Энергетические процессы в биосфере

Энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Согласно закону сохранения энергии, она не исчезает и не возникает из ничего, а только переходит из одной формы в другую.

Все вещество биосферы Земли подвергается непрерывному излучению от различных космических и земных источников.

Радиационная обстановка биосферы определяется излучением Солнца, космическими лучами и естественной радиоактивностью самого материала Земли. Солнечная радиация оказывает наиболее существенное влияние на процессы в биосфере. Связь солнечных и земных явлений показана схематически на рис. 2.1.

Основная часть электромагнитной энергии Солнца приходится на видимую и инфракрасную часть волнового спектра, а также на ультрафиолетовую часть. Меньшая часть солнечного излучения принадлежит рентгеновским лучам и волнам в области радиодиапазона.

В атмосфере Земли поглощается значительная часть ультрафиолетового и инфракрасного излучения, в частности коротковолновая часть ультрафиолетовых лучей поглощается в верхних слоях атмосферы, а также водяными парами, частицами дыма и пыли. Рентгеновское излучение поглощается полностью.

Интенсивность солнечного излучения на Земле зависит от широты, периода года, времени суток, а также от облачности и прозрачности атмосферы. В общем, незначительная доля солнечного излучения 1–0,5% усваивается зелеными растениями в процессе фотосинтеза органических веществ. Основная и большая часть рассеивается в биосфере, определяя ее энергетический баланс.

Корпускулярное излучение Солнца выражается в виде солнечного ветра и солнечных космических лучей, которые связаны с мощными взрывными вспышками. При этом также усиливается интенсивность ультрафиолетового и рентгенового излучений.

Хотя плотность космических лучей весьма незначительна, они производят в атмосфере вторичные радиоактивные изотопы, которые включаются в общий круговорот химических элементов в биосфере и могут служить тонкими индикаторами этого круговорота, включая оценку возраста почв, органических остатков, молодых океанических осадков и скорости их накопления.

Основные направления потоков энергии на Земном шаре показаны на рисунке 2.2.

При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Эффективность переноса энергии в живом веществе довольно низкая. Как известно, при переходе от одного звена трофической цепи к другому передается только 10–20% связанной энергии, а 80–90% ее рассеивается в виде тепла (Правило 10 процентов) (рис. 2.3).

Радиоактивность биосферы связана, главным образом, с присутствием долгоживущих радиоактивных изотопов 40К, 235U, 238U, 232Тn в различных природных телах. Все живые организмы Земли испытывают действие ионизирующих излучений, испускаемых радиоэлементами, находящимися в природных водах, почвах, горных породах и атмосфере.

Радиоактивность относится к важнейшим факторам, вызывающим мутацию у различных организмов. Все живые организмы содержат радиоактивные элементы в небольших количествах. Они поступают в растения главным образом из природных вод, почвенных растворов.

Поскольку на составе живых организмов отражается в определенной степени состав внешней среды, то в тканях растений и животных в повышенном количестве накапливаются радиоактивные элементы в провинциях с повышенной радиоактивностью.

Радиационная обстановка биосферы является важным фактором существования и изменения живого вещества в настоящее время и прошлые геологические эпохи. В современную эпоху в энергетических процессах в биосфере решающая роль принадлежит радиации Солнца.

Лучистая энергия Солнца – главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. В связи с движением Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите интенсивность солнечного излучения, приходящаяся на поверхность Земли, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния Земля-Солнце.

Это изменение расстояния приводит к колебаниям суточного количества падающей энергии. При этом следует отметить, что Земля получает лишь 5•10-10 долю общей, излучаемой Солнцем энергии.

Эта в общем ничтожная доля всей суммы радиации равна 1,72•1017Вт или 5,42•1024 Дж в год. Вся эта сумма энергии распределяется на Земле так, как это показано на рисунке 2.4.

Поглощается атмосферой и земной поверхностью 67% энергии, которая после ряда превращений уходит в космическое пространство.

В атмосфере нагревание происходит снизу, что приводит к образованию мощных конвективных потоков и общей циркуляции воздушных масс.

Океанические течения, движимые преимущественно ветром, перераспределяют полученную солнечную энергию в горизонтальном направлении, что влияет на снабжение атмосферы теплом. Мировой океан и атмосфера представляют собой единую тепловую систему.

За счет излучения и конвекции поддерживается весь энергетический баланс нашей планеты. Круговорот воды в биосфере также определяется поступлением солнечной энергии.