5. Радиоактивное вещество

6. Вещество космического происхождения (метеориты)

7. Рассеянные атомы

Все эти семь различных категорий веществ геологически связаны между собой.

Лекция №3

Тема: Преобразование солнечной радиации

Составляющие энергетического баланса. Схема преобразования солнечной энергии. Радиационный баланс земной поверхности. Радиационный баланс системы "Земля – атмосфера". Энергетический баланс земной поверхности и системы "Земля – атмосфера". Географическое распределение составляющих энергетического баланса. Мировые карты: суммарная солнечная радиация, радиационный баланс земной поверхности, затраты тепла на испарение, турбулентный поток тепла от земной поверхности к атмосфере, поток тепла от поверхности океанов к нижележащим слоям воды. Среднеширотные величины составляющих энергетического баланса поверхности Земли. Энергетический баланс континентов и океанов. Энергетический баланс Земли.

Геосфера-биосфера – это поверхностно-активная система, образовавшаяся на контакте Земли и Космоса, характеризующаяся реакционно-пограничной анизотропией. Она включает  два основных типа объектов: относительно однородные тела (твердые, жидкие и газообразные) и разделяющие их контактные (пограничные) относительно узкие зоны (поверхности раздела). В относительно однородных телах возникают внутренние границы раздела, то есть контактные зоны второго, третьего и т.д. порядка.

Любые пограничные слои обладают избыточной (по сравнению с внутренней областью тела) поверхностной энергией (разной природы и формы). Избыточная энергия молекул, проявляется в поверхностном натяжении. Избыточная потенциальная энергия, заключенная в рельефе поверхности океана и материков, связана  с отклонением этого рельефа от поверхности разного потенциала силы тяжести (геопотенциала). Соотношение разных видов энергии приводятся в таб. 2.1, энергетических потоков – в таб. 2.2.

Таблица 2.1.

Ориентировочные соотношения разных потоков энергии, которые поступают в географическую оболочку, Дж/(м2*с)

Солнечная (поглощенная атмосферой и земной поверхностью)                                                              2,3*10 ² Космических лучей                                                                   (2…3)*10 ^-6 Антропогенного производства                                                40*10 ^-3 Распада радиоактивных изотопов                                           7*10 ^-3 Приливного трения                                                                   3,5*10 ^-3 Окисление органического вещества                                        0,4…0,6 Геотермическая тепловая                                                         0,1 Тектоническая                                                                            п*10 ^-3

Таблица 2.2.

Потоки энергии у земной поверхности в ТВт ( 1 ТВт = 10 2 Вт) (Горшков В.Г., 1990)

Энергетические потоки

Мощность

Солнечная радиация (прямая и косвенная):поглощение атмосферой и земной поверхностью поглощение сушей и океаном расход на испарение (выделение в атмосфере) транспирация турбулентные потоки тепла перенос тепла от экватора к полюсам атмосферой перенос тепла от экватора к полюсам океаном ветер (диссипация тепловой энергии) океанские волны (диссипация волновой энергии) фотосинтез гравитационная энергия падения осадков энергия рек Другие виды энергии: Геотермальная Вулканов и гейзеров Приливов и отливов Лунного света, падающего на Землю Света приходящего на Землю от звезд Современное энергопотребление человечества

100000 80000 40000 3000 10000 10000 2000 2000 1000 100 100 3 30 0,3 1 0,5 0,001 10

Солнечная радиация – единственный источник энергии почти для всех природных процессов протекающих в биосфере.

Солнечная радиация. От Солнца к Земле направляется поток электромагнитной энергии в широком диапазоне длин волн, которые вместе составляют солнечный спектр. Условно весь спектр разделяют на три зоны: 1) видимые лучи в интервале приблизительно 0,4…0,76 мкм; 2) ультрафиолетовое излучение, которое имеет длину волн до 0,4 мкм и 3) инфракрасное излучение с длиной волн свыше 0,76 мкм.

Изменчивость интенсивности солнечной энергии, которая поступает на верхнюю границу атмосферы, невелика, поэтому ее поток, вычисленный на 1 см² за минуту, называют солнечной постоянной. Она равняется 1,98 кал/см² мин или 1382 Дж/(м² ·с), или 1382 Вт/м². Поскольку Земля имеет шарообразную форму, лишь 1/4 часть этого потока приходится в среднем на единицу площади сферы, то есть 345,5 Дж/(м²·с).

