Энергия в окружающей среде. Природная радиоактивность

Природный парниковый эффект
Поток солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку атмосферы, составляет
Функция
достигает своего максимума, равного 1,0344 в январе, а минимума 0,9646 – в июле.

Поток энергии через атмосферу
Поглощенная в атмосфере энергия E может быть выражена через сечения элементарных процессов:
Средний поток энергии на границе атмосферы составляет с учетом альбедо 240 Вт⋅м-2

Поглощение энергии в атмосфере

Глобальный энергетический баланс

Преобразование солнечной энергии

Составляющие теплового потока на поверхности

Вариации солнечной постоянной

Постоянно ли Солнце?

Эффективность фотосинтеза
CO2 + H2O + n (hν) → CH2O + O2 + 480 кДж⋅моль-1
Число фотонов, необходимых для прохождения реакции, рассчитывалось и измерялось. Теоретическое значение при длине волны 700 нм составляет 3. Лабораторные опыты регистрировали число фотонов > 7. Скорость фотосинтеза измерялась по выходу кислорода. Затраты 8 световых квантов составляют 1470 кДж⋅моль-1, т.е. кпд фотосинтеза в искусственных условиях достигает 35%.
Эффективность фотосинтеза растений в природе намного ниже. Морские водоросли используют солнечную радиацию с коэффициентом полезного действия около 4%, однако средним по всем экосистемам Земли является значение не более 0,1%.
Фотосинтез у разных организмов может протекать с использованием различных доноров (Д) и акцепторов (А) электронов, и водорода. Он может быть представлен схематически обобщённым уравнением: ДН2 + А AН2 + Д, где AН2 – продукты фотосинтеза.

Чистая Первичная Продуктивность (ЧПП) биосферы
Биомасса суши (сухой вес) составляет 2,6⋅1018 г, океана – 7⋅1015 г.
Растительная биомасса суши очень инертна. Ее годовая продуктивность составляет всего около 8%. Напротив, продуктивность океана превышает 1000%. В результате, так называемая Чистая Первичная Продуктивность (ЧПП) биосферы, равная полной продуктивность минус затраты на жизнедеятельность продуцентов, в расчете на органическое вещество складывается из 57⋅1015 г с суши и 48⋅1015 г из океана. Суммарная годовая ЧПП составляет примерно 105 Пг.
Это соответствует примерно 200 г⋅м-2⋅ год-1 биомассы, или около 0,12 Вт⋅м-2 непрерывно запасаемой мощности.

Емкость биологических аккумуляторов

Базовая скорость метаболизма(БСМ)
Приближенно, для человека средней массы (70 кг) БСМ или основной обмен, т.е. энергетические затраты организма в условиях бодрствования и бездействия, составляют 7800 кДж в сутки. Это соответствует средней мощности около 100 Вт. При тяжелых нагрузках (спорт, физический труд) пиковая мощность может возрастать до 1,6 кВт, но среднесуточные значения по гигиеническим нормам не должны превышать 240 Вт.
Интересно, что в основном обмене половина энергии расходуется на тепло, 20% - на синтез (ежедневно обновляется 2,4 кг белков) и только 15% на мышечную, т.е. механическую энергию.
Будем в оценке исходить из 120 Вт на человека. Получается, что Земля может прокормить примерно 1,5⋅1011 человек.

Распределение по трофическим уровням

Энергетическая революция
C + O2 → CO2 + 400 кДж⋅моль-1
Энергетическая революция человеческой цивилизации связана с опережающим необходимый уровень потреблением ископаемого топлива, то есть с использованием стратегического эволюционного запаса Земли.