地球的外部圈層系統(tǒng)，是指環(huán)繞著地球表層的各組成部分。根據(jù)其性質(zhì)和狀態(tài)的不同，可分為大氣圈、水圈和生物圈。

(一)外部圈層形成過程

地球內(nèi)部增溫，不僅造成地球內(nèi)部圈層分異，同時也是地球外部圈層產(chǎn)生的過程。原始太陽星云的氫和氦，作為地球的第一代大氣，在地球形成時已散逸。由于地球內(nèi)部增溫，被禁錮在地球物質(zhì)中的氣體氨、甲烷、水汽、氫、氮、一氧化碳、二氧化碳和一些含硫的氣體被釋放。從當(dāng)今的火山爆發(fā)可以證實這些氣體是來自地球內(nèi)部。后來地球的引力已經(jīng)較強，除氫、氦這兩種輕元素外，其他元素很難向空中逃逸，所以從火山噴出的氣體便被地球吸留住。

同時，部分水汽在太陽輻射的光解作用下分解為氫和氧，氫的熱運動速度超過地球的引力，逐漸逃逸。游離氧與甲烷、氨、一氧化碳合成二氧化碳和水汽。這時地球的大氣成分是由甲烷、氨、氮、水汽和二氧化碳所組成的第二代地球大氣。約在20億年前海中出現(xiàn)綠藻，4億年前綠色植物在陸地上大量繁殖。由于綠色植物的出現(xiàn)使地球大氣成分又逐漸發(fā)生變化。綠色植物的葉綠素在太陽光照射下進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，制造有機(jī)物并放出氧(圖1-12、圖1-13)。經(jīng)過長期的演變，現(xiàn)代大氣的組成是氮占78%，氧占21% ，其他氣體總共為1%，成為地球上的第三代大氣。地球的大氣圈厚達(dá)3000km，但主要質(zhì)量集中在貼近地表約十余千米厚的對流層中。

圖1-12 地球的大氣圈

地球不但是太陽系中唯一具有水圈的行星，而且在特有自然條件下產(chǎn)生了生物。據(jù)統(tǒng)計，地球上的生物約有200余萬種，其中動物100余萬種，植物幾十萬種，還有10多萬種微生物，它們廣泛地分布在大氣圈的下層、水圈、土壤以及巖石圈淺部，上限達(dá)大氣對流層頂部，下限達(dá)地殼，深達(dá)3km(甚至更深)，但大量生物生長集中在地表至5～6m深的地方，一切棲息于地球上的生物共同聯(lián)系形成了一個整體圈層，叫“生物圈”。

圖1-13 大氣圈的CO2運動

(二)大氣圈

八大行星中，水星因質(zhì)量過小，不能吸住氣體;火星和金星的大氣則類似于地球初期的大氣，以二氧化碳為主;類木行星的大氣為原始星云所具有的氣體，即氫和氦，地球具有目前以氮、氧為主的大氣圈，是它在一定的自然條件下演化的結(jié)果。大氣圈是由包圍在地球表面的氣體組成的圈層。其總質(zhì)量約為5.14 ×1021g，雖然僅約占地球總質(zhì)量的百萬分之一，但是對于地球表面的變化，對于人類乃至整個生物圈，有著重大的影響。

大氣圈的厚度大約幾萬千米。由于地球內(nèi)部引力的吸引，大氣圈中的大氣密度以地表附近最大，隨高度增加而明顯減小，最后逐漸過渡為非常稀薄的星級氣體，因而大氣圈沒有明顯的上部邊界。根據(jù)氣溫的垂直變化，由下而上可將大氣圈劃分為對流層、平流層(或稱“同溫層”)、中間層(或稱“中層”)、暖層(或稱“熱層”“電離層”)、散逸層(或稱“外層”)。與人類和地質(zhì)作用關(guān)系最為密切的是對流層和平流層。平流層以上依次有中間層、暖層和逸散層。由于其對地表地質(zhì)作用的影響較小，故不做介紹。

