Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
3.5. Термодинамические действующие силы эволюции Земли
Нашу Землю можно рассматривать как гигантскую открытую систему, в которой на протяжении последних 4,5 миллиардов лет разыгрываются процессы самоорганизации и эволюции. Планета Земля имеет массу около 6 • 1024 кг и обращается вокруг Солнца на расстоянии около 1,5 • 10!‘ м. Процессы эволюции на Земле по существу развертывались в тонком слое земной поверхности, толщина которого составляет лишь незначительную долю радиуса Земли, — слое, состоящем из скальных и осадочных пород, вод и атмосферы. Существенные этапы этой эволюции представлены в календаре эволюции (табл. 2.1-2.5). Эволюция в поверхностных слоях Земли охватывает геологические, атмосферные и биологические процессы. Энтропийными насосами, приводящими в действие эти процессы эволюции, служат солнечное излучение и запасы энергии в ядре Земли, передаваемые поверхностным слоям посредством теплопроводности и тепловой конвекции, радиоактивного излучения, извержений вулканов, энергии тектонических движений. В качестве космического источника энергии следует также упомянуть космическое излучение, хотя оно составляет не более 0,1% солнечного излучения. На рис. 3.2 представлена схема термодинамических потоков энтропии и энергии, или свободной энтальпии, через поверхность рассматриваемой открытой системы, имеющей форму сферической оболочки. Возможные процессы самоорганизации и эволюции на Земле приводятся в действие перепадом, или градиентом, температур между Солнцем или ядром Земли с одной стороны и температурой космического пространства (фонового излучения) с другой стороны. Собственное излучение Земли оказывает лишь пренебрежимо слабое влияние на температуру Солнца или космического пространства, поэтому Землю можно рассматривать как пассивную систему, сквозь которую «прокачивается» энергия. Процесс, создающий этот поток энергии, приводит к деградации энергии, т. е. к производству энтропии.
Солнце Т= 60001
Вселенная
т~ зк
энергии через открытую систему «земная мантия и атмосфера»
Рис. 3.2. Потоки
Земля поглощает энергию космических источников своей атмосферой и верхними слоями земной мантии. Поглощающий слой имеет толщину около 30000 км. Еше на большой высоте над поверхностью Земли потоки частиц захватываются магнитным полем Земли. В области от 5 ООО км до 500 км космические кванты высоких энергий, взаимодействуя с верхними слоями газовой оболочки, порождают частицы с большой энергией (около 108 эВ), образующие внутренний пояс излучений. В слоях выше 80 км плотность газа уже столь велика, что поглощаются почти все кванты электромагнитного излучения с длинами волн примерно до 200 мм. Поглощенные кванты взаимодействуют с отдельными частицами газа и вызывают диссоциацию и ионизацию молекул и атомов. Эта область, расположенная выше 90 км, называется гетеросферой. Слой, лежащий ниже, называется гомосферой. Плотность газа в гомосфере существенно выше, что приводит к интенсивному обмену энергией и веществом в турбулентном режиме. Потоки энергии изображены на рис. 3.3.
Приведенные числа дают лишь весьма приблизительные оценки (Сватков, 1974). Данные различных авторов расходятся примерно на 10% (см., например, Монин, Шишков, 1979; Будыко, 1978; Монин, 1987). Из схемы, приведенной на рис. 3.3, видно, что баланс энергии уравновешен, т. е. выполняется условие стационарности dU — 0. Излучение, приходящее на Землю, достигает величины около 230 Вт/м2 и соответствует температуре излучения около 6 000 К (температура поверхности Солнца). Измеренное спектральное распределение энергии солнечного излучения представлено на рис. 3.4. Спектральное распределение энергии излучения, испускаемого Землей, носит существенно более сложный характер. В грубом приближении это излучение можно представить как суперпозицию черного излучения с первоначальной температурой и длинноволнового излучения с температурой около 250 К. Вклад длинноволнового излучения составляет, по Сваткову, около 230 Вт/м2. Спектр длинноволнового излучения представлен на рис. 3.5. Нетрудно видеть, что спектральное распределение длинноволнового излучения заключено между распределениями черного излучения с температурами 218 К и 288 К. Объясняется это тем, что земная поверхность со средней температурой 288 К испускает тепло, как черное тело, но в космическое пространство это тепло может излучаться только в тех спектральных областях, в которых атмосфера прозрачна. В остальных областях спектра из космического пространства «видна» не поверхность Земли, а поверхность стратосферы,
t t
t
Падающее излучение -*¦ Отражение Длиноволновое Обратное излучение
испускаемое неизменной температуры
излучение
переменной
температуры
350 Вт/м2 1200Вт/м2 85 Вт/м2 145 Вт/м2
Поглощенная энергия 230 Вт/м2
Испарение Тепловая энергия
Длинноволновое испускаемое излучение
70 Вт/м2 160 Вт/м2
230 Вт/м 2
Рис. 3.3. Схема протоков энергии в атмосфере (Сватков, 1974)
