Энергия излучения
Спектральное распределение солнечной энергии выше слоя атмосферы и на уровне земной поверхности представлено на рис. 3.1. Это распределение является, разумеется, усредненным, поскольку величина излучения, достигающего поверхности Земли в данное время в конкретной точке, зависит от географического положения этой точки, плотности облачного покрова, содержания пыли в атмосфере и многих других факторов. Однако данные, усредненные по большим площадям, могут оказаться также очень полезными.
Величина энергии излучения, падающего на плоскую поверхность, помещенную выше слоя атмосферы перпендикулярно направлению падения луча, ES составляет около 1395 Вт/м2. Обычно эту величину называют солнечной постоянной. Однако наблюдаемая с Солнца поверхность Земли представляет собой не сферу, а круг. При учете площади поверхности шара среднесуточная величина энергии, падающей на единицу площади земной поверхности, равна 349 Вт/м2. Из рис. 3.1 видно, что энергия солнечного излучения распределена по спектру неравномерно. На долю рентгеновского и микроволнового излучения, соответствующих краям спектра, приходится около 0,001% суммарной энергии (Flohn, 1966). Основная доля энергии приходится на излучение с длиной волны в диапазоне 200—3000 нм. Максимум интенсивности достигается при длине волны 450 нм.
Существование энергетического равновесия предполагает, что для больших периодов времени суммарная получаемая системой энергия равна отдаваемой. В противном случае имело бы место долговременное накопление энергии или непрерывная ее потеря. Хотя запасенная чистая энергия может принимать различные формы, при накоплении энергии почти наверняка происходило бы медленное повышение средней температуры; соответственно свидетельством потери чистой энергии было бы постепенное понижение средней температуры.
Поступающая солнечная энергия ES частично поглощается и частично отражается. Около 16% ES поглощается атмосферой в основном водяными парами, двуокисью углерода, озоном и молекулярным кислородом. Водяной пар прг-лощает значительное количество энергии в инфракрасной области спектра, особенно в диапазоне 800—7000 нм; озон — в ультрафиолетовой области. Облака, закрывающие в среднем в любое время около 52%, площади поверхности Земли, отражают около 2% ES. Около 7% ES снова излучается в атмосферу в результате обратного рассеяния частицами пыли, мелкими каплями воды, молекулами атмосферных газов и другими присутствующими в атмосфере рассеивателями.
Около 4% падающей на поверхность Земли солнечной энергии отражается. Таким образом, только 47% энергии, попадающей в верхние слои атмосферы, поглощается земной поверхностью {табл. 3.1) (Flohn, 1966).
Другим важным составным элементом энергетического баланса является длинноволновое излучение, особенно излучение в диапазоне 4000—1000 000 нм. Излучение самой Земли происходит по закону Стефана—Больцмана:
где ER — энергия, излучаемая поверхностью Земли, σA — постоянная Стефана—Больцмана; ТА — средняя абсолютная температура поверхности Земли.
Энергия земного излучения ER, усредненная по северному полушарию, составляет около 399 Вт/м2 (Flohn, 1966). Эта величина значительно превышает величину падающего излучения и с точки зрения энергетического баланса весьма существенно, что значительная часть длинноволнового излучения Земли поглощается атмосферой. Водяные пары и двуокись углерода поглощают длинноволновое излучение во всем спектральном диапазоне, за исключением нескольких «атмосферных окон» между 8000 и 12000 нм. Энергия, излучаемая через эти «окна», составляет около 18,89 Вт/м2. Большая часть поглощаемой энергии снова излучается в направлении Земли (около 337 Вт/м2) (Flohn, 1966). Таким образом, теряемая Землей энергия равна излучаемой энергии ER за вычетом поглощенной и вновь излученной в направлении Земли энергии ERR.
Чистая свободная энергия излучения у поверхности Земли
где EN — чистая свободная энергия; ES — энергия солнечного излучения над слоем атмосферы; EL — потери солнечной энергии в результате атмосферного поглощения и отражения; ER — энергия теплового излучения земной поверхности; ERR — энергия поглощенного атмосферой излучения земной поверхности и вновь излученного в направлении Земли.
