Енергетичний баланс біосфери

Енергія – це загальна кількісна міра руху та взаємодії усіх видів матерії. Відповідно до закону збереження енергії, вона не зникає та не виникає з нічого, а тільки переходить з однієї форми до іншої. Потік енергії на Земній кулі має три джерела:

кінетична енергія оберту Землі та її супутника Місяця як космічних тіл. Вона проявляється в морських припливах, енергія яких недоступна живим організмам, але може використовуватися людиною;

енергія земних надр, яка підтримується ядерним розпадом урану і торію. Ця енергія виділяється у формі геотермічного тепла. У вулканічних районах вона використовується для опалення оранжерей та басейнів;

сонячна енергія, на базі якої здійснюється життєдіяльність в автотрофних організмів.

Головним джерелом енергії в біосфері є сонячна енергія. Певна кількість енергетичних ресурсів міститься в геофізичних та геохімічних структурах. Скажімо, йдеться про енергію атомного розпаду чи енергію хімічних реакцій. В кінцевому підсумку, звичайно, ці джерела енергії також детерміновані космогенними чинниками, однак їхні формотворення та прояви дають змогу розглядати їх як відносно незалежні від сонячної енергії. Особливо це стосується енергії хімічних реакцій, на використанні яких спеціалізується велика група організмів – хемотрофи. Однак, по суті, на Землі не існує інших джерел енергії, окрім сонячної.

Функції живої речовини та біосфери в цілому полягають у засвоєнні, накопиченні, трансформації та перерозподілі цієї вільної енергії. Загалом, біосфера виконує, таким чином, і фундаментальну космічну функцію, посилюючи негентропійні тенденції і протистоячи тенденціям ентропійним. Інакше кажучи, вона вносить в універсум більшу організованість, порядок, на противагу дезорганізаційним процесам, хаосу. Людина також включена у цей кругообіг, використовуючи акумульовану енергію та речовину для розбудови свого власного світу – світу культури.

Сонячна енергія, здолавши відстань від світила до Землі, падає на поверхню планети. Одна частина її відразу відбивається атмосферою у міжпланетний простір, друга – відбивається від земної кори, нагріваючи, таким чином, і її поверхню, і атмосферу. Від оптичної щільності атмосфери залежить, скільки сонячної енергії вона поглине: прозоріше повітря завжди холодніше, оскільки погано затримує сонячне проміння, і навпаки. У свою чергу, частина затриманої енергії використовується при фотосинтезі.

Співвідношення відповідних показників визначається такими величинами: якщо взяти всю падаючу на Землю енергію за 100% (3х1024 Дж.), то у процесі фотосинтезу акумулюється 0, 1% цієї енергії (3х1021 Дж.), для приготування їжі використовується взагалі 0, 001% (1, 5х1019 Дж.). Слід зазначити, що до річного показника фотосинтезу нині майже сягають сукупні енергетичні витрати людства, але це відбувається і за рахунок енергетичних ресурсів, накопичених автотрофами у минулі геологічні епохи (вугілля, нафта, газ).

Енергетичні ресурси в біосфері не лише створюються нині існуючими організмами, а й нагромаджувалися у минулі геологічні часи. Тому реальна енергетика біосфери, а особливо енергетичні підвалини життєдіяльності людини, визначаються сукупним потенціалом вуглецю та вуглецевих сполук. Баланс різних компонентів добре простежується за даними таблиці 1.

Здатність біосфери акумулювати енергію досягається завдяки обставинам двоякого характеру. З одного боку, у процесі еволюції виникли специфічні макромолекули та їхні комплекси (передовсім, хлорофіл, мітохондрії тощо), які роблять можливим хімічне протікання процесів перетворення та накопичення енергії з її наступним використанням для забезпечення життєвих процесів. З іншого боку, множинність та різноманітність ієрархічно організованих біосистем біосфери, включаючи її саму, уможливлюють енергетичні потоки між дискретними утвореннями в масштабах всієї планети, сприяючи, таким чином, глобальним енергетичним змінам. Причому останню функцію біосфера як самоорганізована система може виконати тим краще, чим складнішим та різноманітнішим буде якісний склад екосистем, чим складнішим структурно та функціонально будуть біосфера та її блоки. Виявляється, що рух у такому напрямку – енергетично вигідний та конкурентоспроможний. А тому урізноманітнення видового складу біосфери – вагома підстава до винайдення засобів досягти й утримати енергетичні та інші переваги.

 

Таблиця 1

Ресурси і запаси горючих копалин, продуктів біомаси та баланс CO2

Ресурси Вугільний еквівалент, т Вуглець, т Органіка, т Енергія, Дж

Розвідані запаси: 8х1011 - - 3х1022

вугілля 5х1011 - - -

нафта 2х1011 - - -

газ 1х1011 - - -

Ймовірні ресурси: 113х1011 - 3х1023

вугілля 85х1011 - - -

нафта 5х1011 - - -

газ 3х1011 - - -

нетрадиційні дже-рела нафти та газу 20х1011 - - -

Щорічний фотосинтез - 8х1010 2х1011 3х1021

Нагромаджена біомаса - 8х1011 - 2х1022

Щорічне світлове споживання енергії - 5х109 - 3х1020

СО2 в атмосфері - 7х1011 - -

СО2 у поверхневому шарі океану - 6 х1011 - -

 

Слід зазначити, що нинішня цивілізація живе значною мірою саме «за рахунок» енергетичного потенціалу, нагромадженого до її виникнення. Спалюючи кам'яне вугілля, нафту, природний газ, люди вводять у нинішній енергетичний баланс фотосинтетичну продуцію минулих геологічних епох. Тому інколи кажуть, що люди вже «спалили», тобто витратили, майже 200 млн років еволюції – нагромаджених за цей час розвитку органічного світу вуглецевих ресурсів.

На Сонці енергія виникає в результаті ядерних перетворень. Головне з них – це перетворення водню в гелій через дейтерій. Променева енергія Сонця проявляється в амплітуді довжини хвиль від 0, 3 до 2, 0 мкм. Частка ультрафіолетового випромінювання в ній невелика. Воно в