Потоки энергии в биосфере

Существование биосферы основано на непрерывном движении вещества и информации внутри живых организмов и между организмами и окружающей их средой. Это движение требует энергии, и каждый организм и биосфера в целом работают как тепловые машины. При этом они, естественно, подчиняются основным законам (началам) термодинамики.

Первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что «энергия инвариантна по отношению к любым процессам». Это означает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но её суммарное количество остаётся постоянным. Например, свет может перейти в тепло или в потенциальную химическую энергию, запасённую в органическом веществе растения в процессе фотосинтеза, но общее количество энергии при этом останется тем же[1].

Второй закон (начало) термодинамики гласит, что в изолированной системе при любых превращениях энергии часть её рассеивается и становится недоступной для дальнейших превращений в пределах данной системы. Если речь идёт о тепловой энергии, то рассеянная энергия переходит в хаотическое движение частиц окружающей материи (например, в тепловое движение молекул). В частности, тепло может быть передано от более холодного тела к более тёплому только с затратой механической или иной не тепловой энергии, которая при этом будет рассеяна (другая формулировка второго начала). Таким образом, любые процессы, связанные с превращениями энергии, ведут к переходу части энергии в энергию хаоса в системе.

Мерой хаотичности, или неупорядоченности, изолированной системы служит величина, названная энтропией. В любой изолированной системе идут процессы рассеяния энергии внутри системы, и, следовательно, энтропия растёт (третья формулировка второго начала). Когда энтропия изолированной системы достигает максимума, температура во всей системе выравнивается, процессы в ней замирают, остаётся только хаотическое движение, и систему настигает «тепловая смерть»[2]. Из второго начала следует, что для возникновения и роста в системе упорядоченных структур требуется поступление извне концентрированной энергии, которой соответствует температура выше температуры хаотического движения в системе. Часть поступающей энергии пойдёт на увеличение внутренней потенциальной энергии этих структур, а часть — рассеется в виде хаотического движения в остальной системе, вне упорядоченных структур (рис. 3.3). Энергия этого хаотического движения соответствует наиболее низкой температуре в системе и не может быть использована в пределах системы. Структурно упорядоченная часть системы сбрасывает образующуюся в ней энтропию вовне вместе с рассеянной энергией.

В биосфере продуценты непосредственно используют концентрированную энергию солнечного света и 1/10 часть энергии захваченных фотонов преобразуют в потенциальную химическую энергию фотосинтезированного живого вещества, а 9/10 расходуют на испарение влаги и собственный обмен веществ, и

Бесструктурная часть системы

Энергия в наиболее

форме и энтропия

Структурно упорядоченная часть

системы

Энергия в рассеянной форме и

ЭНТРОПИЯ

Внешняя среда^ хаос

< рассеянной

Энергия концентрированной

форме

Рис. 3.3. Потоки энергии и энтропии в «двухступенчатой» открытой термодинамической системе

эти 9/10 рассеиваются в виде низкотемпературного тепла. Кон-сументы, сапрофаги и детритофаги расходуют химическую энергию, полученную с пищей, примерно в тех же пропорциях. Это правило «10 %» впервые было установлено Р. Л. Линдеманом (Ыпёетап, 1916—1942), и оно, в сущности, означает, что в конце концов вся полученная экосистемой энергия рассеивается в виде низкотемпературного тепла. Таким образом, эффективность (или «коэффициент полезного действия» организмов как тепловых машин) примерно одинакова на всех трофических уровнях и составляет около 10 %.