Подставляя в уравнение (3.1) значения из табл. 3.1, получаем
Таким образом, поверхность Земли получает энергию, равную 102 Вт/м2, которую надо учитывать при составлении уравнения теплового баланса:
где EN — чистая свободная энергия; Eтепл — энергия, затрачиваемая на нагревание воздуха в результате конвективной теплопередачи от поверхности Земли; Еисп — энергия, затраченная на испарение воды; Ебиол — энергия, используемая в таких биологических процессах, как фотосинтез, дыхание и гниение; ESS — энергия, поглощенная сушей и водой.
Температура атмосферы уменьшается на величину от 0 до 10°С при увеличении высоты на 1 км, поэтому обычно происходит перенос тепла от поверхности земли вверх. Очевидно, что это справедливо не для любой точки земного шара и не для любых периодов времени, а только при усреднении данных за весь год для всей поверхности земли. Конвективная передача тепла от земли воздуху зависит от интенсивности вертикального атмосферного перемешивания, температуры поверхности земли, приповерхностных ветров и многих других факторов. Для северного полушария этот перенос составляет около 36,7 Вт/м2 (Flohn, 1966).
Факторы, влияющие на испарение с поверхности земли, аналогичны обусловливающим конвективную передачу тепла. Однако горизонтальные разности температур, определяющие горизонтальное перемещение воздушных масс, играют более важную роль в процессе поглощения тепла при испарении, чем вертикальная конвективная передача тепла. На испарение затрачивается около 65 Вт/м2 (Flohn, 1966). Это составляет около 64% чистой свободной энергии EN и соответствует скорости испарения воды 82 см в год для всей земной поверхности. По данным Мёллера (Muller, 1957), среднегодовое количество осадков на земном шаре составляет 83 см, причем для северного полушария эта величина равна 82 см. Таким образом, можно считать, что солнечная энергия затрачивается в основном на осуществление гидрологического цикла. Испарение и конвективная передача тепла поглощают 101,7 Вт/м2, или 99,7 % чистой свободной энергии EN. По сравнению с Eтепл и Еисп величины Eбиол и ESS пренебрежимо малы, в особенности при усреднении для длительных периодов времени (за несколько лет) и для больших площадей. Перенос тепла в глубь почвы происходит на глубину 30—50 см при суточных и до 5 м при сезонных колебаниях температуры. Огромное количество тепла поглощает таяние снега или льда.
Передача тепла для свободных водных поверхностей (океаны, озера, реки) невелика при усреднении за длительные периоды времени по большим площадям. Однако это не так для ограниченных площадей и коротких отрезков времени. Теплопередача в движущейся воде ускоряется благодаря возникновению конвекции. Конвективная передача тепла в океанах обычно в 103—104 раз больше, чем кондуктивная теплопередача, характерная для континентальных областей, поэтому приморский климат характеризуется большей стабильностью температур. Когда холодный воздух соприкасается с относительно теплой водой, происходит быстрая передача тепла, например когда зимние арктические воздушные массы проходят над океаническими водами, движущимися из тропических областей. Одна из Зон, где теплообмен может достигать 480 Вт/м2 (Flohn, 1966), расположена к северо-востоку от США.
Биологические процессы по сравнению с испарением и конвективными потерями поглощают небольшое количество энергии (менее 1% EN). Однако это количество энергии поддерживает существование всего живого на Земле. Используемые в настоящее время источники энергии (нефть, газ, уголь) образовались как следствие накопления энергии в результате фотосинтеза.
В глобальном тепловом балансе также существуют системы накопления. Биологические системы накапливают энергию в нефти, газе и угле. Водяной пар и скрытая теплота могут некоторое время (до 11 дней) накапливаться в атмосфере. Океан также является огромным хранилищем энергии. Поскольку время оборота воды в океане может достигать 5000 лет, периоды до проявления последствий протекающих здесь процессов могут быть весьма длительными. Энергия может также накапливаться и высвобождаться в ледовых арктических и антарктических массивах. Период существования льда составляет 104—105 лет (Flohn, 1966).
Общий тепловой баланс и процессы теплопередачи определяют условия среды. Однако для сельского и рыбного хозяйства гораздо важнее местные и региональные энергетические уровни и энергетический обмен. На рис. 3.2 показана зависимость чистой энергии от температуры для северного полушария. Из рисунка также видно, как изменяется величина энергии излучения в зависимости от сезона. Изменения величины поступающей энергии излучения приводят к изменениям температуры, плотности, а иногда и солености воды. Эти изменения в свою очередь вызывают движения водных масс, имеющие большое значение для жизни в водной среде.
