测出的实际重力值不同于理论值，称为重力异常。比理论值大的称正异常，比理论值小的称负异常。存在一些密度较大物质的地区，如铁、铜、铅、锌等金属矿区，就常表现为正异常；而存在一些密度较小物质的地区，如石油、煤、盐类以及大量地下水等，就常表现为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的大小以及矿体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查，这称为重力勘探，是地球物理勘探方法之一。
但是，利用重力异常研究地质情况，必须对实测重力值进行校正，即必须清除各种因素对实测值的影响。第一，实测点有一定的海拔高度，海拔越高，距地心距离越大，而高差每增减1m，重力差则为0.308 3mGal。因此，须要一律校正至海平面高度，这种校正只考虑海平面与测点之间高差的影响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，就好像那里是空的一样，所以这种校正称自由空气校正。经这样校正后的重力值与理论重力值之差，称为自由空气异常；第二，测点与海平面之间还有岩石（平均密度一般按2.67g/cm3计算）对重力产生影响，测点周围地形也对重力产生影响，因此自由空气校正后的重力值还必须减去这部分岩石和地形对测点所产生的重力值，这种校正称为布格校正，布格校正后的重力值与理论重力值之差称为布格异常。这种异常应用最广，在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重力异常。
从我国大陆部分布格重力异常图上可以看出有两点值得注意的情况：①青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台阶”，这说明地质情况有很大变化；②丘陵及平原地带重力异常值较小，而青藏高原等地负异常值较大，甚至达到-500～-400mGal，这说明高原、高山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用，从而抵消了高山、高原对重力的影响。根据这种现象，有人提出“地壳均衡说”，认为山脉是较轻的岩块浮在较重的介质之上，仿佛冰山浮在海水中一样，山越高，它深入下部介质中的深度也越大，这深入的部分通称“山根”。这种论点现已为许多证据所证实。
2.地磁
地球周围形成一个巨大的地磁场。早在公元前3世纪战国时期，我国就已利用磁性发明了指南仪器——司南。后来人们还发现地磁极与地理极的位置是不一致的。地球磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁（条形磁铁与地轴呈11.5°相交）所产生的偶极磁场相类似。条形磁铁的北极指向地球的南磁极，条形磁铁的南极指向地球的北磁极。其磁力线是从南磁极出发进入北磁极的。当然事实上地球内部并无这样一个条形磁铁。为了确定地表任何一点的地磁场，需要进行磁场强度测量。箭头代表向量，其长度代表磁场强度（磁场强度单位为奥斯特Oe），它在水平面上的投影为水平强度，它的垂直分量为垂直强度，图中?角称磁偏角，?称磁倾角。磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角，以指北针为准，偏东为正，偏西为负。磁倾角即磁针与各处水平面的夹角，常随纬度而变化，在两磁极?角为90°，在磁赤道则为0°，以指北针为准，下倾者为正，上仰者为负。
概括而言，地磁具有以下特点。
（1）地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都有变化，如表2-1，磁极有向西缓慢移动的趋势。
表2-1 近代地磁极位置
*实验位置
（2）地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理论值不符时，叫做地磁异常。局部的地磁异常主要是由地下岩石磁性差异引起。属于地球物理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地磁异常区，从而发现隐伏地下的高磁性矿床。此外通过研究在亿、万年前所形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度，来判断地球磁场方向的变化，称古地磁学。它可以配合其他方法探索地球岩石圈构造发展的历史。
（3）根据人造卫星在地球外层空间探测发现，地球磁场的磁力线并不那样规则，而是由于太阳风的影响，地球的磁场被压缩在一个固定区域内，这个区域叫磁层。磁层像一个头朝太阳的彗星，磁层顶部朝向太阳，距离地球有10个地球半径远，而尾部可以拖到几百个地球半径那么远。磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。
