Меню

Энергетический баланс земли кратко

Энергетический баланс Земли.

Энергетические потоки, рассматриваемые в экологии.

Баланс солнечной энергии на земле.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ.

Энергия определена, как способность совершать работу и живые организмы нуждаются в энергии для поддержания жизни.

Поток энергии — переход энергии в виде химических связей и органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому). В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют в экосистеме и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз, т. е. Это линейный поток.

Односторонний поток энергии происходит в результате действия законов термодинамики. Энергия может существовать в виде различных взаимопревращаемых форм, т.к. механическая, химическая, тепловая, электрическая.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть вновь создана или исчезнуть (пример: переход энергии света в потенциальную энергию пищи).

Второй закон утверждает, что энергия при совершении работы не используется на все 100 % и часть ее превращается в тепло. Живые организмы преобразуют энергию, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге все энергия, которая поступает в биотический компонент, рассеивается в виде тепла.

Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима организмам для поддержания жизнедеятельности и само воспроизводства.

Важной характеристикой потока энергии является его скорость. Скорость потока энергии – количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перемещенное с одного трофического уровня на другой в единицу времени.

Баланс солнечной энергии – не вся энергия может усваиваться и использоваться организмами. Отражается –30%, превращается в тепло –46%, идет на транспирацию –23%, на механическую работу –0.2%, на фотосинтез – 0.8%. (в живом растительном организме.)

Трофический подход в передаче энергии (схема трофической цепи)

Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и лишь небольшая ее часть захватывается Землей 10,5 *106 кДж /м2. Из нее 40% отражается, 15% поглощается в биосфере (озоновый слой) и превращается в тепловую или расходуется на испарение воды. Оставшаяся часть – 45% поглощается растениями (но и там происходит ее распределение в организме). Реальное количество для данной местности зависит от географической широты.

Источник

Энергетический баланс Земли

Тектоническая активность Земли полностью определяется только развивающимися в её мантии энергетическими процессами. Влиянием же на тектоническую активность солнечной радиации или распада радиоактивных элементов в континентальной коре, можно пренебречь, поскольку выделяемое при этом тепло переходит в тепловое излучение Земли и рассеивается в космосе. Поэтому энергетический баланс Земли, управляющий после её образования тектонической активностью, определяется простым соотношением: глубинные теплопотери Земли & равны суммарной скорости генерации в мантии гравитационной, радиогенной и приливной энергии & за вычетом скорости изменения теплового запаса Земли &. В случае теплового равновесия теплозапас Земли & остаётся постоянным и скорость его изменения равна нулю; при разогреве Земли её теплозапас возрастает, а при остывании, наоборот, снижается. В этом случае энергетический баланс Земли можно выразить простыми соотношениями: в интегральной форме

Формула 18. Энергетический баланс Земли

где W — начальный теплозапас Земли.

Современное значение глубинного теплового потока легко найти, отняв от суммарных теплопотерь Земли (4,3×10 20 эрг/с) скорость генерации радиогенной энергии в континентальной коре (0,91×10 20 эрг/с). Следовательно, современные потери глубинного тепла равны Q = 3,39×10 20 эрг/с. Они складываются из суммарной генерации в мантии гравитационной, радиогенной и приливной энергии E& и возможной добавки за счёт изменения теплозапаса Земли W&, т.е. происходящего сейчас дополнительного разогрева или, наоборот, остывания земных недр. Возможная поправка за изменение теплозапаса Земли невелика, и в первом приближении можно положить её равной нулю. Однако, учитывая приведённые выше значения гравитационной, радиогенной и приливной энергии, выделившейся в мантии к настоящему времени (Е = 16,85×10 37 + 3,11×10 37 + 2,24×10 37 = 22,2×10 37 эрг), а также суммарный глубинный тепловой поток E& = 3,39×10 20 эрг/с, удаётся определить, что поправка за современное изменение теплозапаса Земли равна E& = −0,27×10 20 эрг/с. Это значит, что после архейского перегрева верхней мантии, о чём уже говорилось выше, Земля все ещё продолжала слабо остывать. Учитывая это, теперь можно определить и суммарную генерацию энергии в глубинных недрах — она достигает E&= 3,12×10 20 эрг/с.

Читайте также:  Выделение земли под огородничество

Из трёх главных энергетических процессов, рассмотренных выше, два (распад радиоактивных элементов и приливные взаимодействия с Луной) позволяют в рамках принятых моделей непосредственно определять их вклад в энергетику Земли как по суммарной энергии, так и по скорости её генерации в течение всей истории развития Земли (рис. 53). Современные значения скорости генерации в мантии радиогенной и приливной энергии, соответственно равны 0,34×10 20 и 0,02×10 20 эрг/с. Тогда по условию энергетического баланса находим, что генерация энергии гравитационной дифференциации Земли, в пересчёте на тепло приблизительно равна 2,76×10 20 эрг/с.

