37501

Bilans energetyczny biosfery

Wszystko, co dzieje się na Ziemi, zarówno zjawiska przyrody nieożywionej, jak i procesy biologiczne, z punktu widzenia fizyki jest pracą polega na przekazywaniu energii lub | inaczej — na przemieszczaniu ciał pod działaniem sił wzdłuż jakiejś drogi. Są dwa źródła energii umożliwiającej wykonywanie pracy na Ziemi: energia cieplna zmagazynowana we wnętrzu Ziemi i wspomagana ciągłym rozpadem pierwiastków promieniotwórczych oraz energia docierająca do Ziemi z Kosmosu, głćwnie ze Słońca, w postaci różnych form promieniowania.

Energia z wnętrza Ziemi ma postać strumienia ciepła, które płynie od gorącego jądra ku chłodniejszej powierzchni i tam się rozprasza, głćwnie w postaci promieniowania podczerwonego. Zanim zostanie wypromieniowane w Kosmos, wykonuje potężną pracę: | konwekcyjny ruch materii płaszcza Ziemi, powodujący wędrówkę kontynentów, trzęsienia { ziemi i wybuchy wulkanów. Mimo że cała ta praca zadziwia nas swoim ogromem, f sumaryczny wypływ ciepła z głębi Ziemi jest stosunkowo niewielki, przeciętnie wynosi | około 80 mWx m~2, od 30-50 mW x rrr2 na obszarze kier kontynentalnych, do około | 120 mW x m"2 w niektórych rejonach oceanicznych. Jest to strumień energii wielokrotnie | słabszy od tego. który dociera spoza Ziemi (mapa wg Chapmana i Pollacka 1975, III z Degensa 1989).

Natężenie promieniowania słonecznego, mierżono prostopadle do kierunku promieniowania pcwyżej atmosfery, wynosi około 1360 Wxm»2 (inaczej: 2 cal x min"1 x cm~2); wartość ta nosi nazwę stałej słonecznej i zmienia się nieznacznie w 11-letnim cyklu aktywności Słońca. Tak zdefiniowane natężenie promieniowania odnosi się do powierzchni przekroju kuli Ziemskiej; aby obliczyć średnie natężenie promieniowania przypadającego na 1 m2 powierzchni Ziemi, stałą słoneczną trzeba podzielić przez 4 (dlatego, że powierzchnia przekroju kuli jest 4 razy mniejsza od jej powierzchni całkowitej). Suma energii docierającej do powierzchni planety wynosi aż 17,34 x 1016 W. Jest to ponad 4000 razy więcej, niż docierająca do powierzchni energia cieplna wnętrza Ziemi.

Bilans energii biosfery, która cienką warstwą pokrywa powierzchnię planety, jest i algebraiczną sumą promieniowania docierającego do Ziemi (jak wyżej) i promieniowania 1; odbitego oraz wyemitowanego przez planetę i jej atmosferę. Około 1/3 energii promienie* i wania odbija się od górnych warstw atmosfery. Nieco mniej (28%) absorbuje powierzchnia I lądów i mórz. Pozostała 1/3 zostaje pochłonięta przez atmosferę, zamieniona na ciepło I i ponownie wyemitowana w przestrzeń albo w kierunku Ziemi, w postaci długofalowego !i promieniowania cieplnego. Natężenie promieniowania docierającego do powierzchni I Ziemi nie jest równomierne, co wynika zarówno z mechaniki ruchu Ziemi wokół Słońca I i wokół własnej, pochylonej osi. jak też z właściwości atmosfery, uzależnionych z kolei od i czynników geograficzno-klimatycznych (rozmieszczenie lądów i mórz, nachylenie stoków, S rodzaj powierzchni). Według bezpośrednich pomiarów rzeczywiste natężenie promieni 6 wania odbieranego przez powierzchnię Ziemi, zmienne w czasie i przestrzeni zawiera ! się między 200 a 1040 W x m-2 (wg Landsberga 1961, z Gatesa 1980):

Energię tę niesie promieniowanie o różnej długości fali; nie ma to znaczenia przy zamianie energii pochłoniętej na ciepło, ale jest istotne, jeżeli chodzi o przenikanie energii promienistej przez bariery (np. przez atmosferę i wodę; p. ryć. 2.2) i o wykorzystanie energii przez fotoautotrofy. Te ostatnie mogą korzystać tylko z wybranych zakresów promieniowania (p. ryć. 4.3). Część widma zawartą w zakresie 380-710 nm (co odpowiada zakresowi absorpcji chlorofilu) nazywa się umownie promieniowaniem czynnym fotosyntetycznie (photosynthetically active radiation - PAR), a natężenie tej części promieniowania słonecznego jest ważnym parametrem opisującym warunki środowiskowe. Zwykle PAR nie przekracza 44% całkowitej energii promieniowania docierającej do poziomu morza. Niektóre fotoautotrofy (np. bakterie) zdolne są do wykorzystywania innych zakresów fal. ale ich znaczenie dla globalnej produkcji pierwotnej jest niewielkie.