Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
В равновесном состоянии, когда температура Земли не меняется, энергия солнечного излучения, падающего на Землю, совпадает с энергией теплового излучения Земли. С учетом разницы температур поверхности Солнца (Тс = 6000 К) и Земли (Г3 = 300 К) можно заключить, что каждый фотон солнечного излучения распадается в среднем на Тс/їз = 20 фотонов теплового излучения Земли.
Если "бы Солнце посылало на Землю ту же энергию, но в виде теплового излучения Земли (т.е. при Тс = Тз), температура Земли поддерживалась бы на прежнем уровне, но солнечный фотон не претерпевал бы
О 10°лет
О 105лет
10*дет
О Ю5лет
О ю2лет
то 1900 1920 то т то
Рис. 1. Изменения средней температуры земной поверхности:
1 — ЗА последние 600 млн. лет (заштрихованные участки — колебания температуры в ледниковые периоды); 2 — увеличение временной шкалы в 1000 раз; 3—5 — увеличение временной шкалы предыдущего графика в 10 раз; б — реконструкция среднегодовых температур Северного полушария за последние 100 лет (средняя ИЗМенеНИЙ. ЗеМЛЯ ОСТава- температура известна с меньшей точностью, чем отклонения от
нее. Поэтому на вертикальной шкале отложены отклонения от ЛаСЬ бы ТеПЛОЙ, НО На Ней среднеземной температуры. Горшков В.Г., 1990)
не происходило бы никаких процессов и не могла существовать жизнь. Таким образом, именно в результате распада солнечных фотонов происходят все наблюдаемые в биосфере процессы.
По закону сохранения энергии в отсутствие атмосферы тепловой поток от Земли должен был бы совпадать с потоком солнечной энергии, поглощенной поверхностью Земли. Расчеты показывают, что при этом температура поверхности Земли составляла бы 5° С. Тот факт, что реальная температура земной поверхности на 10° С выше, связано с наличием атмосферы. Энергия процессов испарения и. диссипации макроскопических движений переходит в тепловую энергию, поглощаемую атмосферой. Тепловое излучение поверхности Земли также поглощается атмосферой. При этом суммарная теплота, поглощаемая атмосферой, превращается в тепловое излучение, часть которого уходит в космическое пространство, а другая часть направляется обратно на поверхность Земли и оттуда вновь поступает в атмосферу. Это явление аналогично увеличению температуры в парниках и называется парниковым эффектом.
Наличие парникового эффекта связано с присутствием в атмосфере неравномерно в ней распределенных паров воды, частично сконцентрированных в виде облаков. Около 10% изменения температуры за счет парникового эффекта обеспечивает равномерно распределенный в атмосфере углекислый газ, содержание которого в 16 раз меньше, чем паров воды. Остальные газы в атмосфере определяют менее 1% парникового эффекта. Данные об энергетических масштабах природных процессов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Потоки энергии у поверхности Зают1
Вид энергии Мощность, 10^2 Вт (ТВт)
Поглощение солнечной радиации атмосферой и зем-
ной поверхностью 105
Расход на испарение воды:
моря и океаны
суша 5-103
растения (транспирация) 3-Ю3
Явные турбулентные потоки теплоты 1 • 104
1 Горшков В.Г. Энергетика биосферы и устойчивость состояния окружающей среды. М., 1990. 18
Продолжение табл. 1
Вид энергии Мощность, 1012 Вт (ТВт)
Перенос теплоты с экватора к полюсам:
атмосферой " ЫО4
океаном 2-103
Ветер 2-Ю3
Океанские волны ЫО3
Фотосинтез 102
Гравитационная энергия осадков 102
Гидроэнергия речного стока 3
Геотермальная энергия 30
Вулканы и гейзеры 0,3
Приливы и отливы 1
Лунный свет, падающий на Землю 0,5
Свет звезд 10'4
Современное мировое энергопотребление человека 10
Энергия солнечного излучения, поступающего на Землю, составляет около 1,3 *1021 ккал/г (1 ккал/г = 1,35«Ю-4 Вт). Примерно 28% этой энергии отражается от атмосферы и земной поверхности. Остальная часть (рис. 2) поглощается атмосферой (2,5 «Ю20 ккал/г), океанами и морями (4,4« 1020 ккал/г) и сушей (1,9• 1020 ккал/г), В процессах фотосинтеза в растениях и' микроорганизмах в химическую энергию преобразуется около (3—б) • 1017 ккал/г, т.е. всего 0,03% падающей на Землю солнечной энергии. Лишь небольшая доля этой энергии используется человеком: около 8 • 1016 ккал/г в качестве топлива и около 4*1015 ккал/г в виде пищи. Из приведенных цифр следует, что около 7з солнечного излучения отражается в космос, около Уз оставшегося излучения поглощается атмосферой и в результате средний поток солнечной энергии, доходящий до поверхности Земли, оказывается уменьшенным примерно в два раза. Около !/з остаточной энергии преобразуется поверхностью суши в уходящее в космос тепловое излучение без генерации заметных макроскопических движений. Более !/з энергии затрачивается на испарение воды и генерацию турбулентных потоков теплоты в атмосфере и Океане.
Как указывалось в начале параграфа, флуктуации температуры Земли на 0,1°С связаны с изменениями потока солнечного излучения на 0,1%. Это означает, что в течение нескольких десятков лет допустимо без ущерба для существующего климата и живых организмов изменение потока энергии в биосферу на величину порядка 100 ТВт.