1. 對流層

對流層是指從地表到平流層底的空氣層，赤道地區(qū)厚度最大，約17km，兩極最薄，約為9km。由于靠近地表受地球內(nèi)部引力吸引，其集中了整個大氣圈中大氣總質(zhì)量的3/4。主要成分為氮和氧(約98.5%)，此外還有少量的二氧化碳、水汽和固態(tài)物質(zhì)。氮是植物制造蛋白質(zhì)的主要原料之一。氧是生物生命活動的重要條件，也是促進(jìn)巖石等氧化分解的重要成分。

二氧化碳平均含量為0.03%，分布在大氣圈最底層，主要來自有機(jī)物的氧化和生物的呼吸，它強烈吸收地面長波輻射并放出熱量，因而對地表起著保溫的作用。同時二氧化碳也是促進(jìn)巖石分解的重要因素之一。但是，如果二氧化碳排放量過大，大氣中二氧化碳含量明顯升高，地球表面的溫室效應(yīng)將會變得越來越嚴(yán)重，并因此嚴(yán)重影響地表的生態(tài)和地質(zhì)作用環(huán)境。除了病蟲害增多之外，還將引起海平面升高、氣候反常、海洋風(fēng)暴增多、土地干旱和沙漠化面積增大。

水汽的含量變化很大，一般為0～4%，主要來自水圈的蒸發(fā)，它潤濕大氣，保持大氣的濕度。常年濕度大，即降水量明顯大于蒸發(fā)量的地區(qū)為潮濕區(qū);常年濕度小，即降水量明顯小于蒸發(fā)量的地區(qū)為干旱區(qū);常年濕度介于兩者之間的地區(qū)為半干旱地區(qū)。水汽也能吸收地面長波輻射的熱能。水汽在物態(tài)變化過程中會釋放或者吸收熱量，從而使地表晝夜溫差減小，保持大氣和土壤的溫度。水汽還可以空氣中的固態(tài)物質(zhì)為核心，凝結(jié)成云、霧、雨和雪等。

固態(tài)物質(zhì)主要是由火山或風(fēng)吹揚起的塵埃和燃燒的煙粒等組成。這些固態(tài)物質(zhì)除了作為水汽的凝聚中心之外，還能減弱太陽對地面的輻射強度。不過，對流層中過多的固態(tài)物質(zhì)，會造成霧霾。由此可見，對流層中的這些物質(zhì)都直接或間接地影響著外動力地質(zhì)作用。

對流層的溫度主要來自地面輻射熱(地面吸收了太陽的短波輻射，而后以長波形式輻射出來)，因此氣溫隨高度而遞減，平均每升高100m降低0.6℃，所以地面氣溫高而高空氣溫低。由于地表各處吸收的太陽輻射熱不均勻，導(dǎo)致地面各處大氣密度的差異，從而引起氣壓差。氣壓差促使大氣由氣壓高處流向氣壓低處，形成大氣的對流。大氣對流是對流層的最重要特征，是產(chǎn)生風(fēng)、霜、雨、雪等各種氣象變化的主要原因。對流層直接影響大氣圈下的生物生長和對地球表層的改造，是大氣圈中形成地質(zhì)作用的主要圈層。

2. 平流層

平流層是自對流層頂部到約50km高空的大氣層，它的特點是大氣以水平移動為主，其溫度基本上不受地面溫度的影響，而是隨高度的增加而增至0℃以上。增溫的原因是由于平流層中存在大量的臭氧，臭氧吸收太陽紫外輻射而使氣溫增高。由于平流層中臭氧能吸收太陽輻射的紫外線，所以成為了生物的天然保護(hù)層，使生物免受強烈紫外線的傷害。在平流層中水汽和塵埃含量很少，沒有對流層中那種云、雨等天氣現(xiàn)象。

