Развитие экосистем. Сукцессия и климакс

13. Термодинамика биосферы. Солнечная энергия – основа существования жизни на Земле. Энергетический баланс биосферы

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2 3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды и ультрафиолетового излучения озоном, а также за счет его рассеяния молекулами газов, частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса. Отраженные потоки солнечной энергии от различных компонент планетной системы от безоблачной атмосферы, от облаков, от поверхности планеты, в частности от ее ледяного покрова, и т.д. – с оставляют альбедо планеты. Альбедо Земли оценивается величиной ~ 30%. При переносе теплоты излучением испускаемую энергию несут электромагнитные волны. Каждый объект излучает тепло. Мощность испускаемого излучения абсолютно «черного» тела описывается законом Стефана – Больцмана: P = S εσ T ⁴, где P – мощность излучения, Вт/м2; постоянная Стефана – Больцмана, σ = 5,67⋅10-8, Вт/(м2⋅К4); S – площадь излучающей поверхности, м2; T – температура поверхности, K.

Длина волны, на которой спектр излучения достигает своего максимума, определяется законом смещения Вина: λmax ⋅ T = b, где λ – длина волны, м; T – температура, K; постоянная Вина, b = = 2,90·10-3, м· K. Составление баланса между поглощаемой планетой за вычетом альбедо солнечной радиацией и энергией, излучаемой планетой по закону Стефана − Больцмана, позволяет получить соотношение для о пределения так называемой эквивалентной температуры. Здесь α − альбедо планеты; Сs – плотность потока солнечной энергии на орбите планеты. Оказывается, что с единицы площади земной поверхности излучается большая энергия, чем поглощаемая из космического пространства. Указанные противоречия теплового баланса разрешаются наличием и составом атмосферы данной планеты и ее способностью в разной степени пропускать различные участки спектрального состава излучения. Относительно плотная атмосфера в той или иной степени свободно пропускает жесткое коротковолновое излучение, составляющее значительную долю в спектре солнечной радиации, и практически полностью задерживает тепловое излучение планеты. Подобное явление получило название парникового эффекта, а газовые компоненты атмосферы, способные оказывать существенное влияние на данный процесс, - парниковыми газами. Фактически разница между реальной и эквивалентной температурами служит количественной оценкой парникового эффекта.

Солнце - основа существования большинства форм и разновидностей жизни на Земле и Источник, рядом с которым нам посчастливилось находиться в относительной близости. Единственная субстанция, которая будет передавать нам свою энергию в виде тепла и света в течение последующих пяти миллиардов лет. Энергия на Светиле образуется в ходе термоядерной реакции смысл которой заключается в следующем: ядра атомов легких элементов соединяются в ядро атома более тяжелого элемента, при этом масса этого нового ядра оказывается меньше чем суммарная масса ядер из которых оно образовалось. Остаток массы трансформируется в энергию, которая перемещается частицами, освободившимися в ходе реакции протекающей при температуре свыше 10 млн. градусов по Цельсию. 
Основными элементами составляющими наше солнце являются водород и гелий. В результате вышеописанной реакции, из четырех атомов водорода образуется один атом гелия. Энергетический баланс биосферы - соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.

14. Трансформация энергии в биосфере. Закон Стефана – Больцмана

Из закона сохранения и превращения энергии следует, что для любой системы, помещенной в заданный объем, справедливо равенство:

При этом изменение внутренней энергии ΔU вещества массой m с изменением температуры на ΔT составляет ΔU = m⋅ c ⋅ ΔT, где c – теплоемкость вещества (для воды она равна 4,18 кДж/(кг·К).

Когда вещество переходит в другую фазу, происходит изменение внутренней энергии без изменения температуры. Энергия, требуемая для фазового перехода из твердого вещества в жидкое состояние, называется теплотой плавления, а для перевода жидкости в пар – теплотой испарения. При этом изменение внутренней энергии при выпаривании воды равняется m⋅ H, где m – масса, а H – удельная теплота испарения, а при плавлении будет m⋅Λ, где Λ – удельная теплота плавления.

Во многих задачах, связанных с проблемой охраны окружающей среды, рассматриваются потоки как вещества, так и энергии через границы системы. Примером может служить удаление с помощью теплоносителя (обычно воды)теплоты из зоны протекания процесса. В этом случае скорость изменения внутренней энергии равняется m` ⋅c ⋅ΔT, где m` – поток вещества через границы системы, а ΔT – перепад температур в потоке, отводящем теплоту от процесса.

Когда два тела имеют разную температуру, теплота переносится от более теплого тела к более холодному. Этот процесс может осуществляться за счет теплопроводности (кондуктивный процесс), когда имеется непосредственный контакт между телами; за счет конвекции, когда между ними имеется газ или жидкость, или за счет излучения.

Процесс переноса тепла через барьер (например, стену здания) можно описать следующим уравнением:

где q – тепловой поток [Вт] через барьер площадью S [м²], расположенный перпендикулярно вектору теплового потока, T₁ и T₂ – значения температуры [К] внешних поверхностей барьера, R – термическое сопротивление [м²·К/Вт].

При переносе теплоты излучением испускаемую энергию несут электромагнитные волны. Каждый объект излучает тепло. Абсолютно черное тело является совершенным излучателем, оно испускает с единицы поверхности больше энергии, чем любой реальный объект при той же температуре. Мощность испускаемого излучения W абсолютно черного тела описывается законом Стефана – Больцмана:

где σ = 5,67 ⋅10⁻⁸ Вт/(м²·K⁴) – постоянная Стефана–Больцмана, S – площадь поверхности излучателя, м²; T – его температура, K. Длина волны, на которой спектр излучения достигает своего максимума, определяется с помощью закона смещения Вина:

где λ – длина волны, м; T – температура, K; b = 2,90 ⋅10−3, — постоянная Вина, м·К.

Величина кванта энергии определяется соотношением Эйнштейна – Планка: E = hν

где h = 6,62 ⋅10⁻³⁴ Дж·с – постоянная Планка, а ν – частота электромагнитного излучения, с^-1.

Энергия и масса связаны следующим соотношением эквивалентности Эйнштейна: E₀ = mc² где c – скорость света в вакууме.