Энергетические потоки в геосистемах

Одной из главнейших составляющих функционирования природных и измененных человеком геосистем является обмен энергией и ее трансформация. Энергетические связи между компонентами геосистем реализуются в

энергетических потоках путем передачи энергии и часто неразделимы с вещественными, осуществляются одновременно с потоками воздуха, воды, твердых масс, с перемещением живых организмов.

Функционирование геосистем (круговорот веществ, почвообразование, деятельность живых организмов) невозможно без постоянного притока энергии. В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным компонентам геосистемы и которые могут многократно использоваться, вступать в круговорот, энергия может использоваться только один раз, т.е. имеет место однонаправленный поток энергии через геосистему, обусловленный действием фундаментальных законов термодинамики: сохранения энергии и энтропии, т.е. меры внутренней неупорядоченности системы. Первый закон термодина-

- 29 -

мики гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, в потенциальную энергию пищи или гумуса почвы), но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Это означает, что самопроизвольное превращение энергии возможно только при ее переходе из концентрированной формы в рассеянную. Компоненты геосистем способны повышать степень своей внутренней упорядоченности за счет постоянного притока энергии извне, т.е. уменьшать свою энтропию, особенно это ярко проявляется в живых организмах, в росте плодородия почвы за счет накопления гумуса, при образовании органогенных горных пород (торфа, угля, сланцев, нефти, газов). Упорядоченность проявляется также в структурированности компонентов, например, в наличии четко выраженных слоев почвы, выполняющих разные функции.

Источники энергии на Земле разные: энергия Солнца, приток энергии из глубинных слоев Земли, энергия, выделяемая при фазовых переходах, при смачивании, экзотермических биохимических реакциях, но первый источник является главенствующим.

Рассмотрим трансформацию солнечной энергии вблизи поверхности Земли (радиационный баланс). Коротковолновая солнечная радиация J_к дает осредненный поток тепла у поверхности земли, примерно равный 2 кал/см²/мин на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. Это колоссальное количество энергии. Поступление тепла непосредственно на деятельную поверхность (растительный покров и поверхность почвы) зависит от географического положения, времени года и часа суток, а также от рельефа (крутизны и экспозиции склона).

Растительный покров и почва отражают часть коротковолновой радиации J_от, отношение J_от/J_к = a_s называется альбедо и зависит от вида и окраски поверхности. Так, для снежного покрова альбедо составляет 0,88…0,91, для травяного покрова - 0,26, сухого серозема - 0,25…0,30, влажного серозема - 0,10…0,12, для влажного чернозема -0,08. Следовательно, изменение вида и

окраски поверхности существенно изменяет приток тепла в почву. С учетом альбедо в почву поступает поток тепла, вызванный коротковолновой радиацией, равный J_п = J(1 -a_s).

Почва, как всякое нагретое тело, излучает тепло в длинноволновой части спектра: J_з =bsq⁴ (здесь b - отношение излучения почвой к излучению абсолютно черным телом, примерно равное 0,90…0,95, s - постоянная излучения абсолютно черным телом, q - его абсолютная температура). На деятельную поверхность возвращается часть энергии, отраженной в длинноволновой части спектра приземными слоями атмосферы, облачным покровом J_а.

- 30 -

В сумме указанные потоки радиационного тепла образуют радиационный баланс деятельной поверхности:

R = J(1 - a_s) - J_з + J_а.

В суточном разрезе радиационный баланс достигает максимума в солнечный полдень, в течение года он сильно изменяется и зимой может становиться отрицательным. Этот радиационный поток энергии трансформируется в растительном покрове и в почвенном слое в тепловую, ее баланс имеет вид:

;

где LE_c –затраты тепла на суммарное испарение E_c, включающее транспирацию растением и испарение с поверхности почвы, L –теплота парообразования; эта составляющая теплового баланса наиболее существенная, на нее приходится около 80…90 % радиационного баланса; B – приток тепла в почву из глубинных горизонтов, его направление может меняться в разные сезоны года; P – конвективный обмен теплом с приземным слоем атмосферы за счет нагревания воздуха у самой поверхности почвы и его передвижении вверх, направление этого потока тоже может меняться; Q - затраты энергии на почвообразовательные процессы: выветривание (измельчение) твердой фазы, на эндотермические процессы, перенос веществ по профилю и т.п.; F - затраты энергии на фотосинтез, составляющие не более 1% от радиационного баланса; C_пDq – изменение количества тепла в почве при ее нагревании за балансовый период на Dq ^o, C_п – теплоемкость почвы.

Температура почвы зависит не только от количества поступающего или расходуемого тепла, но и от ее тепловых свойств – теплоемкости и теплопроводности. Теплоемкость – это количество тепла, необходимое на нагревание 1 г почвы (массовая теплоемкость) или 1 см³ (объемная теплоемкость) на 1^о, она зависит от состава почвы – соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз и от количества органического вещества. Так как теплоемкость воды наибольшая – 1кал/г/град (минеральной части – 0,18, гумуса – 0,3, воздуха – 0,0003), то и теплоемкость почвы во многом определяется ее влажностью. Поэтому влажные почвы имеют более стабильный температурный режим, они несколько холоднее, чем сухие.

Анализируя тепловой баланс, можно намечать мероприятия по улучшению температурного режима почв, т.е. проводить тепловые мелиорации.

К ним относятся: изменение структуры радиационного баланса (изменение отражающей способности с помощью покрытий – торф, песок, мел, синтетические пленки и т.п.), изменение тепловых свойств почвы – теплоемкости и теплопроводности (главным образом, путем регулирования влажности, а также добавлением в почву торфа, навоза, песка).

В некоторых случаях применяют прямой подогрев почвы термальными водами тепловых и атомных ТЭЦ вместо охлаждения воды в градирнях. Теплую воду пропускают через систему пластмассовых труб, уложенных в почву на глубину около 0,5м. Такая система построена возле Курской АЭС,

- 31 -

она не только ускоряет сроки созревания растений и повышает их урожай, но при этом уменьшается загрязнение атмосферы, возникающее при охлаждении воды в градирнях.