В каждый момент времени поток солнечных лучей приходящих к Земле зависит от угла падения солнечных лучей — величина радиации пропорциональна синусу угла падения или косинуса широты. Поэтому это правило называют законом косинуса: Ij=Io cosj, где j  – широта.

Атмосфера выступает мощным фильтром, который изымает из спектра некоторые его полосы. Следствием этого является образование в слоях атмосферы вертикальных зон высокой энергии (где происходит поглощение части солнечной энергии). Существенное поглощение ?-излучение и жесткой ультрафиолетовой радиации (? <0,1 мкм) происходит на высоте свыше 100-200 км над земной поверхностью (в термосфере). В слое максимальной концентрации озона (в озоносфере, которая расположена в стратосфере) на высоте 15…25 км теряется еще некоторая часть коротковолновой (жесткой ультрафиолетовой) радиации. Итак, в верхней и средней атмосфере теряется природная энергия, относящаяся к опасной для живых организмов зоны спектра.

Часть солнечной радиации отражается и поглощается облаками. Различные компоненты и примеси атмосферы поглощают различные части спектра электромагнитных волн. Часть радиации рассеивается в атмосфере и направляется к земной поверхности и в Космос. Земной поверхности достигает часть прямой и часть рассеянной радиации. Прямая и рассеянная радиация вместе составляют суммарную радиацию. Приходящая на земную поверхность радиация частично отражается. Отношение потока отраженного радиационного излучения n к потоку падающего V (обычно выражаемое в %) называют альбедо: a = 100. Альбедо зависит от характера подстилающей поверхности — оптических свойств географического ландшафта и положения в пространстве отражающей поверхности. Величина альбедо колеблется от 95% (или 0,95) у свежевыпавшего снега до 5% (0,05) у воды (при вертикальном падении солнечных лучей). Такие земные покровы как снега и льды отражают от 60 до 95% падающих солнечных лучей. Леса отражают значительно меньше – от 10 до 20%, сельскохозяйственные поля – от 17 до 30%, водные поверхности – от 5 до 10%. Таким образом, отражательная способность различных типов подстилающих поверхностей очень различна. Величины альбедо различных поверхностей приведены в таблице 2.3.

Таблица  2.3. Средние значения альбедо земных покровов (в долях единицы) (Павлов, 1965)

Типы поверхности	Альбедо
Снег	0,80-0,95
Лед:	0,35-0,40
Водная поверхность озер и водохранилищ	0,07-0,14
Почва, горная порода	0,15-0,35
Луг, степь,	0,16-0,27
Болота	0,16
Хвойный лес	0,10-0,15
Лиственный лес  (летом)	0,13-0,18

Поглощение радиации земной поверхностью приводит к ее нагреванию. Нагретые (выше 10К) земные покровы сами становятся источником излучения. Температура земной поверхности колеблется в границах от -90 до  +80 °С. В этом случае излучение тепла земными объектами (соответственно закону Вина) сосредоточенно преимущественно в интервале волн от 4 до 120 мкм (максимум приходится на 10-15 мкм), то есть в невидимой инфракрасной зоне. Длинные волны, излучаемые земной поверхностью, в значительной мере задерживаются тропосферой – это 97 % излучения земной поверхности (преимущественно водяным паром и углекислым газом) – она как бы непрозрачна для них. Процесс запирания земного излучения атмосферой получил название парникового эффекта. Благодаря нему температура земной поверхности повышается примерно на 35 градусов. Атмосфера поглощает большую часть земных лучей, нагревается  и излучает инфракрасные лучи. Они направляются в значительной степени к Земле, образуя  встречное излучение тропосферы. Разность между разными потоками лучистой энергии составляет ее радиационный бюджет земной поверхности (или остаточную радиацию):

R = S + D – О – Еs + Еa,

где S, D, О — соответственно прямая, рассеянная и отраженная радиация; Еs — излучение земной поверхности; Еа — противоизлучение атмосферы.