Рисунок 53. Скорость выделения энергии в Земле:
1 — гравитационной; 2 — радиогенной; 3 — приливной; 4 — суммарной энергии Е (пик скорости выделения энергии на времени 2,6 млрд лет назад соответствует моменту образования земного ядра).

Помимо дифференциального условия энергетического баланса Земли можно сформулировать и её интегральную форму: суммарные теплопотери Земли равны суммарной генерации энергии в её недрах за вычетом полного приращения теплозапаса Земли от момента её образования (18). Рассчитать выделение энергии в Земле по принятым моделям её генерации несложно. По распределениям плотности и температуры в молодой Земле (см. табл. 4) можно определить начальный теплозапас первичной Земли. Он оказался равным 7,12×10 37 эрг. Учитывая теперь генерацию радиогенной и приливной энергии в катархее, удаётся также рассчитать теплозапас Земли на рубеже катархея и архея — 9,29×10 37 эрг. По распределениям плотности в Земле в конце архея (см. рис. 41) с учётом суммарной эндогенной энергии, выделившейся в архее, возможно также определить, что к рубежу архея и протерозоя теплозапас Земли вырос до 16,74×10 37 эрг. Теплозапас современной Земли, судя по данным, приведённым в табл. 2, оказался несколько меньшим — 15,9×10 37 эрг, поскольку Земля, как уже отмечалось выше, все ещё продолжает остывать после архейского перегрева мантии, связанного с катастрофическим событием формирования земного ядра.

Формула 18. Энергетический баланс Земли

Таблица 4. Распределения плотности, температуры, давления и ускорения силы тяжести в молодой Земле
При расчёте распределений плотности, ускорения силы тяжести и давления использовалось значение массы Земли М = 5,977×10 27 г, при этом безразмерный момент инерции сферической Земли J оказался равным 0,374.

Глубина, км Плотность, г/см 3 Температура, К Давление, кбар Ускорение силы тяжести, см/с 2
3,92 260 985
200 4,21 1 147 82 980
400 4,51 1 385 168 973
400 4,63
600 4,89 1 457 261 986
670 4,98 1 294 285 955
670 5,14
800 5,24 1 433 358 941
1 000 5,38 1 411 456 921
1 200 5,50 1 400 556 898
1 400 5,62 1 393 656 874
1 600 5,73 1 387 754 848
1 800 5,83 1 384 852 821
2 000 5,94 1 381 948 793
2 200 6,06 1 379 1 042 764
2 400 6,17 1 378 1 133 734
2 600 6,27 1 377 1 223 703
2 800 6,36 1 376 1 309 670
3 000 6,46 1 375 1 393 638
3 400 6,63 1 373 1 548 569
3 800 6,78 1 371 1 688 498
4 200 6,91 1 369 1 810 425
4 600 7,0 1 367 1 912 350
5 000 7,06 1 365 1 995 273
5 400 7,12 1 363 2 057 196
5 800 7,16 1 361 2 097 119
6 200 7,18 1 359 2 116 52
6 360 7,18 1 358 2 116
Читайте также:  Относительными показателями эффективности использования земли являются
Таблица 2. Распределения плотности, температуры, давления и ускорения силы тяжести в современной Земле
При расчёте распределений плотности, ускорения силы тяжести и давления использовались основные параметры: масса Земли М = 5,9771×10 27 г и безразмерный момент инерции сферической Земли J = 0,33053.

Глубина, км Плотность, г/см 3 Температура, К Давление, кбар Ускорение силы тяжести, см/с 2 Глубина, км Плотность, г/см 3 Температура, К Давление, кбар Ускорение силы тяжести, см/с 2
2,85 288 981 2886 5,60 3130 1384 1067
200 3,30 1770 65,5 990 2886 9,92
430 3,60 1940 138 997 3000 10,06 3310 1503 1041
430 3,82 2010 3400 10,60 3880 1909 945
600 4,09 2130 218,6 1000 3800 11,06 4400 2287 841
670 4,16 2170 247,2 1001 4200 11,43 4870 2628 732
670 4,37 2110 4600 11,72 5280 2926 622
800 4,49 2170 305,7 1000 5000 11,97 5620 3175 517
1000 4,61 2260 397,7 996 5120 12,04 5710 3242 490
1200 4,72 2360 491,7 994 5120 13,00
1400 4,83 2450 587,8 993 5400 13,10 5890 3382 386
1600 4,94 2540 686 993 5800 13,23 6060 3518 227
1800 5,04 2640 786,3 995 6000 13,27 6110 3559 155
2200 5,25 2820 994,9 1006 6200 13,29 6140 3580 68
2600 5,45 3010 1216,2 1033 6371 13,29 6140 3583

Рисунок 41. Распределение плотности в Земле:
1 — в первичной Земле; 2 — в позднем архее непосредственно перед образованием земного ядра; 3 — после образования ядра в самом конце архея; 4 — в современной Земле.

