地球系统过程的动力机制，包括地球系统的物质流、能量流及其所产生的信息流的形成机制与模型，是地球系统的基础理论。产生物质流和能量流的动力机制的理论是：地球系统的差异性与非均衡理论、耗散结构理论和引力场理论；而物质流和能量流又成为信息流产生的基础理论。

爱因斯坦的广义相对论解释了时间和空间的宏观结构，狭义相对论，即：E=mc2，解释物质和能量的转化和质量与能量的守恒，即当质量m具有光速c运动时，质量等于能量，而量子力学只解释了物质和能量的基本性质和特征。

2．1．1 地球系统的物质流和能量流形成的基础理论与模型

1．地球系统的差异性与非均衡理论

地球系统的差异性与非均衡理论，即有关地球系统的物质和能量的差异性与时、空分布的不均衡性理论，是地球上的一切现象和过程的基础。

首先由于宇宙大爆炸造成的宇宙膨胀而使物质和能量的分布不均衡，造成了体积和重量（质量）大小不等的星体和宇宙碎屑物质、能量等及不同的发光体和黑暗物质，及运行速度和方向不同的星体等。宇宙中物质的密度是很不均匀的，有的密度非常大，如中子星的密度为1014～1015克/厘米3相当1立方厘米有1亿吨物质；“黑洞”的物质密度就更大了，其引力特别大，落入黑洞的物质和能量都是有去无回。宇宙中发生一次星系大爆炸，时间只持续0.1秒，而释放的能量等于3000年太阳释放能量的总和。各类星体的表面温度约为：红色星2000～2500℃，橙色星3500～4000℃，黄色星5000～6000℃，白色星6000～8000℃，蓝色与紫色星8000～20000℃。地球物质和能量分布的不均衡造成了地核、地幔和岩石圈。再以岩石圈来说，它的物质分布也是不均衡的。例如地壳组成物质的成分不同，结构也不同：物质的密度有大与小、数量有多与少，地形有高与低，有海洋与陆地，地壳有厚与薄等差别，因此造成了地球引力/重力场、电力场、磁力场的不均衡及位能、势能、动能与压强的不均衡。其次是由于地球的形状、自转、围绕太阳公转等特征，造成的地球表层接受太阳能量的不均衡，即温度的不均衡。还有由于地球结构的不同所造成火山、地震、地热等分布的不均衡及宇宙引力造成的地球固体潮及液体潮（海洋、湖泊等大型水体）的时空分布的不均衡，造成大气圈、水圈、生物-土壤圈、岩石圈及社会圈的不均衡，以及它们的各种现象及过程，包括资源分布的不均衡及由此而产生的经济和社会不均衡等。

据测量，地球的体积在膨胀，地球的直径每年的伸长5毫米；而地球自转速度在减缓，每昼夜约延长5×10-6～14×10-6秒。板块在漂移，欧洲和美洲两块大陆之间距离以每年约2.5毫米的速度在分开；北美洲和亚洲却以每年约2毫米的速度在靠拢。地球每年从太阳吸收相当于27亿吨标准煤释放的能量，每年降落到地球上的宇宙尘埃约4万吨，每年降落到地球的雨量为511 000立方公里。与蒸发量相等。地球上每年约发生315 360次闪电，每次闪电产生80公斤氮肥，每年约产生2.5万吨氮肥，地球上每年约发生地震10万次，每年火山喷出火山灰约66 000立方米。

由此从整体来说，地球系统的差异性与非均衡是永恒的主题，不均衡总是朝着均衡方向发展，但是均衡是永远也达不到的，即使达到也是短暂的、局部的。正是由于不均衡性的存在，地球系统才不断地发展，宇宙的生命才不会停顿。宇宙间的均衡是相对的，不均衡是绝对的。所以，我们的地球是一个活的地球，动态的、不断变化的地球。

