2.2. Жердің энергетикалық балансы

Жердің энергия жүйесін толығырақ түсіну үшін 2.1 суретте көрсетілген планетамыздың энергетикалық балансымен танысайық.

Жердің энергия жүйесін екі тұрғыдан қарастырған жөн: бірі — энергияның (жер бетіндегі) динамикалық ағыны және екіншісі — энергияның (қазылып алынатын отын, жер асты ыстығы, ядролық және гравитациялық энергиялар) статистикалық шамасы.

Жер бетіне қуатты үш энергия ағыны бағытталған:

• күн сәулесі энергиясы, тәуліктік қуаты 174000 ТВт (10^І2Вт= 1 ТВт — тераватт);

• жер астынан үстіне қарай бағытталған жылу энергиясы, тәуліктік қуаты 32 ТВт;

• теңіз тасқыны энергиясы, тәуліктік қуаты 3 ТВт.

• Күн сәулесі энергиясының 30%-і жердің жоғарғы атмосфералық қабатынан шағылысып, ғарыш кеңістігіне тарайды. Ал оның 70% -і, яғни 122000 ТВт күн энергиясы жер асты жылуы мен теңіз тасқыны энергияларының қуатынан шамамен 3500 аса артық. Бұл өте көп энергия. Түсінікті болу үшін бір мысал қарастырайық. 1980 жылы дүние жүзінде 11,8 млрд. т.ш.о., яғни 346*10¹⁸ Дж энергия пайдаланылған. Ал 2000 жылы 29 млрд. т.ш.о. яғни 850*10¹⁸ Дж энергия пайдаланылды. Бір тәулікте күннен жер бетіне 122000 ТВт, ал бір жылда шамамен 1,6*10⁵- 10¹⁸ Дж энергия түседі.

• Күннен жерге түсетін осындай мол энергия қалай шығындалады? Оның бір бөлігі атмосфераға, мұхит пен құрлықтарға сіңіп, температура төмендеген уақытта жылу энергиясына айналады. Екінші бөлігі жер бетіндегі сулардың булануына және олардың айналып, қайта тусуіне шығындалады. Үшінші бөлігі теңіз және атмосфералық ағындар туғызуға шығындалады. Ал төртінші — бір кішкене ғана бөлігін өсімдіктер бойына сіңіруі негізінде жер бетінде ғажайып фотосинтез реакциясы жүреді.

• Жер астынан бағытталған жылу энергиясы қалыпты температурада бірден жылуға айналады. Жер — Ай— Күн жүйесінің потенциалдық және кинетикалық энергияларының өте аз өзгеруі негізінде теңіз тасқыны мен ағыны пайда болады.

• Жердің энергия балансын зейін қойып қарайтын болсақ жер бетіне берілетін барлық дерлік энергия жер бетінің температурасының қалыпты деңгейде болуына шығындалатынын байқаймыз. Атмосфера температурасы төмендеген уақытта жер жылуы жоғары толқындағы жылу сәулесі ретінде бөлінеді.

• Күн сәулесі әсерінен өсімдік жапырақтар тканьдарында әр түрлі органикалық қосылыс түрлері пайда болады, олар топырақтан бөлінетін минералды заттармен реакцияға түсіп углевод, май, белок түзеді. Бұл құбылысты фотосинтез деп атайды. Жыл сайын фотосинтез процесі нәтижесінде жер бетінде 170 млрд. т-дан астам органикалық көміртектер түзіліп, өсімдіктер өз бойларына күн сәулесі энергиясын потенциалдық химия энергиясы есебінде жинайды. Ал жануарлар сол өсімдіктермен қоректеніп, ондағы шоғырланған күн энергиясын өз организміне сіңіріп, тіршілік ету процесінде сол энергияны қайтадан біртіндеп бөліп отырады.

• Өлген жануарлар мен қураған өсімдіктер оттектің әсерінен кейбір жағдайларда тез тотығып, әр түрлі бактериялардың, микроорганизмдердің әсерінен табиғатта қалдықсыз ыдырайды да, өз бойларына сіңірген энергияны қайтадан жылу түрінде кеңістікке, яғни айналадағы ортаға береді. Есептеулерге қарағанда, органикалық көміртектерден жер бетінің әр гектарында 200 т отын түрлері пайда болады екен, бірақ органикалық көміртектердің дені жер қойнауындағы отын түрлерінің құрамында емес, керісінше, негізінен шөгінді жыныстарының құрамында кездеседі.

• Ресей ғалымы А. А. Ничипоровичтің келтірген мәліметіне қарағанда, жер шары бойынша фотосинтез әсерінен пайда болған органикалық көміртектің жылдық мөлшері 46 млрд. т-дан асады. Бұл қазіргі уақытта дүние жүзінде бір жылда пайдаланылатын энергия қорынан шамамен 2,4 еседен артық. Осыншама органикалық зат түзілу үшін жер бетінде жыл сайын 170*10⁹ т көмірқышқылы мен 68•10⁹т су реакцияға түсіп, нәтижесінде 115*10⁹ т органикалық зат және 123*10⁹ т оттек бөлінетін көрінеді. Жер бетінде түзілген соншама органикалық заттардың бойында 60 ТВт күн сәулесінің энергиясы шоғырланады, бұл келешекте жер қойнауында пайда болатын отын түрлерінің бойындағы потенциалдық энергия. Бір тәулікте күннен жерге келетін 122000 ТВт энергия әсерінен (бұл 200 трилл. т шартты отын энергиясына шамалас), А. А. Ничипоровичтің мәліметіне қарағанда, бір жылда 60 ТВт, бір тәулікте 0,16 ТВт энергияға сәйкес органикалық отын түзіледі. Бұл күннен жерге түсетін энергияның шамамен 1,4*10^-4%-і жер қойнауы энергиясына түрленеді деген сөз, ал жер астынан үстіне қарай тәулігіне 32 ТВт энергия бағытталады.