В первом приближении можно принять, что в процессе разогревания Земли в катархее и архее увеличение её теплозапаса происходило пропорционально количеству выделяемой в земных недрах энергии, а при её охлаждении после архея — по экспоненциальному закону остывания нагретых тел. В этом случае теплопотери Земли легко находятся вычитанием полного приращения её теплозапаса из значений суммарной энергии, выделившейся в земных недрах к данному моменту времени. Результаты такого расчёта приведены на рис. 54, а на рис. 55 изображены кривые дифференциальной формы энергетического баланса Земли.

Читайте также:  Стальной алхимик братство око небес врата земли

Рисунок 54. Интегральная форма энергетического баланса Земли:
1 — суммарная энергия, выделившаяся в Земле (без учёта приливной энергии, рассеянной в морях и океанах Земли); 2 — суммарная энергия, выделившаяся в земной мантии E; 3 — тепловой запас Земли W; 4 — суммарные теплопотери Земли; 5 — теплопотери мантии Q. Разность между кривыми 1 и 2, а также 4 и 5 определяет величину радиогенной энергии, выделившейся в континентальной земной коре.

Рисунок 55. Дифференциальная форма энергетического баланса Земли:
1 — суммарная скорость выделения эндогенной энергии в мантии Земли E & m ; 2 — суммарное значение глубинного (мантийного) теплового потока Q & m ; 3 — скорость изменения теплового запаса Земли W & ; (пик суммарной скорости выделения эндогенной энергии на времени 2,6 млрд лет назад соответствует моменту образования земного ядра).

Как видно из приведённых графиков, на ранних этапах существования Земли в её энергетике явно доминировала приливная энергия, а начиная с архея — только гравитационная. Радиогенная же энергия, особенно рассеиваемая в мантии, вопреки широко распространённому мнению, практически никогда не определяла энергетического режима развития Земли. Это очень важный вывод теоретической геологии, и с ним теперь не считаться уже нельзя. Суммарная генерация энергии в катархее приблизительно равнялась 3,2×10 37 эрг, теплопотери Земли в это же время были сравнительно низкими — около 1,03×10 37 эрг, тогда как теплозапас Земли за катархей возрос на 2,17×10 37 эрг (с 7,12×10 37 эрг при образовании Земли до 9,29×10 37 эрг, около 4,0 млрд лет назад).

В архейскую эру наибольшей тектонической активности Земли в её мантии выделилось около 14,15×10 37 эрг тепловой энергии. Из этой энергии несколько большая часть 7,45×10 37 эрг ушла на дополнительный разогрев Земли, а 6,7×10 37 эрг излучилось в космическое пространство. К концу архея теплозапас Земли увеличился до 16,74×10 37 эрг. При этом наиболее интенсивно энергетические процессы развивались в позднем архее, когда экваториальный кольцевой пояс тектонической активности Земли уже расширился до умеренных и даже до высоких широт. Генерация эндогенной энергии с наибольшей скоростью, достигавшей 88,85×10 20 эрг/с и превышавшей почти в 28,5 раза современный уровень генерации этой энергии, происходила около 2,6 млрд лет назад, когда завершался процесс образования земного ядра. Отметим здесь же, что всплеск приливно-лунной энергии в начале архея в основном рассеивался в мелководных раннеархейских морских бассейнах и поэтому он слабо влиял на эндогенное энерговыделение. Излучение глубинного тепла Землёй в конце архея около 2,7 млрд лет назад достигло 48,33×10 2 эрг/с, что более чем в 14 раз превышало суммарный глубинный тепловой поток, поступающий на поверхность из современной мантии: 3,39×10 20 эрг/с.

В протерозое и фанерозое эндогенные энергетические процессы протекали уже существенно более спокойно. Так, за все это время, начиная с 2,6×10 9 лет назад и до наших дней, в недрах Земли (без учёта радиогенной энергии, генерировавшейся в континентальной коре) выделилось около 4,85×10 37 эрг тепла от основных источников глубинной энергии и около 0,84×10 37 эрг за счёт дополнительного послеархейского остывания Земли, а всего 5,69×10 37 эрг. Вся эта энергия была потеряна с тепловым излучением Земли, которое в начале раннего протерозоя достигало 10,33×10 20 эрг/с, т.е. более чем в три раза превышало современный уровень (3,39×10 20 эрг/с).

Источник