14. Трансформация энергии в биосфере. Закон Стефана – Больцмана
Из закона сохранения и превращения энергии следует, что для любой системы, помещенной в заданный объем, справедливо равенство:
При этом изменение внутренней энергии ΔU вещества массой m с изменением температуры на ΔT составляет ΔU = m⋅ c ⋅ ΔT , где c – теплоемкость вещества (для воды она равна 4,18 кДж/(кг·К).
Когда вещество переходит в другую фазу, происходит изменение внутренней энергии без изменения температуры. Энергия, требуемая для фазового перехода из твердого вещества в жидкое состояние, называется теплотой плавления, а для перевода жидкости в пар – теплотой испарения. При этом изменение внутренней энергии при выпаривании воды равняется m⋅ H , где m – масса, а H – удельная теплота испарения, а при плавлении будет m⋅Λ , где Λ – удельная теплота плавления.
Во многих задачах, связанных с проблемой охраны окружающей среды, рассматриваются потоки как вещества, так и энергии через границы системы. Примером может служить удаление с помощью теплоносителя (обычно воды)теплоты из зоны протекания процесса. В этом случае скорость изменения внутренней энергии равняется m` ⋅c ⋅ΔT , где m` – поток вещества через границы системы, а ΔT – перепад температур в потоке, отводящем теплоту от процесса.
Когда два тела имеют разную температуру, теплота переносится от более теплого тела к более холодному. Этот процесс может осуществляться за счет теплопроводности (кондуктивный процесс), когда имеется непосредственный контакт между телами; за счет конвекции, когда между ними имеется газ или жидкость, или за счет излучения.
Процесс переноса
тепла через барьер (например, стену
здания) можно описать следующим
уравнением:
где q – тепловой поток [Вт] через барьер площадью S [м2], расположенный перпендикулярно вектору теплового потока, T1 и T2 – значения температуры [К] внешних поверхностей барьера, R – термическое сопротивление [м2·К/Вт].
При переносе теплоты
излучением испускаемую энергию несут
электромагнитные волны. Каждый объект
излучает тепло. Абсолютно черное тело
является совершенным излучателем, оно
испускает с единицы поверхности больше
энергии, чем любой реальный объект при
той же температуре. Мощность испускаемого
излучения W
абсолютно черного тела описывается
законом
Стефана – Больцмана:
где σ
= 5,67 ⋅10−8
Вт/(м2·K4)
– постоянная Стефана–Больцмана, S
– площадь поверхности излучателя, м2;
T
– его температура, K.
Длина волны, на которой спектр излучения
достигает своего максимума, определяется
с помощью закона смещения Вина:
где λ – длина волны, м; T – температура, K; b = 2,90 ⋅10−3 , — постоянная Вина, м·К.
Величина кванта энергии определяется соотношением Эйнштейна – Планка: E = hν
где h = 6,62 ⋅10−34 Дж·с – постоянная Планка, а ν – частота электромагнитного излучения, с-1.
Энергия и масса связаны следующим соотношением эквивалентности Эйнштейна: E0 = mc2 где c – скорость света в вакууме.
