3. Энергетический баланс Земли

Все распадные процессы на земной поверхности генерируются Солнцем. Солнечное излучение близко к равновесному, подчиняющемуся распределению Планка, с абсолютной температурой Т_с= 5770 К (5497 С).

Средняя температура земной поверхности Т₀= 288 К (15 С). Согласно принципу Карно, отражающему второе начало термодинамики, это излучение может быть переведено в работу с максимальным к.п.д.

_{0 =} Т_с-Т_о/ Т_с =0,95

Это не зависит от способа улавливания солнечной энергии: теплового излучения фотонов, потенциальной энергии связей химсоединений в процессе фотореакций и др.

Среднее распределение солнечной энергии по генерирующим процессам, с учетом встречающихся флуктуаций, определяет климат земной поверхности.

Мощность солнечного излучения, падающего за пределами атмосферы на Землю, равна:

r₃² J_с= 4r₃² J=1,710¹⁷Вт,

J_с= 4J = (13673)Вт/м², J=340 Вт/м²,

где J_с - солнечная постоянная, r_з - радиус Земли, r₃²  - площадь освещенной Солнцем поверхности Земли, 4r₃²  - общая поверхность Земли, на которую происходит перераспределение солнечной энергии, J - средний поток излучения на единицу площади земной поверхности.

Отраженная часть солнечной энергии - планетарная альбедо А. Для современной Земли это 30%. На 83% альбедо определяется отражением атмосферы и лишь на 17% - поверхностью Земли.

Поглощенный Землей (с атмосферой) поток солнечного излучения на единицу площади земной поверхности составляет:

J_е=J(1-А)=240 Вт/м².

Средний поток этого излучения достигающего поверхности Земли ослабляется по сравнению с J_е примерно вдвое и составляет J₀ =150 Вт/м².

Эта величина - вся свободная энергия, получаемая земной поверхностью из космоса.

В равновесном состоянии, когда температура Земли стабильна, энергия солнечного излучения, падающего на Землю, совпадает с энергией обратного теплового излучения Земли (рис. 6.11). Каждый фотон солнечного излучения распадается на n=T_c/T₀ =20 фотонов теплового излучения, которые возвращаются Землей обратно в космическое пространство. Именно в результате этого происходит генерация всех наблюдаемых нами упорядоченных процессов на поверхности Земли.

Поток коротковолновой солнечной энергии, поглощаемой Землей J_е, ведет к разогреву земной поверхности и вызывает тепловое излучение Земли в космос. По закону сохранения энергии баланс потоков энергии на Земле может быть определен как

J_е=q_e+cdT/dt (Горшков, 1994),

где J_e - солнечное излучение поглощаемое Землей, q_e - поток эффективного теплового излучения Земли, с - теплоемкость, Т - абсолютная температура земной поверхности. Второе слагаемое - изменение тепловой энергии Земли Q со временем. Теплоемкость (с= q/ T) определяется теплоемкостью океанов.

Абсолютная величина парникового эффекта =160 Вт/м². Около 100 Вт/м² определяется парами воды (0,3 об. % в атмосфере). Остальная часть приходится на CH₄, N₂O и O₃, общее содержание которых не превышает 310^-4 0% (рис. 6.11).

Атмосфера, создающая парниковый эффект, подобна многослойной шубе. Но в парниковом эффекте источник тепла внешний: атмосфера прозрачна для солнечного излучения и малопрозрачна для теплового.

Рис. 6.10. Распределение солнечной энергии на Земле

Зачернение стрелок - потоки свободной энергии, генерируемые солнечным излучением. Полые стрелки - потоки тепловой энергии

Рис. 6.11. Поглощение тепла парами воды, озоном и углекислым

газом

При нулевом альбедо орбитальная температура может быть выведена из уравнения

J=  T⁴_R.

Для Земли T_R =278 K (+5С). Наличие альбедо понижает эту температуру на 23С (до - 18С), а парниковый эффект повышает ее на 33С (до

15С).

Величины общих потоков энергии у поверхности Земли отражены в табл. 6.7.

Как же ведут себя физические системы во внешнем потоке энергии? Каковы физические системы динамического равновесия? В каких условиях различные физические и химические системы могут быть описаны относи-

тельно простыми нелинейными уравнениями? Такое изучение физических и химических систем во внешнем потоке энергии получило общее название "синергетики".

Средние значения измеряемых характеристик обычных устойчивых систем (затухающих и незатухающих колебаний) являются аттракторами. Процессы упорядоченности физико-химических систем называют самоорганизацией. Это понятие распространено и на живые организмы. Устойчивые состояния динамического равновесия носит название "диссипативная структура".