2．地球系统的耗散结构理论

该理论是指物质和能量的不断扩散理论。这是地球系统所普遍存在的现象，也是用来解释地球上各种运动现象形成原因的基础理论之一。

耗散结构理论的创始人I．Prigogine（1977年获得诺贝尔奖金）下的定义是：“耗散结构是指在非均衡的条件下，物质和能量具有借助本身或外界的力量发生移动，以达到均衡状态的功能和机制。”或“在远离平衡的条件下，借助于外界的能量流和物质流而维持的一种空间或时间的有序结构。”

耗散结构理论来源于物理学中的热力学。热力学的第一定律为能量守恒和转化定律，是自然界中最普遍存在的规律之一。根据这一定律，温度或能量具有从高温处向低温处扩散、辐射、传导以达到温度或热量均衡的机制。在这种扩散、辐射和传导过程中，系统对外界作功和系统与外界交换热量的总和与初态相等。热力学第二定律、能量传递不可逆定律，即热导的过程是单向性的，温度和热能只可能从高温处向低温扩散、辐射、传导，相反的过程是不存在的。

I．Prigogine等人将热力学的第一、第二定律，扩展到物质和能量的全部领域，即不论任何形式的物质和能量，在非均衡状态下，都是从高处向低处，多处向少处，强处向弱处进行扩散、辐射、传导、移动、滚动、流动的过程，而且这种过程是不可逆的，引起这些过程的动力是不均衡所造成的位能、势能、压强差的结果。从能量守恒和转化定律扩展到物质守恒和转化定律。耗散结构理论，既适用于能量的扩散，也适用于物质的扩散。

“耗散结构理论”是热力学的基础，地球耗散结构理论是将物理学中的耗散的基本概念，应用于地球科学研究。其主要包括：

能量是物质运动和物质状态、发生变化的基本动力。地球环境中许多自然现象的发生和变化，主要是由太阳辐射能引起的，区域的分异也是由于太阳辐射的分异引起的。了解地球表层辐射能、热能的差异及其转化和传输，即耗散过程是造成地球空间差异的基本原因。

地球空间差异的形成、发展和变化过程，也是一种耗散过程。首先是由能量积累、消耗、转化与输送的差异所造成的，可以从其热量的积累、消耗或耗散、传输/转化过程来发现原因，并可作为地球系统预测的依据。

水热平衡的核心是热。地表水由于蒸发而变成大气水是靠热能。降水结果形成地表水及其流动也是靠“热”产生的。地表岩石的风化也是由于热的作用。热的积累、消耗、传输和传化，即积累与耗散过程是造成地球系统现象的主导因子。

根据“能量守恒”原则，热能也是守恒的，热能在传输和变换过程中，热能的表现形式可以有所不同，但热能量是不变的。“耗散”仅仅是形式的变化，是集中和分散问题，是地球系统现象的根源。

耗散结构理论，也可以用来解释地球上的物质运动。在非均衡状态下，从高处向低处、从强处向弱处进行扩散、流动、滚动、移动现象，是普遍存在的。比如大气运动，水体的流动，石块与碎屑物的滚动，甚至包括了社会现象，如物质流和人流等。在物质流的扩散过程中，也遵循质量守恒定律。

3．地球系统的引力场理论

引力场理论和耗散结构理论相反，它是由分散到集中的过程，这也是普遍存在一种现象，也是用来解释地球上各种运动现象形成原因的另一基础理论。

早在300多年前，牛顿就发现和阐明了早为大家所熟知的“万有引力”现象，引力大小（F）与两个物体的质量m1，m2成正比，与它们

是时时处处都存在的。由于它的存在，大宇宙、太阳系和无数星星，无数物质和能量在无限空间和无限时间中高速运行着。地球系统由于这引力的存在，包括地球的大气圈、水体圈、石圈、土壤生物圈在高速旋转运行中，不至于抛向宇宙空间。由于地球系统的引力的普遍存在，物质才能从高处移向低处，苹果才会落在地上。

