Сторінка
9

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Термодинамічна система Світового океану занадто складна і є предметом розгляду спеціальних підручників, але навіть з наведеного нами (1.3) загального огляду законів термодинаміки ми усвідомлюємо їх значення для наукового пізнання глобальних природних процесів у гідросфері, законів розмноження і міграції її тваринного світу, отже, і розробку та впровадження оптимальних систем природокористування гідросферою — економіки ноосфери.

У зв’язку з цим звернімо ще раз увагу на наведені вище (табл. 14) термодинамічні властивості води. Якщо порівняти їх з такими самими характеристиками будь-яких інших хімічних сполук, то не важко зрозуміти, чому для виконання функцій біосферного акумулятора і перенесення енергії для вирівнювання температур різних регіонів Землі — від екватора до полюсів, вони є абсолютно унікальними.

По-перше, вода має найвищу, порівняно з будь-якою іншою речовиною, теплоту випаровування (табл. 16), завдяки чому встановлюється енергетичний баланс між сонячною радіацією і роботою на випаровування води, отже наші водоймища зберігаються навіть на спекотному екваторі. Випаровування води, а потім її кон­денсація сприяють вирівнюванню і пом’якшенню клімату на різних широтах.

По-друге, висока питома теплоємність води (табл. 16), поряд з винятково високою теплотою випаровування, зумовлює необхідність великої кількості енергії, щоб нагріти воду до температур, вищих за гранично допустимі для живих організмів, а тим більше до кипіння. Водночас різниця в температурі води в різних регіонах Світового океану є термодинамічним фактором переміщення океанських мас води.

По-третє, високий показник теплоти плавлення (табл. 16) і низька теплопровідність льоду (табл. 16) захищають флору і фауну грунту від переохолодження взимку, а разом з аномальним збільшенням об’єму за замерзання води це запобігає зануренню льоду під воду в річках і озерах і їхньому повному промерзанню.

Енергетичний баланс (%) сонячної радіації Е, поглинутої біосферою, можна виразити рівнянням:

Е = Е1n + Е2 + Е3 + Е4 = 65 + 33 + 1 + ~ 1,

де Е1n — пряме перетворення в тепло (океану і суходолу);

Е2 — виконання роботи на випаровування води — осади;

Е3 — енергія, акумульована за фотосинтезу;

Е4 — робота з переміщення вітру, хвиль, течій.

Слід зазначити, що основна частка сонячної енергії витрачається на нагрів і випаровування води океанів, озер і річок та переміщення її разом з повітрям у глобальному кругообігу.

З поверхні Океану щорічно випаровується близько 450 тис. km3 води (4,5 · 1017 kg).

З’ясуємо, яку кількість енергії необхідно витратити на випаровування такої маси води, використавши дані ентальпії DHвип за середньої температури океану 10°С (табл. 16):

Евип. = m · DHвип = 4,5 · 1017 kg · 2,4 МJ/kg @ 1018 J.

Куди зникає енергія, поглинена водою?

У розділі термодинаміки ми розглядали термодинамічний цикл витрати енергії на нагрів і роботу випаровування води, наступну її конденсацію і охолодження. Згідно з другим законом термодинаміки будь-який вид енергії в кінцевому підсумку розсіюється, тяжіючи до зменшення температурного градієнта, тобто розподіляючись у формі теплової енергії. Таке явище відоме як «старіння» системи. Нашій Землі ще далеко до стану енергетичної рівноваги. Величезні маси води, підняті в тропосферу, переносяться разом з повітрям згідно із законами термодинаміки від «нагрітих» низьких широт до «холодних» високих, від екватора до полюсів. У цьому процесі проявляється дія «природної теплової машини» з циклом Карно. Відповідно до такого циклу, визначивши середні температури «підігрівача» (екваторіальні широти — Тн = 303 К) і «холодильника» (приполярні широти — Тх = 243), розрахуємо коефіцієнт конверсії (корисної дії), витраченої на виконання такої роботи сонячної енергії — η:

.

Отже, понад 80% поглинутої в процесі випаровування води енергії за принципом «ідеальної теплової машини» буде витрачено на нагрівання повітря і поверхні землі в холодних регіонах на такі атмосферні явища, як циклони, тайфуни, смерчі, а також на відновлення потенційної енергії річкових басейнів. Значна частка сонячної енергії, яка початково акумулюється біосферою, у наступних процесах глобальних термодинамічних циклів розсіюється біосферою в космічний простір. Щодо цього, то відомий сучасний еколог Ю. Одум порівнював сили природи із зусиллями людини, яка крутить ступальне колесо, намагаючись «піднятись» по його східцях. Результат начебто нульовий, але колесо крутиться. І саме це «обертання колеса» біосфери є її найважливішим процесом поряд з феноменом фотосинтезу. Якби його не було, то припинились би опади (дощі, сніг), зникла б вода в річках, льодовики сповзли б в океан, грунти перестали б зволожуватись… Якою була б сама біосфера, важко навіть уявити!

Літосфера

Літосфера в системі біосфери (поряд з атмосферою і гідросферою) є третьою сферою, її твердю, «домівкою» живих організмів, з якої вони беруть «елементи життя», народжуючись, і на яку перетворюються, умираючи й повертаючи все, що було взято. Отже, доречно коротко розглянути саме «елементи життя», первинні «цеглинки», що являють собою відомі нам хімічні елементи. Якщо енергія — це рушійна сила організмів, то хімічні елементи — це матеріальна субстанція, незмін­на основа їхньої будови, дихання, харчування і продуктів обміну. Абіотичне середовище організмів сформоване з різноманітних сполук хімічних елементів, що і визначає його фізичні, хімічні та інші властивості.

Зрозуміло, чому людину завжди цікавило саме те, що є «цеглинками» життя. Цікаві здогадки щодо цього знаходимо ще у стародавніх грецьких філософів: «У цьому світі немає нічого, крім атомів» (Демокріт). Минуло понад дві тисячі років, поки ця думка знайшла наукове підтвердження.

Спинімося на історії пізнання хімічних елементів, на їхньому походженні й поширенні як у біосфері, так і за її межами. Стосовно цього наш співвітчизник, видатний учений М. О. Умов стверджував, що великої мети пізнання природи не можна досягти без розуміння Всесвіту.

Хімічні елементи — матеріальна субстанція Всесвіту і живих організмів

У передмові до своєї книжки «Виникнення світів» професор Вищої Школи у Стокгольмі Сванте Арреніус на початку нашого сторіччя писав: «Проблема розвитку світу … завжди збуджувала особливий інтерес у мислячої частини людства»*. Сподіваємось, що, вивчаючи наш предмет, ми підтверджуємо його думку.

Отже, від думки стародавніх філософів, наведеної вище, до сучасної системи елементів наука у принципі не змінила поглядів на атом, як на першооснову матеріального світу, але в його пізнанні тільки в останні триста років сталися колосальні зміни. 1784 р. відомий французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє всі відомі речовини вперше поділив на два класи: на елементарні (речовини, що не розкладаються на якісь простіші) і складні, утворені з елементарних речовин. Пізніше, на початку ХХ ст., після доведення, що атом побудовано як систему з ядра (протонів і нейтронів) і електронів, справедливість такого визначення елементарних речовин і сполук стала очевидною.