Среднемноголетняя годовая сумма радиационного бюджета колеблется от отрицательных значений в полярных районах до более чем 5,5•109 Дж/м²  над морскими просторами жаркого пояса.

В среднем для Земли радиационный бюджет положительный и составляет 3,16*10⁹ Дж/м²*год. Он расходуется на испарение (затраты тепла на испарение), турбулентный поток тепла в атмосферу, на поток тепла в почве (последний направлен в почву в теплое время и к поверхности почвы – в холодное время.

Часть потока энергии переносится конвективным путем от нагревающейся земной поверхности в тропосферу. Его величина определяется разностью температур между поверхностью и тропосферой, а также устойчивостью или неустойчивостью тропосферного воздушного столба. Его неустойчивость в наибольшей мере зависит от влажности воздуха (влажно- или сухоадиабатический процесс) и температурной стратификации. Если воздух нагревается от земной поверхности – он неустойчив; если в него поступает водяной пар – он также неустойчив. Если эти свойства накладываются одно на другое – неустойчивость может стать такой значительной, что возникнет тропосферный вихрь.

Отношение количества радиации, отраженной Землей в целом к количеству радиации, которая поступила на внешнюю границу атмосферы, называют планетарным альбедо Земли. Его оценивают величиной 30-35 %. Основную роль в планетарном альбедо играет облачный покров (статистически земной поверхности покрыта облаками).

В целом Земля как планета теряет почти столько радиационной энергии, сколько и получает. Только маленькая ее часть аккумулируется в органическом веществе и геохимических аккумуляторах. Поэтому говорят, что Земля в целом находится в состоянии радиационного равновесия. Но земная поверхность далека от такого состояния из-за сложного распределения потоков радиации, вызываемых  пространственно-временной мозаичностью температуры, облачности, альбедо. Благодаря географической неоднородности радиационных и тепловых факторов между различными районами мира имеются большие различия в поступлении солнечной радиации. Эти различия обусловливают формирование динамичных систем циркуляции. Их устойчивые отношения запечатлеваются в пространственной структуре ландшафтных зон. Людьми они отражены в историческом опыте цивилизаций: в выборе технологий сельскохозяйственного производства, формах строительства и архитектуры, особенностях коммунального хозяйства, в определенной степени – даже в промышленности и обороне. В рамках выбора стратегии развития альтернативной энергетики, эти различия необходимо также учитывать при планировании размещения солнечных коллекторов и батарей, а также ветровых установок.

Наилучшие условия для создания солнечно-энергетических установок существуют в тропических малооблачных районах – там за год поступает до 8000 МДж/м² и несколько более. Но опыт показывает, что даже в более северных и менее солнечных районах (при суммарной радиации 3000-4000 МДж/м²) солнечные установки могут быть рентабельными, несмотря на то, что плотность потока солнечных лучей по сравнению с плотностью, созданной с помощью ТЭЦ, АЭС, ГЭС,  невелика. Но ведь  генерирование энергии в энергетике обходится дорого, а солнечная энергия – бесплатна.

Внутриземная (эндогенная) энергия. Эндогенная энергия связана с распадом радиоактивных элементов, гравитационным сжатием и уплотнением вещества земных недр, приливным трением, обусловленным взаимодействием Земли с Луной и Солнцем. Тепловой поток из земных недр в среднем в 105 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии. Он составляет около 0,06 Дж/(м²·с), то есть он меньше погрешности определения потока солнечной энергии. Тепловой поток очень контрастно дифференцирован на земной поверхности в зависимости от тектонической структуры и современной активности земной коры.

Распределение температуры на земной поверхности определяется множеством факторов. Горизонтальное распределение зависит от радиационного бюджета подстилающей поверхности, наличия влаги для испарения, взаимодействия моря и суши (теплоперенос), рельефа и др.

По вертикали в атмосфере температура уменьшается в среднем на 0,60 С на 100 м. В морской среде, где четко видно деление на сезонно теплый поверхностный слой и прохладный глубинный, это имеет значение как сезонный (летний) источник низкотемпературного тепла. Если разность температур составляет 200 С, такое тепло рентабельно использовать для энергетических установок. Кроме того, контрастность температур обусловливает ветер, а он, в свою очередь, ухудшает сохранение тепла в помещениях – следовательно, увеличивает затраты тепла на обогрев даже при условии, что метеорологические показатели температуры неизменны.