引力场理论也是以质量的差异性和非均衡性为基础的。据最新的资料表明，我们赖以生存的地球，在从它运行的轨道附近，每年要吸引4万吨的宇宙碎屑物质——小陨石块，所以地球的重量在不断地增加。我们的地球幸亏有了质量较大的邻居木星的存在，由于它吸引了大量的宇宙碎屑物质——小陨石，地球才避免了与它们不幸的撞击。地球的固体潮以及海洋、湖泊中的潮汐现象，也都是由于地球与月球、太阳之间的引力所造成的。科学家发现，一个远方星系发出生光经过一个星系团时，竟然受到该星系团的重力（引力）的牵引而弯曲，呈光环围绕该星系团。法国空间研究中心1996年发现了星际物质冷凝聚现象，也是引力作用的结果。

地球系统的引力场，最普遍的形式就是时时处处存在的重力场。不论是动态的或静态的物体都受到地球的引力（一般叫地心引力），即物体自身重力的影响。自由落体还受到重力加速度（F=ma，牛顿第二定律）和作用与反作用定律（牛顿第三定律）的影响。物质从高处向低处的移动、滚动、流动和坠落等过程，都受到重力场的影响。

随着微重力仪的出现，人们对重力场作用有了进一步的认识，它的影响范围遍及所有的物质，而且还证明重力场还随时间和空间而变化。

重力场的作用使分散的物质集中。能量的集中是通过物质的集中而实现的。现在有人将引力的自然科学概念延伸到社会科学中，并用它来解释某些社会、经济现象。普林斯顿大学的J．Q．Steward发现了在该校就读的来自不同地方的学生人数随着距离该校的远近而人数减少的现象。他于是开始研究牛顿万有引力定律的社会现象，提出了社会物理学，并进行了一系列的实验，即所谓的“社会工程”，发现了相关的规律。例如城市对农村人口的引力为与城市的优越工作条件和生活条件等物质m1，m2成正比，与离城市的距离r成反比。商店对客户的引力与需求m1、价廉物美m2等物质条件成正比，与

象。 Frank A．Petter运用牛顿的万有引力定律，对贸易区之间的界线位置进行了解释。G．Henning，B．Jenssen和K．R．Kungmann（1981）更进一步提出城市周围50公里是城市的引力范围，100公里可能形成“反磁力”中心，即形成新的引力中心（新的城市）。

以非均衡理论为基础的引力场与耗散理论，即集中与分散、物质流与能量流是永恒的运动形式，地球系统将永远处在不断的运动和变化之中。但对于某一特定阶段来说，则有发生、发展和衰亡的过程。这“衰亡”是指一过阶段的结束和新的阶段的开始，运动、变化是永恒的主题。

2．1．2 地球系统信息流的形成机制

以地球系统的差异性与非均衡性理论为基础，以地球系统的耗散结构理论与地球系统引力场理论为系统的动力理论，构成了地球的物质流、能量流和信息流的形成机制，或地球系统的动力过程，耗散结构理论是物质和能量的分散理论，引力场理论是物质和能量的集中理论，两者共同构成了地球系统的动力理论。

由于在地球系统中普遍存在着物质和能量的差异和分布不均衡现象，以及由它所产生的位能、势能、温度差和压强差的存在，因此，就产生了物质的扩散、移动、滚动、流动、蠕动及坠落过程和能量的辐射、传导和扩散过程，即形成了物质流和能量流。物质流和能量流的流量、流向及流速，取决于它们的在时空分布的非均衡程度，即它们的高与低、多与少、强与弱之差，或位能、势能、动能及压强之差。流量与流速取决于不均衡之差的程度，流向取决于不均衡差的最大方位或方向。引起物质运动的高差/落差、比降/坡降等，既是不均衡的表现，又是重力场的表现。物质流和能量流的过程，都是遵循耗散结构理论和重力场理论的。

按照信息科学的理论，信息流指物质流和能量流的性质、特征和状态的表征的知识。物质流和能量流的信息，又是物质和能量的时空分布不均衡的特征所造成的。因此，信息流又是物质和能量的时空分布不均衡的性质、特征和状态的表征的知识。信息是物质和能量状态的标志。力也是一种特殊形式的信息。信息还表征了物质自身内在的某种定向选择，微粒世界的量子特征可以认为是这种定向选择性的典型例子之一（黎鸣）。再以复杂的生命来说，它有遗传信息的存在。生命是一个由控制信息组成的系统。作为生命的基本单元细胞的行为及复制过程，完全由这个信息系统所控制。这些信息存贮在细胞核中，存在一种复杂的DNA分子中（南仁东，1996）。人类的社会、经济活动，也可以看作为物质流和能量流的一种特殊形式，它完全受信息流的制配。

