（三）地球表层系统中的界面与分支系统
地球表层按物质特征分化成几个圈层，即岩石与岩石圈地壳、大气与大气圈对流层、水与水圈、生命-有机质与生物圈、土壤层。各圈层之间均有清晰的界面，但生物圈是以生物的密集分布为标志的，所以实际上它的外界面是十分模糊的，而土壤层是不连续的，所以所谓的圈层界面在地球表层中的分布不是平行延伸的，同一界面的上、下圈层既在时间方面又在空间方面均不是固定不变的。如果某地的大片森林毁灭了，该地的圈层结构自下而上就会由岩石圈地壳-土壤层-生物圈层-大气层四层型，变为岩石圈地壳-土壤层-大气层三层型，进而再变为岩石圈地壳-大气层二层型；圈层之间的界面也由三界面转变为二界面、单界面；该地的地球表层结构就由三界四元型变为二界三元型、单界二元型。也就是说，圈层结构形式倒退到了几亿年以前的状态了。
各圈层之间的界面，既是阻止不同圈层之间进行物质与能量交换的中介面，又是不同圈层之间进行物质与能量交换所必须逾越的分界面，并且是逾越物质与能量发生转换并在对面圈层发挥作用的基面。在物质与能量逾越界面中包含着极为复杂的物理过程、化学过程和生命过程，有物态物相的变化、能量的转换，有单向的物质流与能量流，也有双向的物质流与能量流，还有直接逾越与穿层逾越之别。单位面积的物质逾越或能量逾越，称为通量。关于界面和通量的研究，正如有的学者所述，甚至该问题本身至今还带有一定程度的推测和一定程度的风险。但是，如果我们不赶快着手在一个更加规范的基础上去了解各圈层之间的联合和反馈，那也很有风险。回答任何一个新的科学探索领域中的问题，永远不会是保险无误的，但推迟研究决不会带来答案。
大气-海洋之间的界面，占全球表面积的70.8%。由于对流层大气与海洋水体的密度均比较小，而且互相之间的密度比差绝对值也比较小，又都具有易于流动的特点，所以大气与海洋之间能在任意方向的逾越界面进行物质与能量的交换。
海洋水面坦荡开阔，对于太阳辐射反照率低（约20%，但对低角度入射光线反照率很高），大部分太阳辐射能穿透水面并使很厚的水层得到增温。海洋水体还有比热大与通过涡动混合向较深层传热的特点。海洋向大气输送水汽、海盐气溶胶和热辐射。每年通过海洋表面蒸发的水汽量约为4.34×1017kg。水汽蒸发也称潜热输送，使表层海洋水冷却并下沉和上下水层的对流。大气向海洋输送降水、来自陆地和宇宙空间的尘粒，还有O2、CO2，并把空气流动动能直接传递给海洋水层。全年大气降水直接补充海洋水量达3.98×1017kg以及CO2（相当于每年6×1015g的碳）的1／2左右。大气-海洋之间的氧气交换，主要是通过微小动植物和细菌来完成的，而如卤代甲烷（CH3I、CH3Br、CH3Cl）、DMS（硫酸二甲酯）等微量气体是通过海洋的散发作用进入大气层的（A.R.Robinson，1984）。有些物质从海洋进入大气的过程既十分复杂又非常有趣——它们是由于海水飞沫的形成和气体的气泡破裂而进行的。
大气-陆地之间的界面，要比大气-海洋之间的界面复杂得多。在接受同样强度的日照下，因为土壤和岩石导热率低、比热小，热量只能聚集在浅表层，因此大陆陆地比海洋水层的增温与冷却都要快得多。另一方面，陆地物质密度大，可动性也比水、气小得多，从陆地进入大气的主要物质有块状岩基、沙尘微粒、水汽和各种气体、生物碎屑和有机质等，还有反射辐射、长波辐射以及地面剧烈震动能量的释放等。陆生的大气气溶胶和粉尘物质，多是各种地球物理、地球化学和生物过程的产物，如生物甲基化作用、生物燃烧、大陆植被、火山作用和低温地壳放气作用等，它们往往比地壳组分更富有多种相对易挥发的金属元素，如Hg、Pb、Sn、Cd、Zn、As、Sb、Se、Te等；平流层中的微粒来自火山喷发（和喷气飞机），并且是硫化物气体气相反应的生成物；城市的废气和微粒则可导致大气烟雾及酸雨等。
地貌发育在本质上还是陆地-大气、陆地-水体之间的物质与能量交换产生的物质运动，地貌形体乃是地貌发育阶段性的标志，由岩矿和生物遗体等所组成。