Преобразования энергии. В результате различных преобразований солнечная и другие виды энергии частично проявляются в энергии ветра, падающей и текущей воды, биомассы, минерального топлива. В процессе фотосинтеза происходит образование органического вещества (энергия химических связей). Дальнейшие преобразования приводят к созданию энергии в виде пищи, топлива, электричества. Человеческий труд также есть следствие преобразования солнечной энергии (через фотосинтез, поедание растительной и животной пищи).

Энергия переходит из одной части биосферы в другую, при этом имеют место следующие характерные процессы:

1.Часть энергии расходуется на совершение механической работы. Речь идет об тропосферной и океанической циркуляциях, движении воды в руслах рек и т.д.

2.Большая часть энергии диссипирует, рассеивается, переходит в менее концентрированное состояние. Чаще всего речь идет об излучении радиации поверхностью и атмосферой в Космос.

3.Часть энергии переходит в те или иные формы накопления (кратковременные или длительные). Кратковременными являются фазовые переходы воды. Долговременными являются  органическое вещество (захороненные в толщах земной коры остатки деревьев в карбоне лежали примерно 350 миллионов лет, прежде чем их стали добывать и вовлекли в новый процесс трансформации), а также свободный кислород атмосферного воздуха.

Природные и техногенные концентраторы энергии. В природных системах есть процессы, которые повышают концентрацию энергии. Наиболее известным природным концентратором энергии являются зеленые растения, которые запасают солнечную энергию в процессе фотосинтеза, переводя ее в энергию химических связей. Захороняясь в недрах, органические вещества сохраняют рассеянную в горных породах биогеохимическую энергию. Если они подвижны, то способны многократно концентрироваться в виде флюидов (потоков вещества): нефтяных, газовых и др. месторождений. В различные геологические эпохи, особенно в карбоне, девоне и палеогене, произошло большое накопление солнечной энергии при образовании месторождений каменного угля.

При поднятии блоков земной коры происходит концентрация потенциальной энергии, то есть энергия поднимающихся масс вещества как бы накапливается. Они образуют пересеченный рельеф. При стекании воды атмосферных осадков, рек и ручьев  часть этой энергии расходуется на движение воды в руслах рек, при оползнях, обвалах, склоновой и русловой эрозии и на многие другие процессы.

Географические тепловые машины. Внешние потоки энергии служат причиной движений в тропосфере, океане, ледниках и других природных средах. Все энергетические системы в биосфере связаны между собой. Грубой аналогией этой взаимосвязи можно считать часовой механизм. Главными его деталями являются множество колес-шестеренок, связанных между собой и заводящая пружина. Последняя – это внешний источник энергии (например, Солнце), а колесики – динамичные геосферы, с разной скоростью обменивающиеся веществом и энергией. Регулятором является анкерный механизм. Но эта аналогия очень поверхностна и неполна. В природе постоянно возникают, самонастраиваются и исчезают все новые и новые системы переноса энергии, которые называют, с легкой руки  В.В.Шулейкина,  географическими тепловыми машинами. Крымчанину известны они в двух ипостасях: как летний бриз непосредственно в береговой зоне моря (он меняет направление по  времени суток) и циклоническая деятельность.

Энергетические ресурсы, используемые человеком. Все виды энергии, поступающей в географическую оболочку, испытывают многообразные преобразования. Возникают механические движения вещества, происходят  фотохимические и термохимические реакции.  Солнечная энергия преобразуется в энергию ветра, падающей и текущей воды, биомассы, минерального топлива. Дальнейшие преобразования приводят к появлению энергии в форме пищи, топлива, электричества, мускульной силы.

Но 99 % энергии, идущей на нагревание земной поверхности  и всех зданий, дает бесплатная и к тому же фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия. Она же обусловливает круговорот углерода, кислорода, воды и других химических элементов, необходимых всем живым организмам для жизни, здоровья и восп­роизводства себе подобных. Отопление зданий производится с помощью электроэнергии, получаемой в результате сжигания нефти, бензина, угля, дров (т.е. запасенной биосферой в прошлом солнечной энергии. Только   ядерная энергия сюда не относится.

