Поступление энергии Солнца в экосистемы

Главным источником энергии на Земле, обуславливающим большинство ее геофизических и биологических процессов, является световая энергия Солнца.

Солнце - огромный огненный шар, состоящий, в основном, из газообразной смеси водорода — 72% и гелия — 28%. Температура и давление внутри Солнца так высоки, что в нем происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий, и при этом высвобождаются огромные количества энергии. Солнце выбрасывает в Космос широкий спектр лучистой энергии. Она состоит из волн разной длины: от коротковолнового гамма-излучения до длинных радиоволн. Распространяясь в космическом пространстве во всех направлениях, небольшая часть этих волн, преодолев всего за 8 мин расстояние в 150 млн. км, достигает Земли.

На верхние слои атмосферы поток энергии Солнца поступает в количестве 2 кал/см² в минуту. Эта величина называется солнечной постоянной.

Примерно 30 % лучей Солнца сразу же отражается атмосферой Земли в космическое пространство. Отражение солнечных лучей возрастает при повышении облачности и запыленности воздуха. Около 20% лучей, в основном из инфракрасной части спектра, нагревают атмосферный воздух и поглощаются содержащимся в нем водяным паром. Оставшаяся часть лучей в виде прямой и рассеянной (т. е. отраженной от молекул газов и частиц пыли) радиации достигает Земли.

В итоге на поверхность Земли поступает поток энергии в количестве 100—800 ккал/см² в день. Эта величина зависит от широты местности, времени суток и сезона года. В среднем она составляет примерно 25% от солнечной постоянной. Наибольший поток энергии Солнца поступает на зону экватора, так как его путь через атмосферу здесь самый короткий и лучи падают под прямым углом. В средние широты поступает примерно 300—400 ккал/см² энергии вдень, что составляет 2—20% солнечной постоянной. Изменения потока энергии по сезонам также зависят от рас­стояния местности от экватора: чем дальше от экватора, тем больше сезонная разность температур.

При прохождении света Солнца через атмосферу Земли он не только уменьшается в количестве, но и меняется по спектральному составу. Ослабление атмосферой волн разной длины не одинаково. Почти не достигает Земли жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 300 нм. Эти лучи обладают самой высокой энергией и способны убить все живое. На высоте 20—25 км до 98% энергии этих лучей расходуется на образование озонового слоя. Лучи из видимой части спектра ослабляются атмосферой относительно равномерно, а степень ослабления инфракрасного излучения зависит от длины волны. В итоге энергия Солнца, достигшая поверхности Земли, состоит примерно на 10% из ультрафиолетовых лучей, на 45% — из инфракрасных и на 45% — из лучей видимого спектра. Спектр рассеянного света составляет 440—480 нм.

Достигшие Земли лучи частично поглощаются ее поверхностью, а частично отражаются. Доли поглощенной и отраженной энергии зависят от длины лучей и свойств земной поверхности. Ее светлые участки - снег, вода, светлые почвы отражают солнечные лучи, а темные - наоборот, поглощают и, следовательно, нагреваются больше. Сильнее всего поглощаются инфракрасные лучи, имеющие тепловой эффект.

Способность поверхностей к отражению лучей Солнца называется альбедо (от позднелат. albedo - белизна). Степень отражения выражают в процентах альбедо (таблица 10.2).

Таблица 10.2 Показатели альбедо для различных территорий Земли

Территория	Альбедо в %
Земля в целом	28
Большой город:
летом	1-30
зимой	20-50
Влажный тропический лес	14
Пастбище	20
Пустыня	30
Снег, лед	70-90
Водная поверхность	6-30

Наибольшим альбедо обладают снег и лед. Огромное влияние на соотношение поглощенной и отраженной энергии Солнца оказывает человек: вырубая леса, обнажая почву, строя города и дороги, он способствует нагреванию поверхности Земли. Кроме нагревания поверхности Земли энергия Солнца расходуется также на многие другие физические процессы: испарение воды, формирование воздушных потоков, водных течений, волн. Горизонтальные воздушные потоки возникают вследствие разности нагрева различных участков суши, в силу этого перемещения масс воздуха также происходят за счет энергии Солнца. Таким образом, большинство геофизических и биологических процессов на Земле происходит за счет энергии Солнца.

Получив энергию солнечных лучей, нагретые поверхности отдают ее обратно в атмосферу в виде тепла. Обратный поток тепла от Земли в атмосферу возрастает с увеличением влажности атмосферного воздуха. Это объясняется тем, что вода обладает в 50 раз большей теплоемкостью, чем воздух.

Нагретые от поверхности Земли слои приземного воздуха расширяются, становятся легче и поднимаются вверх. Поднявшись на определенную высоту, воздух остывает и в нем происходит конденсация влаги, которая выпадает в виде осадков. При этом вновь выделяется тепло - 40% тепла атмосферы образуется при конденсации водяных паров, находящихся преимущественно над океанами. Таким образом, получив тепло от поверхности Земли, атмосфера отдает его обратно.

Часть тепла, отраженного Землей, возвращается обратно в Космос. Это обеспечивает Земле состояние теплового равновесия.

Факторами, обуславливающими обратное явление, т. е. пре­пятствующими проникновению лучей Солнца к Земле, являются запыленность атмосферы и присутствие в ней паров воды (облачность). Пылевые частицы и пары воды отражают солнечные лучи в Космос и не позволяют им достичь Земли. Это ведет к снижению температуры Земли.

При использовании ядерного оружия прогнозируется наступление «ядерной зимы» - резкое снижение температуры за счет образования огромного количества пылевых частиц, отражающих солнечный свет. Снижение температуры атмосферы Земли из-за больших количеств пыли происходит, например, после сильных извержений вулканов.