Энергия в окружающей среде

Глава 1- Энергетика в развитии человеческого общества

Энергия в окружающей среде

Формы и виды энергии. Природная среда использует энергию разных типов. Вплоть до неолитической революции (20-10 тыс. лет назад) человек был естественным элементом биоценоза, а энергетика его деятельности не выходила за рамки естественных биосферных изменений. Освоение земледелия, приручение животных и скотоводство привели к возникновению энергетических циклов антропогенного характера. До середины ХХ века деятельность человека не вызывала возмущений природной среды, поскольку преобладало использование возобновляемой солнечной энергии. Широкое использование ископаемого топлива (сначала угля, а затем нефти и газа) привело к нарушению биогеохимического и термодинамического равновесия окружающей среды [45].

Все виды энергии подразделяют на потенциальную (энергию покоя) и кинетическую (энергию движения).

Потенциальная энергия — это «запасенная» энер­гия, которая потен­ци-ально может быть использована. Приподнятая над равниной гора, вода, удерживаемая плоти­ной, химическая энергия молекул бензина, углеводов, белков и жиров потребляемой пищи – это примеры потенциальной энергии.

Кинетическая энергия проявляется в действиях и движениях тел. Она за­висит от его скорости движения и массы. Кинетиче­ской энергией обладают текущая в русле реки вода, движущийся поток воздуха, падающие при обвале камни, движущийся поезд.

По другой классификации видов энергии различают тепловую, магнитную, электромагнитную, энергию химических связей, ядерную, механическую, электростатическую и электродинамическую.

Теплота (тепловая энергия) фиксирует общее количество энергии движущихся атомов и мо­лекул данного вещества.Тепловая энергия передается:

- конвекцией (т.е. переносом энергии с теплоносителем) – в газах и жидкостях - в воздухе и в воде;

- кондуктивным путем (молекулярная теплопроводность) – во всех вещественных средах;

- скрытым путем – при фазовых переходах вещества: при плавлении и/или испарении тепло затрачивается и консервируется, при конденсации или затвердении – высвобождается;

- гео(био) химическим путем: многие реакции являются эндотермически-ми, т.е. сопровождаются поглощением энергии: поглощенное тепло выделяется затем в других условиях в процессе экзотермических реакций, например при фотосинтезе в зеленых растениях.

Электромагнитная энергия –энергия, передающаяся в форме электро-магнитных волн. Основным источником электромагнитной энергии на Земле является Солнце. От Солнца к Земле направляется поток электромагнитной энергии в широком диапазоне длин волн, который условно разделяют на три зоны: видимые лучи в интервале длин волн λ= 400 нм…760 нм, ультрафиоле-товое излучение с λ < 400 нм и инфракрасное излучение с λ > 760 нм.

Интенсивность солнечной энергии на верхней границе атмосферы- сол-нечная постоянная, равна 1382 Вт/м². С учетом сферичности Земли в среднем лишь примерно 1/4 часть этого потока приходится на единицу площади земли, то есть 345,5 Вт/м².

На высоте свыше 100-200 км над земной поверхностью атмосфера выс-тупает фильтром, поглощающим γ-излучение и коротковолновую ( жесткую ультрафиолетовую) радиацию (λ < 100 нм), относящиеся к опасной для живых организмов зоне спектра излучения. В слое максимальной концентрации озона на высоте 15…25 км теряется еще некоторая часть коротковолнового солнеч-ного излучения. Часть солнечного излучения отражается и поглощается облака-ми, а часть - рассеивается в атмосфере и направляется к земной поверхности и в Космос. Поглощение солнечного излучения земной поверхностью приводит к ее нагреванию. Нагретые земные покровы сами становятся источником излучения. Температура земной поверхности колеблется в границах от -90°С до +80 °С. Земные объекты излучают в интервале длин волн от 4 до 120 мкм.

Длинные волны, излучаемые земной поверхностью, в значительной мере задерживаются тропосферой – это 97 % излучения земной поверхности (преимущественно водяным паром и углекислым газом) – она непрозрачна для них. Процесс запирания земного излучения атмосферой получил название парникового эффекта. Атмосфера поглощает большую часть земных лучей, нагревается и излучает инфракрасные лучи. Они направляются в значитель-ной степени к Земле, образуя встречное излучение тропосферы.

Энергия химических связей – солнечнаяэнергия, связанная в процессах химических реакций фотосинтеза в зеленых растениях.

Ядерная энергия - внутренняя энергия атомного ядра, вьделяющаяся при ядерных превращениях. Обусловлена действием внутри атомных ядер сил притяжения между составляющими ядра нуклонами - протонами и нейтронами.

Магнитная энергия.Земля обладает магнитным полем, которое создает вокруг нее магнитосферу. В ней движение заряженных частиц подчинено структуре магнитных силовых линий. Магнитосфера защищает земную поверхность от потока солнечного ветра, губительного для большинства живых организмов. Благодаря ей возникает электризация движущихся частиц воздуха и воды, формирующих электромагнитное поле земли.

Электрическое поле Земли существует во всех средах, составляющих географическую оболочку. Теллурические, т.е. земные, токи естественного происхождения захватывают обширные области (сотни и тысячи квадратных километров) земной коры и океанской воды. Главной причиной их образова-ния считают изменение интенсивности солнечного излучения, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электромагнитное поле.

Механическая энергия – энергия движущихся макросистем (воздушные массы, потоки воды, движение льда и т.д.). Механическая энергия проявляется в связи с действием закона всемирного тяготения в гравитационных взаимодействиях. Все тела в биосфере находятся в гравитационном поле Земли, то есть в поле силы тяжести.

Превращения, хранение и перенос энергии

Все потенциальные виды энергии являются естественными хранилищами энергии. Энергия одного вида может превращаться в другие виды энергии. Например, солнечная энергия преобразуется в тепловую, а затем в энергию ветра, энергию падающей и текущей воды (гидроэнергия), другая часть спектра солнечной энергии – в энергию биомассы (солнечная энергия, преобразованная в растениях в химическую форму). Полезные ископаемые нефть, газ, торф – это тоже хранилища вторичной солнечной энергии, сконцентрированной в биомассе в прошлом.