15. Пути утилизации солнечной энергии в биосфере. Фотосинтез. Продуценты. Чистая и валовая первичная продукция, вторичная продукция
Фотосинтез означает запасание части энергии солнечного света в виде потенциальной или связанной энергии органических веществ. Реакция фотосинтеза происходит с участием светопоглощающих пигментов (хлорофилла и др.). Суммарную реакцию фотосинтеза зеленых растений можно представить следующим образом:
6CO2 + 6H2O + hν → C6H12O6 + 6O2 (1.1)
где hν = 2824 кДж/моль – энергия солнечного света, необходимая для образования органического вещества – глюкозы. Обратный процесс, в котором происходит окисление органического вещества, называется аэробным дыханием. При этом высвобождается необходимая для организмов энергия, точно равная затраченной энергии в уравнении (1.1). Тип дыхания, который происходит без участия кислорода,носит название анаэробного дыхания (брожения), – это малоэффективный способ выделения энергии для поддержания жизнедеятельности рганизма:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 6H2O + 210 кДж/моль (1.2)
К анаэробному дыханию приспособлены денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие нитраты до молекулярного азота, некоторые кишечные паразиты, большинство гетеротрофных почвенных микроорганизмов. Человек при больших физических нагрузках также прибегает к этому типу дыхания (второе дыхание марафонца). На каждый грамм хлорофилла в результате фотосинтеза за год образуется от 300 до 700 г сухого органического вещества, что в среднем соответствует запасанию энергии, равной 9 МДж. За год фотосинтезирующие организмы создают 170 - 200 млрд т сухого вещества. С учетом собственных расходов на дыхание эффективность фотосинтеза не превышает в среднем 1% от падающей солнечной энергии. Только для культурных растений при создании оптимальных условий она может быть поднята до 4 – 5%. Поэтому возможности поднятия урожайности растений (первичной продукции) весьма ограничены. Биосфера стремится к устойчивому состоянию, при котором чистая первичная продукция равна сумме расходов на дыхание всех гетеротрофных консументов. Некоторые различия связаны с тем, что часть чистой продукции экосистем переходит в осадочные отложения. Считается, что 93% чистой первичной продукции поступает в распоряжение редуцентов (грибов, аэробных и анаэробных бактерий) на суше, и около 63% – в океане. Общая продукция редуцентов суши имеет величину порядка 21∙10^9 т/год.
Органическое вещество разными путями покидает биосферу и формирует глобальный запас мертвой органической массы, которое называют некросферой. Одна из ее фракций – подстилка на поверхности почвы сообществ суши. Количество подстилки на единицу площади убывает от влажных к сухим местообитаниям, поскольку снижается продуктивность. Общая масса подстилки значительно меньше, чем «живая» биомасса суши и примерно равна чистой годовой первичной продукции. Масса гумуса (продукта разложения органики) в почве варьирует в зависимости от типа почв. Полагают, что она составляет 3∙1012 т. Масса «мертвого» органического вещества в морях примерно на 3 - 4 порядка (1∙1013 т) превышает массу живого. Ископаемое топливо – результат аккумуляции чистой продукции экосистем в прошедшие геологические эпохи и состоит из органического вещества: нефть (5∙1011 т), уголь (5∙1012 т).
Рис. 1.2. Распределение первичной продукции, тыс. ккал/(м2∙год): I – пустыни; II – степи, глубокие озера, горные леса; III – влажные леса и степи, мелководные озера, большая часть сельскохозяйственных угодий; IV – некоторые эстуарии, коралловые рифы, сельскохозяйственные угодья с удобрениями; V – воды континентального шельфа; VI – океаническая область
Другие органические вещества биогенного происхождения широко распространены в осадочных породах, их масса может быть оценена в 1016 т, т.е. более чем в 5000 раз выше массы организмов биосферы.
Большая часть кислорода, продуцированного фотосинтезирующими организмами в прошлые геологические эпохи, была израсходована на окисление неорганических минералов горных пород. Кислород современной атмосферы представляет собой ту его часть, которая не связана в «мертвом» органическом веществе, состоящем из углеродных соединений в восстановленной форме. На основании приведенных выше данных можно примерно оценить общую биомассу органической пленки Земли, которая поддерживает жизнь человечества и является объектом влияния человека (табл. 1.6).
Эффективность утилизации солнечного света первичной продукцией составляет 0,91% для лесов и 0,066% для сообществ морского фитопланктона. Средняя мировая эффективность чистой первичной продукции оценивается в 0,27%, а соответствующая эффективность валовой первичной продукции не более 0,6%. Сегодня человечество использует энергию с возрастающей интенсивностью из аккумулированных запасов продукции фотосинтеза прошлых эпох, сжигая и перерабатывая нефть, газ и уголь. Общее количество энергии, освобождаемое человеком в промышленности за счет этих источников, на несколько порядков величины меньше энергии, фиксируемой в чистой первичной продукции биосферы.
Но в отличие от продуктивности биосферы, которая миллионы лет поддерживалась на постоянном уровне, потребление ископаемых энергоресурсов человеком экспоненциально возрастает в среднем со скоростью 4% в год. Современный уровень использования энергии еще не столь велик, чтобы конкурировать с продуктивностью биосферы, но уже вполне достаточен для того, чтобы начать изменять ее параметры.
Таблица 1.6 Количество общей биомассы и продукции биосферы Земли