Системный подход к оценке, сравнению энергетических ресурсов. Их количество определяют в довольно абстрактных физических единицах – джоулях, калориях, лошадиных силах и пр. В таких единицах точно указывается количество, но отсутствует характеристика качества энергии. Качество энергии – это  функциональное значение потоков и запасов разных видов энергии для различных целей, систем, процессов, в том числе и для окружающей среды, биосферы. Обычно принимают во внимание три показателя качества: «работоспособность» энергии (отражает термин «эксергия»); концентрированность энергии (плотность ее потока); способность к преобразованиям в другие формы (универсальность). Энергия тем качественнее, чем выше значения этих показателей.

Отсюда вытекает важное следствие: запасы и потоки энергии, находящиеся в более высокоорганизованных системах (обычно она находится на более высоком уровне энергетической пирамиды), неправомерно сравнивать только в количественном выражении с носителями энергии более низкого качества. Очевидно, следует ввести понятие энергетического эквивалента, некой единицы условной энергии (ЕУЭ)  в виде коэффициента (меньше 1), который выставлять перед показателем менее качественной энергии. Но это только принцип, а не решение задачи сравнения.

Наряду с этим, ведущие экологи считают, что необходимо перейти от узко хозяйственной оценки энергетических ресурсов и потоков к более широкой функциональной оценке (Реймерс, 1994.с 188). Имеется в виду и роль энергии в природных процессах, и ее возможности использования в социальной практике. Норма изъятия ресурса должна планироваться с учетом ограничений социоэкологического характера.

Н.Ф. Реймерс (1994) разграничивает следующие виды запасов природных ресурсов:

1.Общий теоретический запас. Под ним подразумевается глобальный запас без учета каких-либо ограничений и связей.

2.Общий доступный запас. Это глобальный запас, реальный при данных технологиях и экономических возможностях.

3.Шаговый глобальный запас. Запас, ограниченный технологическими, экономическими и общеоэкологическими лимитами, связанными с необходимостью сохранения экосферы планеты. Речь идет, например, о запрете на использование энергии выше 1% от энергии биосферы (закон 1%). Модели глобального климата дают даже меньший порог допустимого использования природной энергии – в 0,3-0,5%. Превышение этого порога изменит общеземную температуру на 5-9°, что будет означать глобальные сдвиги в радиационном и тепловом режиме, влагообороте планеты с нарушением системы жизнеобеспечения человечества.

4. «Шаговый» системный запас (в рамках одного вида ресурса).

5. Запас регионального хозяйственного использования. Количество изымаемого ресурса, ограниченное региональными запретами.

Таким образом, важны не только наличие ресурсов и техническая и экономическая возможности их использования, но и запреты и ограничения экологического и, вероятно, социального характера. С учетом сказанного, оценим энергетические ресурсы биосферы (по Реймерсу, 1994, с. 196-197 с добавлениями авторов).

С геоэкологической точки зрения, важным является воздействие энергии, если она выделена нами из энергоносителя, на  термический режим окружающей среды. Если энергия выделена ее преобразованием, то суммарное ее количество в окружающей среде не изменяется. Такую энергию называем недополнительной. Она не влияет непосредственно на геоэкологическую ситуацию, не повышает температуру, не приводит к глобальному потеплению, хотя локально может влиять на природные состояния.

Если энергия выделяется из теплоносителя, который в ином случае был бы пассивным, то такая энергия является дополнительной. Она способствует нарушению энергетических балансов окружающей среды, может участвовать в глобальном потеплении и т.п. Например, известно, что за год сжигается запас органического топлива, накопленного примерно за 1 млн. лет. Учитывая, что, как правило, биота поглощает и аккумулирует 1/1000 потока солнечной энергии, а в месторождениях содержится, по оценкам,  примерно 1/1000 запасов органического вещества прошлых эпох, получаем, что за год в окружающую среду за счет сжигания топлива выделяется тепла столько, сколько его поглощается в фотосинтезе в настоящее время.  Это немного, но ощутимо.

Таким образом, мы можем оценить, с этих позиций, источники солнечной энергии в окружающей среде.