(三)水圈

因火山作用噴發(fā)出水汽、甲烷和氨等氣體。其中，甲烷和氨經(jīng)氧化再形成水汽，這些水汽加入到大氣中形成云，再冷卻凝結(jié)成雨，降落地表。地殼低凹處的大量積水，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成了海洋;集聚在大陸上的水形成江、河、湖泊以及地下水和冰川。地表水、地下水和海洋息息相通，可以看作是連續(xù)的水層。這就形成了這個行星上特有的水圈。液態(tài)水存在的溫度條件是0～100℃，地球表面平均溫度為15℃，所以能保存水圈。金星和火星也有少量水，但金星的溫度過高，其上的水只能以水汽形式存在于大氣中;火星因溫度過低，水只能以薄冰覆蓋在其兩極表面。

水圈由地球表層的水體組成，包括河流、湖泊和海洋等地表液態(tài)水，也包括以固體形式大片分布于兩極和高山地區(qū)的冰體，還包括地殼表層巖石及土壤空隙中的水及其匯集的地下水體。地表水在太陽輻射能的作用下大量蒸發(fā)，形成水汽進(jìn)入大氣圈的對流層，在一定的條件下凝結(jié)成雨、雪等降落到地面。落到地面的大氣降水在重力作用下沿地表和地下流向海洋。由于地形等因素的影響，形成了海洋、河流、湖泊、冰川、地下水等不同特征的水體。這些水體在運動過程中不斷改造地表，形成不同的相關(guān)地質(zhì)作用。同時，水圈也為生物的生存、演化提供了必不可少的條件。

(四)生物圈

地球上的生命是在一定的自然條件下，經(jīng)過漫長的歲月從非生命物質(zhì)發(fā)展成為具有新陳代謝機(jī)能的蛋白體——原始生命而開始的。地球早期的無機(jī)物質(zhì)通過物理化學(xué)的途徑，形成簡單的有機(jī)化合物，如甲烷。簡單的碳?xì)浠衔镌谧贤廨椛洹⒎烹姷茸饔孟潞驮即髿庵械乃?、氫、氨、二氧化碳、氮、硫化氫等發(fā)生作用，開始形成低分子的有機(jī)物，如氨基酸、嘌呤、醣、脂肪酸、卟啉等，再經(jīng)過多少萬年的發(fā)展產(chǎn)生出高分子的有機(jī)物質(zhì)——蛋白質(zhì)(包括酶)、核酸等。在適當(dāng)?shù)臏囟?、引力、光照條件下和液態(tài)水參與中，以蛋白質(zhì)、核酸組成的多分子體系可能像一種膠質(zhì)小球漂浮在原始海洋中，那里不但有水作為簡單有機(jī)體的發(fā)展原料，而且有機(jī)體在水中可以免除強烈的太陽紫外輻射的破壞。高分子有機(jī)質(zhì)——蛋白質(zhì)核酸體系再發(fā)展成具有新陳代謝作用的蛋白體，完成了非生命體向生命體的轉(zhuǎn)化，即化學(xué)過程向生命過程的轉(zhuǎn)化。

1959年我國科學(xué)工作者用氫、甲烷、氨、硫化氫和水蒸氣通過火花放電，人工合成氨基酸，它是組成蛋白質(zhì)的基本單位。1965年我國合成具有生命力、由多種氨基酸組成的大分子蛋白質(zhì)胰島素。1981年又合成核糖核酸。這就證明了生命是在一定條件下由無機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化而成的，是自然界演化的結(jié)果。原始生命產(chǎn)生后，由簡單向復(fù)雜、由低級向高級演化，由海洋發(fā)展到陸地，形成了豐富多彩的、生機(jī)勃勃的地球生物圈。

生物圈是地球表層生命物質(zhì)(動物、植物和微生物)組成的圈層。生物分布很廣，在大氣圈中的10km高空、地殼深達(dá)3km(甚至更深)以及水圈中的深海底部均有生物生存，可見生物圈與大氣圈、水圈和地殼之間沒有截然分開的界限。生物在地球上分布雖然很廣，但大量生物則集中在地表和水圈中，特別是在陽光、空氣和水分充足而溫度適宜的地區(qū)生物更為集中。與生物作用有關(guān)的地質(zhì)作用，既有植物的根劈作用和微生物參與的風(fēng)化作用，也有植物、動物和微生物參與的沉積成巖作用。