（4）关于地球磁场形成的原因，曾有种种推测：很早人们认为地球的地核部分为具有磁性的镍铁物质，从而形成地球磁场。但是，地内温度高达几千摄氏度，远远超过铁磁性矿物的居里点，不可能产生磁场。目前所知，仅仅在20km范围内的岩石圈部分可以具有铁磁性，但它所产生的磁场强度不可能达到地磁场强度的数量级。还有人认为巨大质量物体的转动可以导致电磁效应，这种看法也被否定了。目前倾向于这种认识：地核的外核部分为液态的金属铁镍物质，是一种导电流体，在地球旋转过程中，产生感应自激，形成地球磁场。又因在地球转动过程中，流体地核比固体地幔略有滞后，因此产生地球磁场逐渐向西漂移。但这些假说有待于继续研究证实。
3.地热
地球内部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。地壳表层的温度常随外界温度而有日变化和年受化，但从地表向下到达一定深度，具温度不随外界温度而变化，这一深度叫常温层。它的深度因地而异，在我国北方，温度具有年变化的深度大约在30m左右。在年常温层以下，地温随深度而增加，此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。所谓地热增温级是在年常温层以下，温度每升高1℃时所增加的深度，单位是m/℃，例如，大庆的地热增温级为20m/℃，北京房山为50m/℃。地热增温级的平均数值是33m/℃。地热增温级的倒数叫地热梯度，即每深100m所增加的温度，单位是℃/100m。地热梯度的平均数值是3℃/100m。
地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈（图2-1）。据地球物理资料推断，整个地球的平均温度约为2 000℃。
地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的，如铀（U238，U235）、钍（Th232）、钾（K40）等（表2-2）。这些放射性元素衰变析出的总热能值，现有各种不同的估计，根据侯德封等1973年资料，至少为2.14×1021J/a。此外，也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球旋转能等转换而来的。还有人认为地热是地球形成时残余下来的，这就是所谓“残余热说”。
图2-1 地热增温规律
表2-2 各类岩石放射性元素含量（1/106）及生热率(www.xing528.com)
地球内的热能可以通过不同形式进行释放，如火山喷发、热水活动以及构造运动等都是消耗地热的形式。但地热释放最经常和持续的形式是地球内部热能从地球深部向地表的传输，这种现象称为大地热流。地球通过大地热流放热的现象是十分普遍的，只是单位面积（1cm2）的放热量很小，平均每秒钟只有6.15×10-6J。热流量的单位为4.186 8×10-6J/cm2·s，通称地热流量单位（HFU）。虽然地表单位面积的每秒热流量很小，但整个地球表面在一年中的放热总量可以达到9.63×1020～1.09×1021J，这个数字相当于燃烧300多亿吨煤放出的热量。可见地球本身是一个庞大的热库。地热流量或地热流值（Q）的计算公式是岩石导热率（K）和垂直地热梯度（dT/dZ）的乘积，即Q=K（dT/dZ），式中T代表温度，Z代表深度。一般是在室内测定岩心标本的导热率，在钻井中测量地热梯度，两个数值相乘，即得出地热流值。但用钻井岩心标本测定导热率存在很大困难，例如岩心标本离开它原来的位置，其温度、湿度和所受的压力等自然状态有了很大变化，有时岩心发生破裂，或者岩心取自松散岩层，凡此等等，都会使测量的数值产生很大误差。近年来成功研究一种地热流原位测定的仪器，特别适用于测量海底淤积层的导热率，大大推动了海洋地热流测定进度。到20世纪80年代末，全球地热值已测得1万多个，其中有2/3的数值是测自海洋。对全球热流量的研究得到一些有意义的结果。
（1）近年对全球地热流值的统计数字表明：全球平均地热流值为（1.47±0.74）HFU，大陆平均地热流值为（1.46±0.46）HFU，海洋为（1.47±0.79）HFU，大陆和海洋平均地热流值几乎相等。
（2）但地热流值的分布却具有明显的时空差异。以海洋而论，在洋中脊最高，为（1.90±1.48）HFU，海盆地区为（1.27±0.53）HFU，而距离洋中脊最远的海沟其平均值最低，只有（1.16±0.70）HFU。
（3）从岩石的新老或大地构造活动阶段来看，从古到新，地热流值表现为由低到高的趋向。如最古老的前寒纪地块为（0.91±0.02）HFU，早古生代加里东褶皱带为（1.11±0.07）HFU，晚古生代海西褶皱带为（1.24±0.03）HFU，中生代褶皱带为（1.42±0.06）HFU，新生代喜马拉雅褶皱带为（1.75±0.06）HFU。
（4）研究还表明，地热流值与岩石圈厚度有关。岩石圈越薄，则地热流值越大；反之，则越小。因此根据地热流值的大小可以推算出岩石圈的厚度，其推算结果与根据地震波推算的结果大体相符。