2．1．3 地球系统的信息流的作用和意义

地球系统的信息流虽然是物质和能量不均衡的性质、特征和状态的表征，也是物质和能量流的性质、特征和状态的表征；是由物质流和能量流所产生，并依附于物质和能量流而存在，或以物质流和能量流作为载体的。但同时，信息流又决定了能量流和物质流的流量、流速和流向，它是整个地球系统的纽带、地球系统有机体中流动的“血液”。由于信息流的存在，地球系统才有了“生命”，才能不断运转。N．Winer指出：“联结整个世界的方式是信息。”物理学家认为：联结整个世界的力，力是一种特殊形式的信息，信息为物质世界恢复了全面的、普遍联系的本来面目，带来了统一的、综合的科学观（黎鸣）。牛文元曾指出，地学科学工作者应“从物质、能量和信息在地理系统空间中的迁移、转移和贮存的特征中，揭示地理流、地理势、地理场、地理谱和地理熵等具有统一基础的指标，由此对于地理系统的可预测性、可比性和可控性作出贡献。”

地球系统的信息流，即是地球系统的物质流、能量流的性质特征和状态的表征，又是物质和能量时空分布的不均衡性质、特征和状态的表征。因此，它决定了地球系统的整个运行机制。

研究地球系统离不开信息，研究系统的结构、功能也离不开信息。系统的各部分之间的联系，往往是通过信息流来实现物质流和能量流的交换。系统的一切的物质流和能量流的过程，都要通过信息流才能实现。系统的自我调节过程首先是信息流的过程。系统越复杂，信息流就越重要。系统越高级，信息流越畅通。信息流的畅通程度是衡量一个系统结构优化的程度、系统发展水平的有效尺度。甚至研究一个系统，可以撇开对象的物质和能量的具体形态，可以着重从信息来研究系统的功能，即通过信息来研究系统的机制与过程。

信息本身是无形的，当一经形成，它将依附于一特殊的载体而存在，使无形成为有形，如以文字、数字、图形、影像、声响，以及书籍、杂志、报纸、磁带、CD-ROM、胶片等作为载体，或图书馆、电视台、电台及一些信息产业作为传播媒介形式出现。但不管它们的形式如何，其都是物质和能量的不均衡特性或物质流、能量流的特征和状态的表征或知识的载体，它们以表征物质和能量的资源、环境、社会、经济形式，或自然和社会知识的特殊形式出现。科学就是研究信息的一种特殊形式。

2．1．3 和其他理论的关系

以地球系统的物质和能量的差异性与时空分布的非均衡性理论为基础，以耗散结构理论（分散）和引力场理论（集中）为动力理论，共同揭示了地球系统的物质流、能量流及信息流的机制，并构成了地球系统其他理论的基础。首先地球系统的动力学理论，包括固体地球子系统、气体地球子系统、液（水）体地球子系统及生物地球子系统的理论，如固体力学、流体力学等理论，都是以上述理论为基础的。地质学、气象气候学、海洋学、水文学、土壤学、植物地理和动物地理学、自然地理学、区域地理学、人文地理学、经济地理学等，都是以非均衡理论、耗散结构理论与引力场理论作为基础，再附加以其他理论和非线性科理论的综合或融合。近代科学的理论，多数是属于综合性或融合性的理论。同时一些本来属于自然科学的理论，延伸到社会和经济科学领域，也是合理的，也是科学发展的新趋势。因此，上述的核心理论是地球系统理论的理论。

有人把地球系统普遍存在的物质流、能量流和信息流看作是哲学思想。我们认为哲学是科学的科学。爱因斯坦十分重视科学方法与哲学思想的密切相结合。他指出，哲学思想是科学的最高层次，具有最高的概括和最普遍的适用范围，它适用于自然科学和社会科学等一切科学领域。