На фотосинтез затрачивается менее 1% свободной энергии, достигающей поверхности Земли. По оценке Исаакса (Isaacs, 1969), из каждого миллиона падающих на Землю фотонов только 90 дают энергию, необходимую для основного процесса, обусловливающего производство продуктов питания. По его оценке, 50 фотонов затрачиваются на рост растений на суше, а 40 — на рост фитопланктона в водной среде. На этом основании можно считать, что фотосинтез поглощает около 0,009% падающей энергии. Хотя поверхность Земли на 71% покрыта водой, менее половины энергии, затрачиваемой на фотосинтез, поглощается водными растениями.
Более низкая продуктивность водрой среды обусловлена несколькими причинами. Водные пространства, как правило, не подвергаются какой-либо обработке, в то время как территории суши в основном культивируются. Культивированные площади полнее используют падающую энергию. Кроме того, вода поглощает свет значительно сильнее, чем воздух, поэтому растения, находящиеся даже на незначительной глубине, не получают того количества света, которое падает на поверхность воды. На рис. 3.3 показано, на какую глубину проникает свет в чистой океанической воде. Однопроцентная кривая на этом рисунке определяет фотическую зону — глубину, на которой интенсивность проникающего света составляет 1% интенсивности света, падающего на поверхность воды. Глубже всего проникает голубой свет с длинами волн 450—500 нм. Именно по этой причине вода чаще всего имеет тот или иной оттенок голубого цвета. Возможно, основным фактором, ограничивающим продуктивность водной среды, является отсутствие питательных веществ. На огромных пространствах океанов количество питательных веществ недостаточно для использования растущими растениями всего падающего излучения.
Вместе с тем продуктивность всех растений лимитируется их способностью поглощать и использовать энергию только определенных длин волн. Все растения как на суше, так и в водной среде поглощают свет с помощью нескольких пигментов. Каждый вид растений имеет определенный набор пигментов и может использовать только ту энергию, которую поглощают эти пигменты. В целом растения поглощают свет в видимой части спектра с длиной волны от 400 до 800 нм. На рис. 3.4 приведены спектры поглощения экстрагированного хлорофилла а, β-каротина и неповрежденного листа. Хлорофилл а интенсивно поглощает свет с длиной волны 425 и 650 нм; β-каротин имеет интенсивную область поглощения в диапазоне длин волн от 450 до 500 нм. Другие пигменты интенсивно поглощают свет при различных длинах волн. Поглощение листа определяется суммой поглощения всех имеющихся в нем пигментов. Полное поглощение зависит от содержания пигментов в листе и типа пигментов. На общую поглощающую способность растения влияет его возраст, состояние и адаптация к определенному уровню освещения.
К факторам, лимитирующим продукцию фотосинтеза, относится и так называемое световое насыщение. Любое растение обладает «центрами» поглощения света. Световая энергия, поглощаемая растениями, должна в какой-то точке цепи передачи энергии пройти через хлорофилл а. Поскольку любое растение содержит лишь ограниченное количество хлорофилла а, оно может использовать только такое количество энергии, которое необходимо для поддержания непрерывной активности молекул хлорофилла а. Энергия излучения, превышающая уровень насыщения, не может быть использована растением. Для некоторых растений лимитирующим фактором может быть не содержание хлорофилла а, а, например, недостаток поглощающих пигментов. На рис. 3.5 упрощенно показан процесс светового насыщения. При низких уровнях освещенности скорость фотосинтеза растет с увеличением освещенности. По достижении некоторого значения интенсивности света, называемого уровнем насыщения, продукция фотосинтеза уже не возрастает при дальнейшем увеличении интенсивности света. На рисунке показано (кривая А) резкое изменение наклона кривой в точке насыщения. Для реальных растений этот переход происходит более плавно (кривая В).
Различные растения имеют разный уровень светового насыщения. На уровень насыщения влияет генетическое строение, состояние растения, относительный возраст, приспособленность к определенному уровню интенсивности света. Не исключено, что уровень насыщения растения, ранее приспособленного к низкой освещенности и помещенного на достаточно длительный срок в условия с более высокой освещенностью, может повыситься. Однако это справедливо не для всех растений, поскольку избыточный свет может замедлять фотосинтез. Взрослое растение может эффективнее использовать свет, чем то же растение на более ранней или более поздней стадии развития.