地热流所带出的热能是很分散的，目前只有在一定地质条件下富集起来的地热能，才能被当作资源看待。在大陆地区，地热流值大于2HFU，一般被认为是具有良好地热资源的地区。大陆地热资源分布很不均匀，上面所述中生代褶皱带（相当于环太平洋带）、新生代喜马拉雅褶皱带（相当于地中海-喜马拉雅带）是两条著名的地热带，也是地球上著名的地震带和火山活动带。在这样的地带有很多地方的地热流值或地热梯度高于平均值，这种地方称为地热异常区。在地热异常区，地热传导给地下水，使之变成热水或蒸汽，然后再沿断层或裂隙上升到地表，这样就会形成温泉、热泉、沸泉或者喷汽孔、冒汽地面等，有时还会形成热水湖。所有这些现象都称之为地热活动的地表显示。凡是具有地热的地表显示或地热异常现象的地区，叫地热田。但热水的形成必须具备热源、水源、储集层和盖层等条件。
我国东部沿海地区（包括台湾在内）和西南地区西藏、云南等地，正好分别位于世界的两条地热带范畴内，所以地热资源很丰富，目前我国已发现热泉点2 800多处（西藏地区未计入内）。据近年科学考察，西藏全区的水热活动区不下600处。其中拉萨西北羊八井热汽井，钻井深至30m，而达130℃的热水汽喷高30多米，是大型地热田之一。热泉、温泉之外，也可以通过钻井把地下一二千米以内的热水抽到地面上来，加以利用。热水除直接利用外，还可用以建立地热发电站。20世纪70年代以来，我国已在广东丰顺、河北怀来以及湖南、山东、江西、辽宁等省建成小型地热发电站。在西藏羊八井还建立了第一座直接利用地热汽发电的地热试验站。
目前全世界对地热的利用还主要限于地表和地下热水方面，但近年已注意到如何进行“高温岩体”的利用问题。如日本正在进行开发高温岩体热能试验。其方法是在岩浆岩体上开凿一破碎井（或利用废井），在井下采取措施，使下面岩体产生龟裂，然后注水到地下岩体龟裂处，同时在地面另凿一生产井，提取利用基岩热产生出来的蒸汽，推动涡轮机发电。1992年在山形县挖掘了一口深2 200m的实验井，成功地进行了第二次制造龟裂的实验，并准备继续进行破碎井与生产井之间水汽通过连续循环实验。据认为如果能开发4 000m以下岩体热能，则仅日本的这项可以利用发电的能源资源即可达到4亿千瓦以上。由此说明，地热资源的开发利用，蕴育着无限广阔的前景。
三、地球的结构
地球是一个由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体。这些圈层可以分成内部圈层与外部圈层，即内三圈与外三圈。其中外三圈包括大气圈、水圈和生物圈，内三圈包括地壳、地幔和地核。
1.地球内部结构
1910年，前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契意外地发现，地震波在传到地下50km处有折射现象发生。他认为，这个发生折射的地带，就是地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年，德国地震学家古登堡发现，在地下2 900km深处，存在着另一个不同物质的分界面。后来，人们为了纪念他们，就将两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”，并根据这两个面把地球分为地壳、地幔和地核3个圈层（图2-2）。
图2-2 地球内部结构示意图
地球内部结构是指地球内部的分层结构。根据地震波在地下不同深度传播速度的变化，一般将地球内部分为3个同心球层：地核、地幔和地壳。中心层是地核，中间是地幔，外层是地壳。地壳与地幔之间由莫霍面界开，地幔与地核之间由古登堡面界开。地震一般发生在地壳之中。地壳内部在不停地变化，由此而产生力的作用，使地壳岩层变形、断裂、错动，于是便发生地震。超级地震指的是指震波极其强烈的大地震。但其发生占总地震7%～21%，破坏程度是原子弹的数倍，所以超级地震影响十分广泛，也是十分具破坏力。
1）地壳
地壳是地球的表面层，也是人类生存和从事各种生产活动的场所。地壳实际上是由多组断裂的、很多大小不等的块体组成的，它的外部呈现出高低起伏的形态，因而地壳的厚度并不均匀：大陆下的地壳平均厚度约35km，我国青藏高原的地壳厚度达65km以上；海洋下的地壳厚度仅约5～10km；整个地壳的平均厚度约17m，这与地球平均半径6 371km相比，仅是薄薄的一层。
地壳上层为花岗岩层（岩浆岩），主要由硅-铝氧化物构成；下层为玄武岩层（岩浆岩），主要由硅-镁氧化物构成。理论上认为地壳内的温度和压力随深度增加，每深入100m温度升高1℃。近年的钻探结果表明，在深达3km以上时，每深入100m温度升高2.5℃，到11km深处温度已达200℃。
目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年，即使是最古老的石头——丹麦格陵兰的岩石也只有39亿年；而天文学家考证地球大约已有46亿年的历史，这说明地壳层的岩石并非地球的原始壳层，是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动构成的。
