Поток энергии в биосфере складывается из энергии Солнца и внутренней энергии Земли. Однако энергетический обмен охватывает все составные части биосферы, включая и живое вещество.

Биосфера представляет собой сбалансированную самоорганизующуюся систему. Этот баланс осуществляется с участием энергии солнечного излучения, тепла Земли, живого вещества, энергии геологических процессов, гравитационного влияния естественного спутника Земли – Луны. Возмущающим фактором естественных процессов, происходящих в биосфере, является хозяйственная деятельность человека.

Биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В год до Земли доходит около 10²⁴ Дж солнечной энергии; 42 % из неё отражается обратно в космос, а остальное поглощается. Другим источником энергии является тепло земных недр. 20 % энергии переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10 % расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана.

Около 99% солнечного излучения, попадающего на Землю, сосредоточено в интервале длин волн 0,2 – 4 мкм. Из них почти 50% приходится на лучи видимой части спектра 0,38 – 0,77 мкм. Остальная часть лежит в области ультрафиолетовой и инфракрасной части спектра. Почти 30% солнечной энергии сразу же отражается атмосферой и облаками в космос, 8% поглощается пылью, 10% – водяным паром, озоном и другими газами. И только 52% солнечного излучения достигает поверхности Земли. Но и на этом уровне 10% теряется за счет альбедо (отражения) и почти половина энергии используется в процессах транспирации и испарениях. В распоряжении экосистем остается 40% излучения, из которых только четверть используется растениями при фотосинтезе:

фотосинтез потребляет (+ 667 ккал) на число молекул реакции

————————————————–>

nCO₂ + 2nH₂O + энергия излучения → nO₂ + nH₂O + [Cn(H₂O)n]

<————————————————– моносахарид

дыхание, минерализация органического вещества (-667ккал)

Зелёные растения преобразуют в процессе фотосинтеза около 10²² Дж в год, поглощают 1,7·10⁸ т CO₂, выделяют около 11,5·10⁷ т кислорода и испаряют 1,6·10¹³ т воды. Исчезновение растений привело бы к накоплению диоксида углерода и уменьшению концентрации кислорода, что непременно бы сказалось на условиях существования жизни. катастрофическому накоплению углекислоты в атмосфере, и через сотню лет жизнь на Земле в её нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходит почти такое же по масштабам окисление органических веществ в процессах дыхания и разложения.

Поскольку хлорофилл и другие, близкие к нему пигменты, поглощают энергию, сосредоточенную в длинах волн 0,4 – 0,5 мкм (голубые) и 0,61 – 0,69 мкм (красные), то в реальных условиях только 10% энергии, получаемой растениями, идет в биомассу. Таким образом, КПД фотосинтеза составляет всего 0,1-1,6%. Но, не смотря на его малую эффективность, именно благодаря фотосинтезу возникла основная масса живого вещества¹.

Возвращаясь к уравнению фотосинтеза, необходимо обратить внимание на то, что в процессе захоронения биомассы в осадочных породах земной коры накапливается громадное количество углеводородов в форме нефти и газа, каменного угля и горючих сланцев в течение многих десятков и сотен миллионов лет. Минерализация органического вещества ведёт к рассеянию части накопленной органическим веществом лучистой энергии Солнца. То есть растения способствуют согреванию биосферы. Человек, добывая это сырье, возвращает энергию в биосферу Земли за несоизмеримо более короткий срок, внося временный энергетический дисбаланс в атмосферу дополнительным поступлением газов, пыли, тепла – продуктов горения. То есть, аккумулированная десятки, сотни миллионов лет назад энергия Солнца в литосфере в форме горючих полезных ископаемых возвращается (рассеивается) в экосферу под влиянием хозяйственной деятельности человека. Эта деятельность не отменяет существо обменных процессов, а влияет только на их скорость. Если увеличение давления хозяйственной деятельности увеличивает скорость обменных процессов в биосфере, то уменьшение – напротив замедляет их. В отсутствие хозяйственной деятельности в прошлом обменные процессы биосферы были сбалансированы естественной скоростью их протекания.

При гибели организмов происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем окисления, гниения и т.д. Отсюда общую реакцию фотосинтеза мы можем выразить в глобальном масштабе следующим образом:

жизнь ————————————————–>

mCO₂ + nH₂O       Сm(H₂O)_n + mO₂

<————————————————– смерть

Этот сбалансированный процесс в биосфере приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Наблюдается примерное планетарное равновесие между производства продукции живого вещества и его разложением.

Помимо солнечной энергии в биосферу поступает энергия внутреннего тепла Земли, которая высвобождается в форме периодически активизирующихся вулканов, а также в форме непрерывного теплового потока из ее глубин за счет существующего термоградиента². Это еще мало востребованный энергетический источник человечеством.

Роль вулканизма в формировании живого вещества на нашей планете огромна. Именно с его помощью формировалась атмосфера и гидросфера, земная кора, а живое вещество активно влияло на направленность изменения состава всех оболочек Земли. По современным данным подводного исследования вулканов в непосредственной близости к ним отмечаются проявления высокоорганизованной формы жизни. Это говорит о том, что не только солнечная энергия явилась причиной возникновения жизни на Земле. Значительная роль в появлении жизни на ранних этапах эволюции Земли могла принадлежать энергии внутреннего тепла планеты (вулканической деятельности под водой и на материках). И лишь позже главная энергетическая составляющая для развития жизни на Земле была связана с солнечной энергией.

Одной из причин формирования устойчивого теплового потока явилась радиоактивность, которая на ранних этапах геологической истории была важнейшим энергетическим фактором, ответственным за формирование эндогенного источника тепла и, вероятно, первых жизненных форм. В последствии, с понижением радиации Земли, развитие и усложнение жизненных форм происходило на фоне непрерывного снижения радиоактивного фона. Таким образом, парадокс заключается в том, что возникновение жизни на Земле обязано радиоактивности в купе с энергетическим потенциалом Солнца и Земли. В то же время высокий радиоактивный фон губителен для высокоорганизованной живой материи.

Значительной внутренней энергией обладает Мировой океан за счёт высокой теплоёмкости воды. Он аккумулирует громадное количество тепла и является, наряду с атмосферой, ледниками, основным фактором, ответственным за формирование климата на Земле. Например, средняя температура поверхности океана близка к 14,6°С, а средняя температура океана близка к 18,4°С. Неравнозначность поверхностной температуры океана и суши, наличие угла наклона земной оси к земной орбите приводит к естественному обмену теплом между океаном, сушей и атмосферой, формируя, т.о., между северным и южным полушариями цикличные сезонные изменения погоды.

Значимыми факторами, влияющими на энергетический баланс биосферы, являются и различные фазовые преобразования воды, вещества во внутренних слоях Земли. Они в общем энергетическом балансе биосферы до сих пор мало исследованы, а, стало быть, не учитываются при построении различных моделей климата. Таким образом, энергетический баланс биосферы в течение миллиардов лет эволюции создал уникальные условия возникновения и поддержания развития жизни.

Ссылки