На рис. 3.4 показаны потоки энергии в тепловой машине Земли. На внешнюю область атмосферы падает поток солнечного излучения 50, равный 1396 Вт • м'2 или примерно 1/3 ккал • м'2 • с-1 (солнечная постоянная). Этот поток пересекается диском Земли площадью я/?2, где Я — радиус Земли, но распределяется по всей поверхности Земли 4пЯ2 (см. рис. 2.1). Поэтому поток солнечной энергии, перпендикулярный поверхности Земли, в среднем составляет только 349 Вт • м~2. Он имеет спектр длин электромагнитных волн, соответствующий излучению абсолютно чёрного тела[3] [4], нагретого до 6000 °К (рис. 3.5)“. Около 30 % этого излучения отражается облаками и атмосферой обратно в космос, и около 15 % поглощается в атмосфере. Помимо облаков в рассеянии, поглощении и отражении солнечной радиации велика роль мельчайших твёрдых аэрозольных частиц[5] с размерами меньше нескольких микрон (микрометров). Примерно 3 % радиации Солнца поглощается озоном и кислородом озонового слоя атмосферы — это ультрафиолетовая часть солнечного излучения, и 12 % захватывается углекислым газом (С02) и водяным паром (рис. 3.5). На поверхность Земли попадает 55 % солнечного излучения, из которых 5 % отражается обратно в космос, не задерживаясь в атмосфере. Всего непосредственно отражается в космос 35 %. Эта величина есть средняя отражательная способность, или альбедо, Земли. Поглощённая поверхностью Земли энергия составляет примерно половину радиации, попадающей в верхние слои атмосферы. Около половины этой поглощённой радиации (энергии инсоляции) уходит на испарение воды с поверхности океанов и образование облаков, а вторая половина — на собственно нагрев поверхности. И только малая доля — примерно 1,5 % захватывается растениями и непосредственно используется для поддержания жизни.

Помимо солнечной радиации поверхность Земли подогревается потоком тепла, поступающим из недр Земли, но этот поток пренебрежимо мал по сравнению с потоком радиации Солнца.

Отражение

Космос

_|_:ц

Инфракрасное

Солнечное

излучение

излучение

—1—?—1-

ц

Земли

Поглощение

атмосферой

облаками,

частицами

пыли,

поверхностью

Земли

Т еплосодержание атмосферы

да

Ветер,

осадки

Поглощение

поверхностью

Земли

Испарение, излучение, конвекция, теплопроводность

Рис. 3.4. Тепловая машина атмосфера — Земля. Поверхность Земли является главным источником нагрева и циркуляции атмосферы, хотя сама получает почти всю энергию от Солнца. Вклад радиоактивности и гравитационного сжатия

Земли в общий баланс энергии ничтожен

V

Океаническая

циркуляция

Энергия радиоактивного распада и гравитационного сжатия Земли

Разными путями поглощённая поверхностью энергия радиации возвращается в атмосферу (рис. 3.4). Накопленная облаками теплота испарения попадает в воздух при образовании осадков, а энергия нагрева передаётся атмосфере через конвективные потоки тепла, инфракрасное излучение поверхности и, в очень небольшой доле, через теплопроводность. Энергия теплосодержания атмосферы расходуется на образование атмосферной цирку-

Ультрафиолет Видимый Инфракрасные лучи

свет

Рис. 3.5. Спектры излучения Солнца (на верхней кромке атмосферы Земли) и Земли. Затемнены области спектров, где происходит поглощение излучения указанными на рисунке атмосферными газами. Мощность излучения выражена в петаваттах на мкм длины волны; 1 ПВт (петаватт) = 1015 Вт

ляции, то есть преобразуется в кинетическую энергию ветров и морских волн и далее через трение снова в тепло.

Водяной пар, углекислый газ и отчасти метан СН4 и некоторые другие атмосферные примеси перехватывают инфракрасное излучение как Солнца, так и Земли (рис. 3.5). Эти атмосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, раскинутого над Землёй, пропуская к Земле коротковолновую часть спектра и задерживая у Земли длинноволновое тепловое излучение. Отсюда и их название — парниковые газы. Возникающий благодаря ним парниковый эффект играет важнейшую роль в тепловом балансе Земли.

Так как в среднем температура Земли не меняется, Земля должна излучать в космос из верхней атмосферы столько же энергии, сколько получает от Солнца и других, не столь значимых, источников. Спектр длин электромагнитных волн, излучаемых в космос верхней атмосферой Земли, соответствует излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 250 °К. Если бы не было парникового эффекта, то и температура Земли упала бы до 250 °К (то есть до -23 °С), и жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, по крайней мере в её нынешних формах. Однако уходящее излучение поверхности Земли, продвигаясь вверх,

Вода Трава Чернозём Песок Лёд и снег

Альбедо, или способность отражать лучистую энергию, у различных типов поверхности. Указан % отражаемой энергии

Рис. 3.6. Альбедо, или способность отражать лучистую энергию, у различных типов поверхности. Указан % отражаемой энергии

многократно поглощается и переизлучается парниковыми газами (в том числе в обратном направлении), и на каждом уровне температура и уходящий поток энергии снижаются. Поэтому средняя температура поверхности Земли удерживается на уровне 288 °К (15 °С), и спектр её излучения соответствует этой температуре (рис. 3.5).

