Энергетика биосферы Учение о биосфере Д. Ю. Шишкина Тема 13
Источники энергии в биосфере. Эндогенная энергия Земля имеет 2 источника тепла (энергии): экзогенный (космический) и эндогенный (идущий из недр планеты). Тепловой поток На некоторой глубине от поверхности располагается пояс постоянной температуры, равный среднегодовой температуре данной местности. • Москва, глубина 20 м от поверхности, - постоянная температура +4, 2°С, • Париж, 28 м, +11, 83°С. Ниже пояса постоянной температуры наблюдениями в шахтах, рудниках, буровых скважинах установлено постепенное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком, поступающим из внутренних частей Земли. Значение теплового потока в разных районах зависит от степени подвижности земной коры, от интенсивности эндогенных процессов. Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87± 2 м. Вт/м² или (4, 42± 0, 10)· 1013 Вт в целом по Земле, то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация. • В пределах континентов - 65± 2 м. Вт/м², • В пределах щитов – 9– 49 м. Вт/м², • В глубоководных океанических желобах 28– 65 м. Вт/м², • в областях геосинклиналей и срединно-океанических хребтах может достигать 100– 300 м. Вт/м² и более. Около 60% теплового потока (2, 75· 1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла, остальные 40% обусловлены остыванием планеты. 2
Тепловой поток (2) Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части поверхности планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Исключения – места, где тепловой поток велик: зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли может быть в несколько раз и даже на порядки больше «обычного» . Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ. В среднем температура с глубиной растёт на 2, 5– 3°С на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом. Обратная величина – геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температур повышается на 1°С. В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться - до 25 раз. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°С на 1 км, а в Южной Африке – 6°С на 1 км. 3
Тепловой поток (3) При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять примерно 250 – 300°С. Это подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры. Кольская сверхглубокая скважина (Балтийский кристаллический щит): температура до глубины 3 км меняется со скоростью10°С/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2– 2, 5 раза больше. • Глубина 7 км - температура 120°С, • 10 км – 180°С, • 12 км – 220°С. Скважина, заложенная в Северном Прикаспии, глубина 500 м - 42°С, • 1, 5 км – 70°С, • 2 км – 80°С, • 3 км – 108°С. Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20– 30 км: • на глубине 100 км предположительные температуры около 1300– 1500°С, • на глубине 400 км – 1600°С, • в ядре Земли (глубины более 6000 км) – 4000– 5000°С. 4
Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной 5
Изменение температуры с глубиной в разных регионах Область Геотермическая ступень, м/°С Геотермический градиент, °С/100 м Карпаты, Крым, Кавказ 20 -50 2 -6 Камчатка, Курильские острова 5 -33 3 -20 Урал, Саяны, Алтай, Тянь-Шань 30 -70 1, 5 -3, 5 Русская, Западно-Сибирская, Восточно-Сибирская платформы 30 -100 1 -3, 5 Балтийский и Украинский кристаллические щиты 100 -167 0, 07 -0, 1 6
Источники внутренней энергии Земли • радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных элементов (238 U, 235 U, 232 Th, 40 K и др. ); • гравитационная дифференциация с перераспределением материала по плотности в мантии, сопровождающаяся выделением тепла; • приливное трение; • метаморфизм. Радиогенная энергия Современный уровень генерации радиогенной энергии в Земле – 1, 25× 1020 эрг/с - составляет всего 8% от суммарных теплопотерь Земли (4, 3× 1020 эрг/с). В прошлые геологические эпохи выделение радиогенной энергии было больше. Основная масса радиоактивных элементов сосредоточена в земной коре. Генерация радиогенной энергии в земной коре 0, 9× 1020 эрг/с, в мантии 0, 35× 1020 эрг/с. эрг – 10 -7 Дж 7
Скорость выделения радиогенной энергии: 1 – в Земле; 2 – в мантии, 3 – в континентальной коре 8
Энергия, выделяемая различными радиоактивными элементами Элементы 238 U 235 U 232 Th 40 K Σ Выделяемая энергия, эрг/с 0, 439× 1020 Выделяемая энергия, % 35 0, 02× 1020 0, 486× 1020 0, 303× 1020 1, 24× 1020 1, 6 39 24, 3 9