地球是地球表面以下、莫霍面以上的固体外壳，地震波在其中传播速度比较均匀。地球厚度变化有规律，其规律是：地球大范围固体表面的海拔越高，地壳越厚；海拔越低，地壳越薄。地壳由90多种元素组成，它们多以化合物的形态存在。氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁8种元素的质量占地壳总质量的98.04%。其中，氧几乎占1/2，硅占1/4。硅酸盐类矿物在地壳中分布最广。
2）地幔
地壳下面是地球的中间层，叫做“地幔”，厚度约2 865km，主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。地幔又可分成上地幔和下地幔两层。一般认为上地幔顶部存在一个软流层，推测是由于放射元素大量集中，蜕变放热，将岩石熔融后造成的，可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔部分和地壳共同组成了岩石圈。下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。
地幔上层物质具有固态特征，主要由铁、镁的硅酸盐类矿物组成，由上而下，铁、镁的含量逐渐增加。
3）地核
地幔下面是地核，地核的平均厚度约3 400km。地核还可分为外地核、过渡层和内地核3层，外地核厚度约2 080km，物质大致成液态，可流动；过渡层的厚度约140km；内地核是一个半径为1 250km的球心，物质大概是固态的，主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高，估计温度在5 000℃以上，压力达1.32亿kPa以上，密度为13g/cm3。
美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3 500℃以上，外核与内核交界处温度为6 300℃，核心温度约6 600℃。
横波不能在外核中传播，表明了外核的物质在高温和高压环境下呈液态或熔融状态。它们相对于地壳的“流动”，可能是地球磁场产生的主要原因。一般认为地球内核呈固态。（软流层一般认为可能是岩浆的主要发源地之一）
2.地球的外部圈层
1）大气圈
从地表（包括地下相当深度的岩石裂隙中的气体）到16 000km高空都存在气体或基本粒子，总质量达5×1015t，占地球总质量的0.000 09%。主要成分氮占78%，氧占21%，其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等，占1%。地球的表面为什么形成大气圈，这是与地球的形成和演化分不开的。地球在其形成和演化的过程中，总是要分异出一些较轻的物质，轻的物质上升，积少成多形成大气圈。我国古代也有这样的话：“混沌初开，乾坤始奠，轻清者上升为天，重浊者下沉为地。”其实这就是讲的物质分异作用。上升的气体为什么不会从地球的表面跑到宇宙空间中，其主要原因是地球的引力把大气物质给拉住了，形成一个同心状的大气圈。物体脱离地球的临界速度是11.2km/s，尽管气体物质很轻，其运动速度也很快，如氧分子的运动速度是0.5km/s，氢分子的运动速度是2km/s，但这种速度并不能使气体物质脱离地球的引力场。只有一部分氢和氦，在宇宙射线作用下可以被激发，产生很高的速度而跑掉一些。所以，大气圈中氧和其他气体的成分就相对增加了。
在太阳系中的其他星球，如月球、水星、火星等，则不同于地球的情况。月球的表面重力只有地球重力的1/6，物质脱离月球的速度为2.38km/s。所以月球上分异出的气体物质，很容易脱离月球，使月球不可能形成大气圈。水星离我们地球最近，其表面重力是地球的1/3，脱离速度是4.2km/s，气体比较容易跑掉，所以水星上也没有形成大气圈。火星表面的引力与水星的引力差不多，但火星的表面温度较低，气体分子运动的速度相对比较慢，所以火星的四周还可以保存一部分大气物质，但比起地球来，气体是非常稀薄的。木星、土星、天王星和海王星的引力与质量都比地球大得多，因此在这些星球上都存在有大气圈。但它们的成分却与地球上的大不相同。由于这些行星的引力大，连氢、氦这些轻气体分子都能被吸引住，所以这些星球上的气体不适合各种生物的生存与发展。金星的质量与引力都和地球近似，也存在有大气圈，但金星上没有植物进行光合作用，所以二氧化碳的含量很大。这样的条件也不适于生物的发展与生存。
地球大气圈成分是随着时间而变化的。当初大气中的二氧化碳可能达到百分之几十，大约在3亿年前，由于植物大规模繁盛，才演化成接近现今的大气成分，目前大气中的二氧化碳只有0.46‰。大约在1亿年前，大气的温度才接近现今的温度。从地史发展来看，二氧化碳的多少是影响地表温度的一个重要因素。若二氧化碳增多，地球的温度将会增高。根据有关资料，自工业革命以来，二氧化碳的含量已增加13%，因此人们推测地球的大气温度将会越来越高。
