Применение законов термодинамики в экологии

Рис. 8.1. Трансформация солнечной энергии в процессе фотосинтеза (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями).

Еще одно важнейшее понятие Большой Физики, которое прочно вошло в последние годы в экологию, это энтропия.

Энтропия (от греч. entropia – превращение, поворот) – физическое понятие, мера необратимого рассеяния (диссипации) энергии. Менее строго энтропия – это мера неупорядоченности.

Экосистемы и биосфера Земли представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Поддержание высокой внутренней упорядоченности (низкоэнтропийного состояния) экосистем достигается за счет использования внешней энергии и увеличения энтропии окружающей среды.

«Испарение, осадки и ветер возникают потому, что Земля непрерывно получает солнечную энергию. Солнечная энергия генерирует на Земле практически все виды упорядоченных макроскопических процессов. Тепло, в которое переходит (диссипирует) солнечная радиация, рассеивается в космическое пространство в виде теплового излучения. Всё разнообразие наблюдаемых макроскопических процессов представляет собой различные виды распада начальных упорядоченных состояний вещества и диссипации содержащейся в них энергии. Совокупность существующих богатых энергией состояний вещества составляет энергетические ресурсы Земли. Эти ресурсы представлены:

1) в кинетической энергии скоррелированного движения различных частей вещества (поток солнечной радиации, гидроэнергия рек и океанических волн, энергия морских приливов, ветровая энергия);

2) в накопленной потенциальной энергии скоррелированных связей различных частей вещества (гравитационной, физической в виде скрытой теплоты конденсации и замерзания воды, химической и ядерной энергии);

3) в существующей разности температур между экваториальными и полюсными областями поверхности Земли, между поверхностным и глубинным слоями вод океанов, морей, озер.

Запасы ядерной энергии, гравитационной энергии, энергии перераспределения земных недр и энергии морских приливов сохранились со времени образования солнечной системы. Все остальные виды ресурсов генерируются солнечной радиацией.

При протекании распадных процессов до конца все виды потенциальной энергии сначала переходят в кинетическую энергию упорядоченных движений, которая затем подвергается диссипации и рассеивается в виде тепловой энергии хаотического движения отдельных молекул.

Следовательно, конечным результатом распада является минимум потенциальной энергии. Однако при малой скорости диссипации могут происходить обратные процессы перехода упорядоченной кинетической энергии в потенциальную, которая может накапливаться. Так происходит:

· накопление в атмосфере скрытой энергии конденсации влаги при испарении воды, вызывающей впоследствии ураганы и смерчи;

· накопление энергии деформации в земной коре, вызывающей землетрясения;

· накопление гравитационной энергии в горных снежных наносах, вызывающей лавины;

· накопление энергии органических веществ в процессе поглощения растениями солнечной энергии, поддерживающих существование передвигающихся животных и создающих возможность возникновения лесных пожаров и т. п.» (Горшков, 1995).

ГЛАВНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ БИОСФЕРЫ:

1. Солнечная радиация (абсолютно преобладает).

2. Внутреннее тепло Земли (около 0,5% от солнечной энергии).

3. Энергия приливов (около 0,0017% от солнечной энергии).