Радиоактивный распад и его влияние на биосферные процессы Все живые организмы Земли испытывают действие ионизирующих излучений, испускаемых радиоэлементами, находящимися в природных водах, почвах, горных породах и атмосфере. Первичные физические процессы, вызываемые действием α, β и γ -лучей на живые организмы, определяют образование веществ с высокой химической активностью. Биологическое действие излучений в основном связано с продуктами радиолиза воды, к которым относятся атомы и радикалы H, OH, HO 2 и перекись водорода H 2 O 2. Излучения могут оказывать прямое действие на крупные биологические молекулы. 10
Влияние радиоактивности среды на эволюцию жизни Радиоактивность - важнейший фактор, вызывающий мутации (стойкое изменение генотипа) у различных организмов. Чем больше доза ионизирующего излучения, полученная организмом, тем чаще происходят в нем мутации. Поскольку состав живых организмов зависит химического состава внешней среды, в тканях растений и животных, обитающих в провинциях с повышенной радиоактивностью, накапливаются повышенные концентрации радиоактивных элементов. Повышенная радиоактивность характерна для районов залегания гранитов и рудных радиоактивных полей. Вероятность мутации живых организмов повышена в тех регионах биосферы, где в повышенном количестве находятся радиоактивные элементы. Формирование ураноносных и ториевоносных провинций связано с выносом элементов из глубоких горизонтов земной коры и верхней мантии за счет тектонических и магматических процессов, которые имели периодический характер. Поэтому мутационное воздействие радиоактивности также проявлялось периодически. Сопоставление эпох уранонакопления с изменениями органического мира показало, что эпохи повышенной радиоактивности среды характеризовались значительным усилением мутационного процесса, видообразования и смены флоры и фауны, а промежутки между ними – затуханием видообразования и вымиранием организмов. Можно полагать, что эволюция жизни в биосфере и радиоактивность окружающей среды – связанные процессы. 11
Гравитационная дифференциация - разделение неоднородного магматического расплава под влиянием гравитационных сил, сопровождающееся выделением энергии. В момент образования Земли элементы, из которых она состояла (преимущественно соединения кремния и железа), были полностью перемешаны друг с другом; их температура была сравнительно невелика. Со временем под действием гравитационных сил более лёгкие соединения кремния стали подниматься к поверхности Земли, а более тяжёлое железо и его соединения – опускаться в направлении ядра. Это сопровождалось выделением большого количества энергии (в виде тепла), что привело со временем к разогреву недр планеты. Скорость выделения энергии при гравитационной дифференциации не была постоянной в течение истории земли. Гравитационная дифференциация возникла 4 млрд лет назад. 12
Скорость выделения энергии при гравитационной дифференциации Земли • 4 -3, 8 млрд лет назад (ранний архей) – повышенная скорость ≈ 8, 5× 1020 эрг/с; • Средний архей – 20 эрг/с; всплеск, 33× 10 • Поздний архей (2, 6 млрд лет назад, формирование плотного ядра) - максимум ≈ 85× 1020 эрг/с; • Ранний протерозой - ≈ 9× 1020 эрг/с; • Современная скорость ≈ 3× 1020 эрг/с, затухание процесса продолжается. 13
Приливное трение При суточном обороте Земли все составляющие ее слои и зоны синхронно совершают полный цикл вращения. Располагающееся на глубине от 2900 до 5146 км внешнее ядро находится в расплавленном вязкотекучем состоянии. Параметры давления, температуры, вязкости и плотности в разных его уровнях могут различаться между собой в несколько раз. Само же вещество внешнего ядра расслоено, и разные его слои перемещаются с разной скоростью, выделяя на границах теплоту трения. Чем больше различие между скоростями движения отдельных слоев, тем выше величина трения и больше масштабы выделения тепла. Главным носителем тепла являются глубинные флюиды. 14