大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用。
（1）大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素。
（2）大气可以保护生物的生长，使其避免受到宇宙射线的危害。
（3）防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失，如若没有大气圈，地球上将不会存在水分。
（4）一切天气的变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。
（5）大气是地质作用的重要因素。
（6）大气与人类的生存和发展关系密切。大气容易遭受污染，大气环境的质量直接关系着人类健康。
2）水圈
水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。它包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成一个连续而不规则的圈层。水圈的质量为1.41×1018t，占地球总质量0.024%，比大气圈的质量大得多，但与其他圈层相比，还是相当的小。其中海水占97.2%，陆地水（包括江河、湖泊、冰川、地下水）只占2.8%；而在陆地水中冰川占水圈总质量的2.2%，所以其他陆地水所占比重是很微小的。此外，水分在大气中有一部分；在生物体内有一部分，生物体的3/4是由水组成的；在地下的岩石与土壤中也有一部分。可见，水圈是独立存在的，但又是和其他圈层互相渗透的。
地球上有水，这好像是很平常的现象，与其他星球相比，则显得特殊了。如，月球、水星、金星上都没有水。金星的表面温度较高，水都变成蒸汽跑掉了。火星上的水不少于地球，但火星上的水几乎都是以冰的形式存在的。火星以外的行星表面温度更低，难于存在液态水，如土星光环，据查明是由冰块组成的。
大气圈中存在的水分只占水圈总量的十万分之一，但它的重要意义是不能以所占比重来衡量的。因为大气中的水分不时凝结为雨、雪降下，又不时从地面和海面得到补充。实际上，大气中的水汽成了水分循环的中转站。这个中转站对人类生存关系极大。每年大约有4.46×1014t的水分经过蒸发进入大气圈，同时也有相等数量大气中的水分经过凝结又降回大地，其中大约有1/5降落在大陆上。
地球上的原生水，是地球物质分异的产物。目前火山喷发常有大量水汽从地下喷出便是证明。如1976年阿拉斯加的奥古斯丁火山喷发，一次喷出水汽即达5×106kg。当然地球上的水圈是逐渐演化而成的。
水圈是地球构成有机界的组成部分，对地球的发展和人类生存有很重要的作用。
（1）水圈是生命的起源地，没有水也就没有生命。
（2）水是多种物质的储藏床。
（3）水是改造与塑造地球面貌的重要动力。
（4）水是最重要的物质资源与能量资源，水资源的多寡和水质的优劣直接关系着经济发展与人类生存。
3）生物圈
生物圈指地球表面有生物存在并感受生命活动影响的圈层。目前世界上已知的动物、植物大约有250万种，其中动物占200万种左右，植物大约占34万种左右，微生物大约有3.7万种。整个生物圈的质量并不大，仅仅是大气圈质量的1/300，但它起到的作用却是很大的。生物圈具有相当的厚度。绿色植物的分布极限大约是海拔6 200m左右，根据资料，在33 000m高空还发现有孢子及细菌。总的来讲，生物圈包括大气圈的下层、岩石圈的上层和整个水圈，最大厚度可达数万米。但是其核心部分为地表以上100m、水下100m，也就是说大气与地面、大气与水面的交接部位是生物最活跃的区域，其厚度约为200m左右，因为在这个范围内具有适于生物生存的温度、水分和阳光等最好的条件。
生物圈是在地球演化过程中形成的一个特殊圈层，大约在30亿年以前，地球上才开始有了最原始的生命记录。大约从6亿年前才进入生命演化的飞跃阶段。地球上自从出现生物，便对地球的发展起着重要的特殊的作用。由于生物的生长、活动和死亡，使生物和大气、水、岩石、土壤之间，进行着多种形式的物质和能量的交换、转化和更替，从而不断改变着周围的环境。如植物在光合作用过程中，不断从大气中吸收CO2，在反应中放出O2，改变着大气的成分，同时将碳固定下来，并把它们的一部分埋藏在地壳中，形成大量的地壳能源。据估计，每年大约有1.5×1010t的碳，从大气转入到树木之中，煤炭就是地质时代树木被掩埋地下形成的。目前，每年大约形成含碳量达3×108t的泥碳。此外，空气中的CO2，溶解到水中形成HCO3-，与Ca+结合形成CaCO3，一部分为生物所吸收变成硬体（外壳、骨骼等），沉积而成为石灰岩。同时，生物也参与了土壤的发育。可以说，没有生物，也就没有今天的地球面貌；没有生物，也就不可能提供如此繁多的生物资源。
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