Явление светового насыщения для некоторых видов фитопланктона показано на рис. 3.6. Заметим однако, что виды живущие вблизи поверхности или в тропиках, т. е. в областях с повышенной интенсивностью света, имеют более высокий уровень светового насыщения.
С инженерной точки зрения интересна производительность системы на единицу потребляемой энергии. Растения, способные фотосинтезировать, производят органическое вещество из неорганических материалов под действием световой энергии. Часть органических веществ разрушается в процессе дыхания, необходимого для жизнедеятельности растений. Процесс дыхания протекает как .в темноте, так и на свету. На рис. 3.7 показано влияние этих процессов на гипотетическое растение при усреднении по некоторому периоду времени. При этом сделано допущение, что потери на дыхание не зависят от падающего излучения. Такое допущение вполне обосновано, поскольку все параметры среды, кроме интенсивности падающего света, остаются постоянными. На рис. 3.7 рассматривается случай, когда световое насыщение не достигается. Влево от точки А находится область, где растение использует собственные пищевые резервы для обеспечения своей жизнедеятельности. В этой области растение в конце концов погибнет, поскольку оно тратит больше питательных веществ, чем вырабатывает. В точке А продукция равна затратам на дыхание, такое растение не будет ни расти, ни размножаться, т. е. потери на дыхание составляют 100%. Справа от точки А продукция фотосинтеза превышает потребности на дыхание. Растение получает достаточно энергии для роста и размножения. По мере увеличения интенсивности падающего света возрастает и продукция фотосинтеза; потери на дыхание уменьшаются, поскольку они постоянны, т. е. не зависят от падающего излучения. С биологической точки зрения максимум продукции совпадает с максимумом интенсивности падающего света, поскольку здесь минимальны потери на дыхание.
Снимая ограничение, принятое для рис. 3.7, получим схему, приведенную на рис. 3.8. Здесь световое насыщение достигается в точке В. Слева от точки В картина аналогична представленной на рис. 3.7. Справа от точки В продукция фотосинтеза с возрастанием величины падающей энергии остается постоянной, так же как и потери на дыхание. С биологической точки зрения справа от точки В продуктивность растения одинакова для любой интенсивности света. Если растение получает энергию от солнца, которое является природным источником излучения, с экономической точки зрения безразлично, в какой области справа от точки В функционирует система. Однако, если энергия не бесплатная, например при использовании в качестве источников излучения люминесцентных ламп, важно, чтобы система работала в точке В или ниже. Максимальная биологическая эффективность достигается в точке В. Однако в зависимости от соотношения стоимостей электроэнергии и продукции, производимой на каждую дополнительную единицу интенсивности света, для достижения минимальной стоимости продукции, возможно, целесообразно, чтобы система функционировала в точке, расположенной несколько ниже точки максимальной биологической эффективности. Для снижения затрат на производство продукции необходимо иметь кривые биологической эффективности, а также данные о стоимости электроэнергии и цене производимой продукции. В реальных ситуациях необходимо учитывать стоимость рабочей силы, требуемые капиталовложения и другие затраты, но в данном примере эти расходы не учитывались.
В системах, где основным источником энергии является солнечное излучение, например озера, пруды, реки, эстуарии и океаны, следует стремиться к максимальной биологической продуктивности, если это не противоречит другим поставленным задачам, например организации зон отдыха. При создании систем, в которых используются искусственные источники энергии, необходимо определять соотношение затрат и прибыли для всех компонентов системы в целях установления наиболее эффективных уровней используемой энергии излучения.
Термические характеристики
По сравнению с другими параметрами температура воды, по-видимому, оказывает наибольшее влияние на существование живых организмов в водных системах. Температура воды влияет на ее плотность, а поскольку образование градиентов плотности является основной причиной возникновения циркуляций в природных системах, можно считать, что температура оказывает как прямое, так и косвенное влияние на водную среду. Следствием высокой теплоемкости воды является отсутствие в ней резких перепадов температуры, поэтому термические условия среды в водных системах более стабильны, чем в системах, существующих на суше.
Термические условия водной среды определяются полученной энергией излучения. Сезонные или широтные изменения количества попадающей на Землю энергии являются основной движущей силой круговорота воды озер, океанической циркуляции и других перемещений воды. Однако термические характеристики пресной и соленой воды различны, поэтому правильнее рассматривать отдельно пресноводные и солоноводные системы.