Космические лучи как источник энергии Космические лучи галактического происхождения – это поток протонов и ядер высоких энергий с большой проникающей способностью. Они пронизывают всю биосферу. Хотя плотность космических лучей незначительна, они производят в атмосфере вторичные радиоактивные изотопы, которые включаются в общий круговорот химических элементов в биосфере. При взаимодействии космических протонов с веществом атмосферы возникают космические нейтроны. Они вызывают ядерные реакции, приводящие к образованию радиоактивных изотопов. При этом в первую очередь преобразуются атомы азота – наиболее распространенного газа атмосферы: 14 N + n → 14 C + p; 14 N + n → 12 C + 3 Н Так возникают радионуклиды углерода 14 C и трития. Общее количество радиоуглерода в биосфере около 54 т. Наряду с ними возникают радиоактивные изотопы и других легких элементов, но в крайне малых количествах. 15
Влияние солнечного излучения на природные процессы Земли 16
Солнечная энергия: электромагнитное излучение Солнечная радиация оказывает наиболее существенное влияние на процессы в биосфере. Составными частями солнечного излучения являются электромагнитное и корпускулярное. Основная часть электромагнитной энергии приходится на видимую и инфракрасную часть волнового спектра, а также на ультрафиолетовую часть. Меньшая доля солнечного излучения принадлежит рентгеновским лучам и волнам в области радиодиапазона. В атмосфере Земли поглощается значительная часть ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Так, коротковолновая часть у/ф лучей поглощается в верхних слоях атмосферы, а также водяными парами, частицами дыма и пыли. Рентгеновское излучение поглощается полностью. Интенсивность солнечного излучения на Земле зависит от широты, периода года, времени суток, а также от облачности и прозрачности атмосферы. Незначительная доля солнечного излучения (0, 5– 1%) усваивается зелеными растениями в ходе фотосинтеза. Основная и большая часть рассеивается в биосфере, определяя её энергетический баланс. Периодический характер интенсивности солнечного излучения сказывается на явлениях в биосфере Земли. Установлена связь между хромосферными вспышками на Солнце и увеличением смертельных исходов при инфарктах и инсультах, обострением симптомов различных хронических заболеваний и т. д. 17
Солнечная энергия: корпускулярное излучение Выражается в виде солнечного ветра и солнечных космических лучей, которые связаны с мощными взрывными вспышками. При этом также усиливается интенсивность ультрафиолетового и рентгеновского излучений, достигающих Земли через 8 мин, в то время как солнечные космические лучи с энергией 108– 109 э. В приходят на Землю спустя 10 мин. Вспышки на Солнце создают мощную ударную волну, выбрасывая в пространство облако плазмы. Распространяясь со скоростью свыше 100 км/с, оно за 1, 5– 2 суток достигает Земли, вызывая магнитную бурю, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и т. д. При этом возрастает неустойчивость атмосферы, что приводит к нарушению характера атмосферной циркуляции – развитию циклонов и других метеорологических явлений. Это отрицательно сказывается на жизни организмов, однако конкретный механизм этих связей выяснен еще недостаточно. 18
Величина солнечной энергии Лучистая энергия Солнца – главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. В связи с движением Земли вокруг Солнца интенсивность солнечного излучения, приходящаяся на поверхность Земли, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния Земля–Солнце. Минимальное расстояние Земли от Солнца (147 млн км) – в начале января, максимальное (152 млн км) – в начале июля. Это изменение расстояния приводит к колебаниям суточного количества падающей энергии. При этом Земля получает лишь 5× 10 -10 долю общей излучаемой Солнцем энергии. Общая сумма радиации - 1, 72× 1017 Вт или 5, 42× 1024 Дж/год. Из общего количества энергии, получаемого Землей, 33% отражается облаками и поверхностью суши, а также тонкодисперсной пылью в верхних слоях атмосферы (альбедо). 67% энергии поглощается атмосферой и земной поверхностью и после ряда превращений уходит в космическое пространство. Прогревание Солнцем распространяется на очень незначительную глубину, не превышающую 28– 30 м, а местами составляющую первые метры. 19
Поступление и распределение солнечной энергии в биосфере 20