1.Солнечная радиация. Она в 13 000 раз больше современного уровня использования энергии человечеством, то есть практически неисчерпаема. Не является дополнительной. Ограничения связаны с малой пространственной плотностью потока и неустойчивостью во времени. Перспективы использования в энергетике связаны с перестройкой хозяйства применительно к ее малой пространственной плотности и непостоянству во времени, которое только частично поддается прогнозу.

2. Солнечный и космический ветер. Ничтожная энергия, но большой информационный эффект (регулирующая роль). Не существует технологий, которые позволяют использовать эту энергию в пределах географической оболочки-биосферы (зато она важна в космических процессах). Поэтому основная задача заключается не в использовании этой  энергии в прямом смысле, а в удержании ее в существующих пределах и в приспособлении своего существования к ее пространственно-временной динамике.

3.Энергия морских приливов и отливов и океанических течений. Количественно она довольно велика. Имеются ограничения в связи с неблагоприятными изменениями прибрежных морских экосистем. Эта энергия не является добавочной, то есть ее использование не приводит к дополнительному нагреванию тропосферы.

4.Потенциальная и кинетическая энергия воды и льда. Не является добавочной, т.е. не влияет на энергетический баланс земной поверхности. Опасна из-за нарушения экологического баланса водоемов и системы «суша-океан».

5.Потенциальная и кинетическая энергия ветра. Достаточна для обеспечения всех энергетических затрат человечества, но использование ограничено большими колебаниями во времени, а тем самым и неустойчивостью энергетических систем. Добавочной не является.

Другие виды энергии, которые называются ниже, не являются солнечными.

6. Геотермальная энергия. В ряде районов ее использование позволяет решить энергетические проблемы. Ее использование приводит к выделению дополнительного тепла (т.е. она добавочная) и к загрязнению подземных вод и пластов земной коры.

7. Земной магнетизм. Эта энергия важна для защиты от опасного космического излучения, а также для производства электромагнитной энергии.

8.Энергия естественного атомного распада. Достаточно велика (уран – 3 млн., торий – 630 тыс. т НЭ). Энергия добавочная. Не решен вопрос с хранением отходов. Сохраняется вероятность крупных аварий.

9. Энергия ядерного синтеза. Запасы практически неисчерпаемы. Энергия добавочная. Надежный метод управляемой ядерной реакции пока не найден.

Резюмируя вышесказанное стоит отметить:

1. Геосферы и отдельные их части – очень различные объекты по плотности, фазовому состоянию, отражательной способности, характеру взаимодействий. Поэтому поступление и преобразование энергии происходит в них  по-разному.

2. Все источники энергии биосферы внешние: солнечная, космическая, внутриземная, связанная с взаимодействием Земли с Луной и планетами, с вращением Земли. Они различны по величине, мощности, виду, физическому характеру, форме подачи, степени устойчивости во времени.

3. Основную долю (98%) всей поступающей в биосферу энергии составляет солнечная электромагнитная энергия. В атмосфере она испытывает значительные преобразования, соответствующие сферической форме земной поверхности  и структуре тропосферы (облачность, прозрачность), благодаря чему приобретает поясно-зонально-секторальные свойства. Непосредственная роль других видов внешней энергии (космическое излучение, корпускулярная энергия Солнца, тепло земных недр, тектонические движения, энергия орбитального вращения Земли и др.) в тепловом балансе биосферы незначительна. Однако эти виды энергии имеют важное значение для многих других процессов, в том числе таких могущественных как движения литосферных плит, орогенических движений, денудации земной поверхности и др.

4. Земная поверхность, получившая энергию, сама становится источником излучения. Наличие в тропосфере газов и примесей, непрозрачных для теплового излучения (парниковые газы), формирует «парниковый эффект». Парниковый эффект имеет громадное, определяющее значение для географической оболочки-биосферы Земли (положительная средняя температура), но его возрастание может изменить природу земной поверхности.

5. Пространственная плотность солнечной радиации и скорости ветра значительно меньше градиентов, создаваемых в технических системах. Человеческое бытие, хозяйство, промышленность и транспорт за последние 200-250 лет приспособились к высокой концентрации энергии, создаваемой с помощью паровых, электрических и других видов машин. Встает задача создания технологий, которые были бы приспособлены к характеру пространственного распределения природной энергии, а также временн?й структуре ее поступления.