所以，地貌形体虽然有厚度标量或尺度，但它不构成单独的圈层。当然，也可以把广义地壳之表层称为地貌层。
总之，可以根据地球表层系统中的界面把地球表层系统划分出几个子系统，即岩石圈地壳子系统、水圈水层子系统、大气圈对流层子系统、生物圈生态子系统、土壤层土壤发育子系统和地貌发育子系统。每个子系统也都是开放系统，并可以通过的某个子系统的研究来探讨地球表层系统和地球系统。
1.2地球环境功能的形成与演化
1.2.1大气圈与气候系统
在地球系统中，大气的组成是最活跃的、瞬息万变的。气候系统是全球变化研究的核心，其中的天气、气候以及大气化学过程并非孤立存在，而是在不同程度上与其他圈层耦合在一起，进行着相互驱动、反馈和制约。此外，在生物地球化学循环中，大气也发挥了至关重要的作用。大气化学成分的变化既反映了地球系统中各要素的协同演化历史，记录着人类活动对大气的影响，也决定着人类的生存环境。事实上，当前的大气组成在很大程度上是地球上生命发展和进化的产物。大气中的O2、N2含量，O3的产生与维持，以及CO2浓度等，都与生命过程密切相关。
自然原因和人为原因导致的大气成分和性状变化（如温室气体含量的变化等），使得进入地-气系统的太阳辐射在总量和各光波波段上的分量都发生了变化。它不仅调控着气候过程，而且调控着生命的生物、化学过程。大气圈中的各种自然过程和效应，以及人类活动与人为调控整合行为，对人-地复合系统的协同演进，具有重要的作用。
大气圈是气候系统中最不稳定、变化最快的部分。大气圈不但受到其他四个圈层的直接作用与影响，而且与人类活动的关系最的密切。大气圈的状态和变化直接影响着人类的生存条件和各种活动，气候系统中其他圈层变化产生的影响最后都会反映在大气圈中，因而大气圈是气候系统的中心。
（一）大气成分与垂直结构
大气是包围在地球最外面的圈层，是由气体和气溶胶颗粒物组成的复杂的流体系统。作为生命三要素之一的空气，具有一切自然资源所共有的特性。它是一种不可或缺的可更新资源，其中丰富的N2、O2对生物的发育、生长不可或缺。O3、CO2的含量虽少，但与人-地复合系统的兴衰关系密切：若没有高空O3层的保护，下垫面上的一切生物均可能受到过量太阳紫外辐射的严重伤害，而CO2则与植物的生长和全球气候变化息息相关。
大气中水汽含量的时空变化很大，它对于大气运动以及许多天气现象的生消、复合系统内的物质交换，以及生物地球化学过程均具有重要意义。大气既是地球系统中动量、热量和物质循环的关键部分，又对地-气系统的辐射平衡发挥着重要作用。人类活动主要是在包括对流层的地球表层系统内进行的，因此，作为人-地复合系统中的子系统之一的大气圈，是人类生存环境的重要组成部分。
大气圈中，从地表到距地表12～16km的部分称对流层，这是人类活动最集中，也是变化最剧烈的大气层（图13）。从对流层以上到距地表50km左右是平流层，这里主要是O3层存在的地方。目前和未来的超音速飞机将主要在对流层中、下层飞行，它们的废气排放和形成的飞机尾迹会影响地球上的气候（丁一汇等，2003），因火山爆发而喷射到平流层中的尘埃和气溶胶也能影响地球的气候。平流层之上是中间层、电离层以及外层空间。在气候系统中，一般把它们看作大气顶部，它们是通过辐射过程来影响地球系统和气候的。大气圈主要通过其中大气成分及辐射收支的变化来影响地球的气候。
大气由各种气体、水汽、云，以及固、液态质点（气溶胶）等组成。在气体中，N2占78.1%（体积混合比），O2占20.9%，Ar占0.93%。但这些气体既不吸收也不发射热辐射，对地球气候影响甚小。对地球气候有重大影响的是大气中的所谓温室气体，如CO2、CH4、N2O和O3。虽然这些气体只占大气总体积混合比的0.1%以下，但由于它们吸收和发射辐射，因而在地球能量收支中起着重要的作用。大气中的水汽（H2O）也是一种温室气体，并且是最强的温室气体。它可以通过相变转化成水滴、云滴与冰晶，其体积混合比随时间和地点变化甚大，一般约占大气总体积混合比的万分之一左右，因而对地球气候的变化影响很大。O3在地球的能量收支中也起着重要作用。大气圈下层（对流层和平流层下部）的O3是一种温室气体，而平流层中上层的O3层吸收太阳紫外辐射，在平流层的辐射平衡中起着重要作用。大气中悬浮的固、液态质点（气溶胶）和云以极其复杂的方式，与入射太阳辐射和射出长波辐射相互作用，从而影响地球的气候变化。