Весьма вероятно, что переходы от периодов потепления на Земле к ледниковым периодам и обратно тесно связаны с колебаниями концентраций парниковых газов и пылевых — аэрозольных частиц в атмосфере. Важную роль в этих процессах играют отличия в альбедо различных типов поверхности. Из рис. 3.6 ясно, что рост площади ледников и отчасти песчаных пустынь ведёт к росту альбедо Земли в целом, тогда как увеличение площади океана и растительности — к его (альбедо) уменьшению.

Парниковые газы «согревают» Землю, аэрозольные частицы, отражая обратно в космос солнечное излучение, её «остужают». В периоды временного усиления вулканической деятельности содержание частиц в атмосфере резко растёт, поэтому средняя температура на Земле начинает падать. При этом растут ледники и прежде всего полярные шапки Земли возле её полюсов. Рост полярных шапок и сокращение площади океана увеличивают альбедо Земли, что ускоряет процесс охлаждения. Одновременно уменьшается испарение с поверхности океана, поэтому падают содержание водяного пара в воздухе и облачность. Это приводит к уменьшению альбедо, то есть росту нагрева поверхности Земли, и в какой-то момент процесс начинает идти в обратном направлении, пока вся система тепловой машины Земли не вернётся в состояние, близкое к исходному.

Возможен толчок и в обратном направлении, если какой-либо фактор приведёт к потеплению. Таким фактором может быть, например, антропогенный рост концентрации С02 в атмосфере вследствие сжигания человеком огромных количеств ископаемого топлива — нефти, угля и природного газа. Из рис. 3.5 видно, что именно С02 в наибольшей мере препятствует тепловому излучению Земли в космос. Наблюдаемый рост концентрации С02, составляющий примерно 0,3 % в год, приводит к уменьшению альбедо Земли. Соответственно будет расти средняя температура. Если начнётся интенсивное таяние полярных шапок и гренландского ледника, то скорость уменьшения альбедо ещё более возрастёт и соответственно ещё более возрастёт средняя температура на Земле. Этому процессу отчасти противостоят растворение избытка СО, в океане и поглощение его растительностью, но их может оказаться недостаточно. Такое развитие событий может привести ко многим крайне нежелательным последствиям, которые будут обсуждаться в главе четвёртой.

  • [1] Строго говоря, во Вселенной постоянной остаётся сумма энергии и массы, так как масса превращается в лучистую энергию при ядерных реакциях, например, в недрах Солнца и других звёзд или в атомном реакторе. Вместе с тем энергичный квант излучения может превратиться в пару материальных частиц электрон — позитрон. Впрочем, в биосфере подобные превращения не происходят.
  • [2] Можно рассматривать второе начало термодинамики и как выражение того обстоятельства, что любая система стремится к состоянию устойчивого равновесия, при котором энтропия системы достигает абсолютного максимума.
  • [3] Абсолютно чёрное тело — тело, поглощающее всё излучение, попадающее на его поверхность. При этом такое тело обладает и наибольшей способностью к излучению при данной температуре. Пример абсолютно чёрного тела — отверстие печи: попавшие в него лучи не могут выйти обратно, но у горящей печи из него идёт максимальный поток излучения.
  • [4] Здесь и далее расчёты температур основаны на законе Стефана — Больцмана, согласно которому интенсивность излучения с поверхности абсолютно чёрного тела Е= аТ4, где а — постоянная Больцмана, равная 5,67 ? 10-8 Вт ? м-2- К-4, и Т — абсолютная температура в градусах Кельвина, К. Длины электромагнитных волн ^мах, соответствующие максимумам спектров излучения, определяются законом Вина А.мах [мкм] = 2897/Т.
  • [5] Основным источником атмосферных аэрозольных частиц является океан. При обрушении волн образуются микроскопические капельки солёной воды, которые быстро высыхают, образуют частицы солей и рассеиваются атмосферными вихрями в толще атмосферы. Немалую роль играют и выбросы вулканического пепла, ветровая эрозия (выветривание открытых почв), большие лесные пожары и, наконец, промышленные и технологические выбросы.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >