1. 4. Энергетика биосферы

Современная энергетика биосферы основана на фотосинтетическом восстановлении двуокиси углерода; в процессе которого образуются органические вещества и молекулярный кислород. Однако известно, что этот процесс - лишь один из нескольких, описываемых общим уравнением

nСО₂ +nН₂А+ Энергия = (СН₂О)n + nН₂О

В этой реакции донором водорода ( H₂А) может служить вода ( у цианобактерий и зеленых растений), сероводород (у фотоситезирующих серобактерий) или различные органические соединения (у несерных пурпурных бактерий). На самом деле фотосинтез гораздо сложнее, чем это можно представить себе на основании изображенного уравнения, причем у разных организмов на некоторых этапах этот процесс может идти несколькими взаимоисключающими путями. Сейчас нам важно подчеркнуть, что возникновение таких сложных совокупностей сопряженных реакций в любом случае есть результат многочисленных мутаций и длительного действия естественного отбора.

Общий геохимический результат фотосинтеза - появление более окисленной области биосферы (атмосфера и большая часть воды, в которой растворен кислород), а также восстановленной ее области (тела организмов и продукты их разложения в подстилке, почве и донных отложениях). Часть остатков подвергается захоронению, образуя диспергированный органический углерод или горючие ископаемые; кислород также уходит из биосферы, окисляя при выветривании первичные горные породы.

Количественное соотношени органического (восстановленного) и неорганического (окисленного) углерода, несомненно связано с историей Земли, но здесь все еще остается много неясного. Для обычного хода процессов в биосфере важно, что восстановленная часть вещества биосферы, будь оно живым или мертвым, постоянно окисляется атмосферным кислородом. При этом образуется двуокись углерода, которая может быть вновь использована в фотосинтезе, а энергия тратится на двигательную активность, рост и размножение. Как уже отмечалось выше, из этого в целом обратимого цикла некоторая часть углерода уходит, образуя горючие ископаемые. Именно наличию этой части процесса человечество обязано всей своей цивилизацией.

Эффективность фотоситеза в планетарном масштабе невелика в разных географических зонах различна. Связано это с наклоном земного шара в 23,5 градуса к плоскости эклиптики. В результате возникает значительный градиент приходящего солнечного излучения между полюсами и экватором, обладающий сезонной изменчивостью.

Количество солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, является функцией широты. Распределение приходящей солнечной радиации зависит от свойств облачного покрова, содержания пыли в атмосфере, а также от суточных и сезонных изменений различных физических величин. В среднем за год примерно 25-30% солнечной радиации отражается газами и облаками обратно в космическое пространство. Еще примерно 25% радиации поглощается, а затем переизлучается облаками, пылью и газами в виде нисходящего излучения. Примерно такое же количество поступает на поверхность Земли в виде прямой солнечной радиации. В силу отражательной способности (альбедо) поверхности Земли часть падающей солнечной энергии ( в среднем для планеты примерно 32%) уходит обратно в атмосферу. Форма и цвет освещаемых поверхностей сильно влияют на величины альбедо. Снег, например, может отражать 80% солнечного излучения и поэтому нагревается медленно, тогда как травянистая поверхность отражает 20%, а темные почвы – всего лишь 10% приходящей радиации.

В процессе фотосинтеза используется лишь энергия видимой части спектрального состава солнечного излучения (380-710 нм), составляющая примерно 41%. Ее называют фотоситетически активной радиацией (ФАР). Разные виды растений и растительных сообществ существенно различаются по величинам эффективности фотосинтеза (КПД, %), которую рассчитывают в процентах как отношение величины прироста (Р) сухой биомассы в единицу времени на единице пространства к величине поглощенной ФАР ( таблица 1).

Таблица 1

Эффективность фотосинтеза растений и сообществ

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

0. Виды растений и сообщества КПД фотосинтеза, %

1. ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

Кукуруза 5,1 ( 3,1 – 7,4 )

Поливная кукуруза 12,8

Рис 2,8 – 3,5 – 4,9

Люцерна 0,4 – 1,8

Белый клевер 1,8-

Зерновые культуры 3 – 4

Культура хлореллы (искусственное освещение,

оптимальный биогенный режим, перемешива-

ние) 14

Пустынные кустарники 0,03

Субальпийские луга 0,2

Прерии 1,2 – 3,0

Заросли тростника (пойма реки Вахш) 4,1 – 4,8

Лесные фитоценозы до 3,5

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

Найдено, что средняя величина КПД фотосинтеза для естественной растительности на Земле низка и оценивается примерно 0,2%.