Роль земной энергии в круговороте вещества В связи с действием солнечной энергии и внутренней энергии Земли в биосфере совершается постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. Происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода → осадочная порода → метаморфическая порода → переплавление и новое образование магмы. В. И. Вернадский писал о земной коре: «Большая часть материи в ней находится в непрерывном движении – миграциях и образует обратимые и замкнутые циклы, всегда возобновляющиеся и тождественные. Они возобновляются над поверхностью энергией Солнца, поглощенной живым веществом, а в глубинах атомной энергией, обусловленной радиоактивным распадом» . Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества – газы и природные воды. Более медленный круговорот совершает материал континентов. Этот материал путем выветривания и денудации удаляется с поверхности суши за период 30– 100 млн лет. Если бы отсутствовали вековые поднятия земной коры в континентальном полушарии планеты, то за несколько геологических периодов вся суша была бы снесена в океан, и земной шар покрылся бы сплошной водной оболочкой. 21
Большой круговорот вещества в биосфере 22
Изменение энергетики биосферы (1) Биосфера оказалась в состояние не только обеспечивать космической энергией свои потребности, но и аккумулировать значительные ресурсы энергии. Увеличение биомассы и накопление ископаемого органического вещества изменяют энергетику биосферы. Так, в месторождениях горючих ископаемых сконцентрировано более 1013 т органического вещества, а всего в осадочных породах – около 3, 48× 1015 т. Энергия, накопленная в осадочных породах, равняется 1025 Дж. Огромное количество энергии накопилось в земной коре, почве, живом веществе за всю историю биосферы. Энергетические ресурсы биосферы складываются из: • притока солнечной энергии (в год) – n × 1020 -21 ккал; • учтенных запасов ископаемой энергии n × 1022 -23 ккал; • энергии биомассы планеты n × 1020 ккал; • энергии гумусовой оболочки почв и мелководий – n × 1019 -20 ккал; • энергии, связываемой ежегодно фотосинтезом – n × 1017 -18 ккал; • энергии, связываемой ежегодно в фитомассе земледелия – n × 1012 -13 ккал. 23
Изменение энергетики биосферы (2) Благодаря энергетической функции биосфера оказалась способной поддерживать жизнь на планете, умножать численность и усложнять виды животных, обеспечивать потребность гетеротрофных организмов (животных и человека) в энергии. В биосфере используется лишь 0, 1– 0, 2% годовой величины солнечной радиации, аккумулированной фотосинтезом. На суше она колеблется в пределах 0, 3– 0, 46% (оптимум 1– 2%), эффективность использования энергии фитопланктоном ниже (0, 04% энергии, достигающей поверхности океана). Обнаружено увеличение энергетической эффективности экосистем разного эволюционного возраста (по отношению к продукции к биомассе). В хвойных лесах пермского периода отношение продукции к биомассе 0, 54– 0, 55; в ландшафтах с покрытосеменными деревьями, возникших в середине мела – 0, 59– 0, 68; в ландшафтах с травянистыми покрытосеменными (степи, саванны), возникших в неогене, достигает 0, 96. Возрастание ежегодной продукции на единицу биомассы следует рассматривать как показатель прогрессивного развития экосистем. 24
Изменение энергетики биосферы (3) Энергетическая эволюция биосферы связана с возрастанием целесообразности живых систем: рост экономичности обмена веществ и круговорота биомассы, уменьшения непроизводительных потерь при большей работоспособности. Критерий средней выживаемости особи. У древних низших организмов средняя выживаемость особи всего 1/109 из числа родившихся, у высших она достигает 10 – 30%. Таким образом, возрастает вероятность выполнения функции воспроизведения вида: у низших организмов способ воспроизведения неэкономичен, а у высших сократились непроизводительные расходы биомассы. Это обеспечило захват жизнью новых экологических ниш, интенсификацию энергетических процессов в биосфере. Появление гомойотермных (теплокровных) животных было революцией в энергетике биосферы, т. к. расходование ими громадного количества энергии потребовало дополнительных запасов биомассы на низших уровнях трофических цепей. В древних биогеоценозах биомасса растений в 4– 5 раз превышала биомассу животных и не менее 15% энергии переходило с низших звеньев на верхние. В палеоген-неогеновых биогеоценозах масса автотрофов уже в сотни раз превышает массу консументов, и лишь 2– 3 % фитомассы идет на построение органов и размножение животных. 25
Скачать презентацию Энергетика биосферы Учение о биосфере Д Ю Шишкина
13_Энергетика.pptx