• 1990 жылы Жер шарында 19 млрд. т.ш.о. энергиясына тең энергия пайдаланылған. Бұл 1 тәулікте шамамен 0,031 ТВт энергия пайдаланылатынын керсетеді, яғни дүние жүзі халықтары 1990 түсетін энергияның тек шамамен 2,5*10~⁵%-ін ғана өз мұқтаждығына пайдаланды деген сөз.

• 1990 жылы жер қойнауында түзілген органикалық отын адамзат пайдаланған энергиядан шамамен 5 есе артық болса, ғалымдардың болжамына карағанда, 2100 жылы әрбір тәулікте адамзат өз мұқтаждығына шамамен 0,1—0,13 ТВт энергия пайдаланатын болады. Демек, бұл уақытта жер қойнауында түзілетін органикалық отын қоры, адамзат пайдаланатын энергияның жалпы

мөлшерімен шамалас болатыны байқалады. Егер де күн энергиясының шамамен 2%-і жел энергиясына айналатынын да еске алсақ, онда адамзат ғұмыры үшін күн мен жел энергияларын пайдаланудың келешегі де айқындала түседі.

Планетамызда органикалық заттар барлық эволюциялық дәуірлерде бірдей дамымаған. Геологтардың мәліметтеріне қарағанда, органикалық дүниенің жер бетінде мол тарала бастауы тек девон дәуірінің екінші жартысынан, яғни осыдан 350 млн. жылдан бері ғана тұрақты бола бастаған. Одан бұрынғы кезеңдерде жер бетінде органикалық дүниенің дамуы, әсіресе өсімдіктердің таралуы қазіргіден әлдеқайда төмен болғанға ұқсайды. Соған қарамастан планетамызда соңғы 350 млн. жылда түзілген органикалық заттарының мөлшері шамамен 3,5*10¹⁹ т-ға тең екен. Әрине, осыншама мөлшердегі органикалық заттар түгелдей жердің терең қабаттарына түсіп, көмір, мұнай мен газ кендерін түзе бермейтіні белгілі, олардың едәуір бөлігі кейбір микроорганизмдердің әсерінен ыдырап, өзін құрайтын заттарға ыдырап кетеді. Ал олардың жердің терең қабаттарына шоғырланып, өте қолайлы термодинамикалық жағдайға түскен бөлігінен, мысалы, көмір түрлері пайда болады.

Жалпы жер бетіндегі өсімдіктердің өсіп калыптасуы жоғарыда сөз болған фотосинтез процестерімен тығыз байланысты екені бұл күндері ешқандай күмән тудырмайды. Бірақ осы фотосинтез процесінің кұпия сырлары бұл күнде толық шешілді деп айта алмаймыз. Егер ғалымдар оның құпия сырларын ашып, оны адам игілігіне пайдаланса, адамзаттың басты қажеті — азық-түлік қорының молшылығын жасау мәселесін шешкен болар еді. Шындығында да фотосинтез процесі «жоқ» нәрсенің өзінен күрделі қосылыстар — углевод түрлерін түзеді, ал оның көптеген қоректік заттардың негізін құрайтыны белгілі. Өсімдіктер фотосинтез процесі кезінде ауадан алатын көмірқышқыл газы мен топырақтағы су қосылыстарынан күн сәулесінің тікелей қатысуымен көмірсутектерін түзеді. Күн энергиясы өсімдік жапырақтарын жасыл түске бояйтын хлорофилдің бойына тез сіңеді екен. Күн сәулесінің энергиясы химиялық реакциялардың жүруіне үлкен ықпал жасап, углеводтар түзіп, бір энергия түрінен екінші энергия түріне ауысып, өсімдік жапырағы бойында потенциалдық химиялық энергия түрінде сақталады. Есептеулерге қарағанда, құрлықтар мен су айдындарындағы өсімдіктер дүниесінің өз бойларына күн жылуымен жинаған энергия мөлшері, атақты Волга СуЭС-ы сияқты, 200 мың электр станцияларының бір жылдық өніміне тең екен. Осы кезде өсімдіктер ауадан 175 млрд. т көміртекті бойына сіңірген болар еді. Әрине, көміртектің едәуір бөлігі шіріген, қураған өсімдіктердің тотығу, жану процестері кезінде атмосфераға қайта оралады, бұл мезгілде күн энергиясының да едәуір бөлігі қайта бөлініп шығады.

Осыған қарамастан фотосинтез процесінің миллиондаған жылдар бойы жинаған энергиясы жердің терең қабаттарында, теңіз және мұхит табандарында көмір, мұнай, газ, жанатын тақтатас сияқты заттардың бойында сақталуда. Бұл заттарды күн энергиясының «қойма- сы» десе де болғандай.

Қорыта айтқанда, жер бетіне берілетін энергияның аздаған бөлігі оның қойнауынан қазып алуға болатын табиғи отын ретінде жиналады және олар агрегаттық күйіне байланысты қатты (торф, қоңыр және тас көмір, антрацит, жанатын сланец (тақтатас)), сұйық (мұнай) және газ күйіндегі (табиғи газ) отын болып бөлінеді.