（二）大气演化对地球生命与气候形成的作用
由于各种能量（如UV射线、β射）线、γ射线、雷电、热能等）的作用，一些元素及小分子化合物（如CH4、CO2、N2、NH3、H2O等）逐渐合成了氨基酸、核苷酸、蛋白质等。正是有了这些有机化合物，才形成了生命的基本要素。在距今约38亿年以前，单细胞有机体还处于其演化历程中关键的第一阶段时，它要求一个无O2的环境（即还原性大气）。地质学研究表明，在距今约20亿～30亿年以前，植物生命的原始形态已经发展到开始通过光合作用释放出极少量的O2，渐渐使大气环境由还原性向氧化性转化。早期的生命形态是在水环境中发展起来的，这种生命形态位于液面以下，既可以避开致命的太阳紫外辐射，又接近液面以便接受可见光辐射，进行光合作用。
当大气中的O2和游离氧逐渐增加并导致高层大气中O3层的形成后，太阳辐射光谱中的一部分紫外辐射被“过滤”掉而不能到达地表。紫外辐射强度减弱，使得在水环境中生存的植物能慢慢移向水面，植物便增加了接受可见光辐射、进行光合作用的机会。因此，大气中O2含量增加→地表紫外辐射减少→水中植物接受的可见光辐射增加→植物日益丰富→O2的产生加速。随着这种循环放大过程的进行，植物便缓慢地由水下移向水面。直到大约距今4亿年前，生命得以出现在陆地上，生物开始了由水生到陆生的飞跃。
地球大气中适度的O2含量，是生物有机体生长发育不可或缺的基本条件。一定量的CO2是植物进行光合作用、制造有机质的主要物质保证，而光、热、水、风等气候资源则为各种动植物的繁衍生息提供了必要的环境。无机界和有机界的各个组成间息息相关，大气圈与水圈、冰冻圈、岩石圈、土壤圈、生物圈、智慧圈等各圈层，在整个人-地复合系统演化进程中相互作用、相互制约：岩石圈活动所产生的气体和粉尘为大气输送了多种物质，大气降水造就了陆地上的河流、湖泊、海洋，大气与水对岩石圈的侵蚀和风化又形成了各种土壤和地貌等；各圈层之间生生不息的能量循环、水分循环和物质循环，维系着地球系统中复杂的物理、化学、生物过程，并使之不断发展；不同地区的气候差异孕育着形形色色的生物群落，并使地球形成了千姿百态的地理景观。
在各种自然驱动力（包括太阳的光热、地球与天体运动、大气环流以及下垫面影响等四个因素）的共同作用下，天气和气候也处于不断的演化和变迁之中。在漫长的地质年代中，地球气候不停地呈波浪式向前发展，冷、暖、干、湿交替出现。自震旦纪以来6亿多年气候变化的总趋势中，占主导地位的温暖气候约占整个气候史的90%，其余10%的时间经历了三次大冰期：第一次大冰期发生在6亿年前；第二次大冰期出现在距今约2亿～3亿年前；第三次是始于250万年前的第四纪大冰期。与大冰期相间的是两次气候转暖的大间冰期为：第一次大间冰期距今约3亿～6亿年；第二次大间冰期距今约为百余万至2亿年。即使在大冰期内，也有亚冰期和亚间冰期之分，如第三次大冰期内就有四次亚冰期和三次亚间冰期。迄今，气候的冷、暖、干、湿交替变迁仍然一直在进行着。事实证明，漫长的大气和生命演化进程，伴随着气候的形成及变化，并与其他各圈层的活动息息相关。
（三）地球大气的组成及其对生态环境的影响
地球大气由多种气体及一些悬浮的固体和液体微粒混合组成。在85km以下，各种气体成分一般可分为两类：一类为定常成分，其各成分间大致保持固定的比例，主要有N2、O2、Ar和一些微量惰性气体Ne、Kr、Xe及He等；另一类为可变成分，它们在大气中的比例随时间和空间不同而变化，主要有水汽、CO2、O3和一些含C、S、N的化合物，如CO、CH4、H2S、SO2等。