Энергопотребление и биосфера

 

 

 

 

 

 

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И БИОСФЕРА

реферат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение           3

1. Жизнь как термодинамический  процесс      4

2. Энергопотребление и биосфера        9 

3. Народонаселение и устойчивость  биосферы      12

4. Рост уровня производства и неравномерность потребления как

    фактор нарушения устойчивости       14

5. Антропогенное энергопотребление  как критерий устойчивости биосферы 16

6. Экологическая характеристика  источников энергии     20

6.1. Экологическая характеристика  гидроэнергетики.    —

6.2. Экологическая характеристика  атомных электростанций   23

6.3. Экологическая характеристика  альтернативных источников энергии.

       Солнечные батареи или СЭС       27

6.4. Ветровые электростанции (ВЭС)      29

6.5. Геотермальные электростанции (ГеоГЭС)     30

Заключение           31

Список использованной литературы и источников     33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Жизнь как термодинамический процесс

Химические превращения в природе и все биологические процессы в экосистемах подчиняются законам термодинамики. Согласно первому закону, называемому законом сохранения энергии, для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной.

Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.

Согласно второму закону термодинамики, называемому законом энтропии, процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). И действительно, теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает!).

Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия 1 (от греч. еп — в, внутрь, trope — поворот, превращение). В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (AS) или равно нулю (при обратимых процессах) или больше нуля (при необратимых процессах). Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности); таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка. Второй закон термодинамики можно сформулировать иначе: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100% .

Согласно третьему закону термодинамики, при стремлении абсолютной̆ температуры простых кристаллических тел к нулю абсолютное значение их энтропии также стремится к нулю.

Энергия характеризуется не только ее количеством, но и качеством. Чем более «концентрирован» энергетический̆ поток, тем выше его качество — способность превращаться в другую форму энергии (или соотношение части энергии, способной сконцентрироваться, и рассеиваемой части энергии). В пищевой цепи и цепи получения электроэнергии (рис. 1), включающей этап фоссилизации 2, количество энергии всегда уменьшается, а ее качество — увеличивается.

 

                                                     б)

Рис. 1. Схема повышения качества и снижения количества энергии, идущей от Солнца, при ее преобразовании в пищевой цепи (а) и цепи получения электроэнергии (б) (по Г. Одуму, Э. Одуму, Ю. Одуму). Цифры — любые относительные единицы.

Важнейшая особенность живых организмов, экосистем и биосферы в целом — это способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Следовательно, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики.

Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии без ее возникновения или исчезновения. Суть жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений.

Внутри Солнца происходят термоядерные реакции (аналогичные реакции протекают при взрыве водородной бомбы). Энергия этих реакций переходит в энергию света, т.е. энергию квантов излучения, испускаемого Солнцем.

Из Космоса на Землю (к верхней границе атмосферы) поступает солнечный свет с энергией 5 МДж*м~2 'ч- 1 (1360 Вт*м-2, или 2кал*см-2 *мин-1 — солнечная постоянная), создавая освещенность 140 000 лк. Однако при прохождении через атмосферу он становится слабее. Попадая на почву, воду и прочие компоненты косной природы (табл. 6.2), солнечный свет нагревает их и таким образом преобразуется в теплоту, рассеивающуюся в конце концов в космическом пространстве.

Зеленые растения преобразуют энергию фотонов солнечного света в энергию химических связей сложных органических соединений, которые продолжают свой путь по разветвленным пищевым сетям природных экосистем. Однако в некоторых местах (например, на болотах, в устьях рек и морях) часть органических растительных веществ, попав на дно, покрывается песком раньше, чем станет пищей для животных или микроорганизмов. При наличии определенной температуры и давления грунтовых пород в течение тысяч и миллионов лет из органических веществ образуются уголь, нефть и прочее ископаемое топливо.

В XIX и особенно в XX вв. эти запасы разрабатывали и использовали для удовлетворения потребностей человека так интенсивно, что близко и удобно расположенные залежи стали исчерпываться, а поиски новых месторождений завели далеко в море, в отдаленные районы Сибири и Крайнего Севера. Не случайно преобразование энергии горючего, атомной энергии и других форм концентрированной энергии в современном индустриальном обществе, а также возникающие экологические проблемы привлекают особое внимание.

Таблица 1. Потоки энергии у земной поверхности (по В. Г. Горшкову)

Энергетический поток	Мощность, ТВт *
Солнечная Энергия Поглощение атмосферой и земной поверхностью  Поглощение океаном Расход на испарение в атмосфере Турбулентные потоки тепла Перенос теплоты с экватора к полюсам: - атмосферой - океаном Поглощение сушей Испарение:  - сушей (эвакотранспирация)  - растениями (транспирация) Ветер Океанские волны Фотосинтез Гравитационная энергия падения всех осадков  Энергия рек	100 000 80 000 40 000 10 000 10 000   2 000 20 000     5 000 3 000 2 000 1 000 100 100 3
Другие виды энергии Геотермальная Вулканов и гейзеров Приливов океанов Лунного света, падающего на поверхность Земли Света, падающего на Землю от всех звезд	30 0,3 1 0,5 0,001
Современное мировое энергопотребление человечества	10

*ТВт=1012 Вт

Таким образом, жизнь представляет собой процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче ее по пищевым цепям. Человеческая цивилизация — это лишь одно из замечательных явлений природы, всецело зависящее от постоянного притока концентрированной энергии.

Для биосферы допустимо потребление на какие-либо иные (кроме собственных) нужды не более 1% от ее общей первичной продукции. Это также следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10% — беспозвоночные как консументы низших порядков и оставшуюся часть — бактерии и грибы-сапрофаги.

Как только человечество на грани XIX и XX вв. стало использовать большее количество 3, так, вероятно, с величины 0,5% от общей энергетики биосферы прекратилось действие компенсационного механизма на основе принципа Ле Шателье—Брауна: растительность прекратила давать прирост биомассы, пропорциональный увеличению концентрации С02 в атмосфере, и т. д.

Ориентировочный порог потребления 5—10% от суммы веществ, приводящий при переходе через него к заметным изменениям в природных системах, достаточно признан, хотя принят преимущественно на эмпирико-интуитивном уровне. Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1% (правило 1%) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода системы из стационарного состояния, а на уровне 10% — порог саморазрушения системы.

Особое значение имеет момент «выхода из стационарного состояния ». Для глобальной энергетической системы (коей является биосфера) этот процесс, по мнению Н. Ф. Реймерса, начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1—0,2% от величины общепланетарных процессов, т. е. намного раньше, чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье— Брауна, и происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Энергопотребление и деятельность человека

2.1. Энергопотребление как  фактор нагрузки на биосферу.

К концу второго тысячелетия человечество приобрело принципиально новые знания об окружающем его мире, следствием которых стал крах культивируемой в течение многих веков и тысячелетий антропоцентрической системы жизни. Это новое знание можно сформулировать следующим образом: ни один биологический вид, включая человека, не имеет долговременной возможности выхода из отведенной ему эволюцией биосферы экологической ниши, определяющей долю потребления этим видом продукции биоты и других материальных и энергетических ресурсов Земли. Фактически к концу ХХ столетия человек как биологический вид далеко превысил отведенные ему пределы, что привело к выходу из устойчивого равновесия и процессам разрушения биосферы Земли.

Нагрузка на биосферу складывается из двух связанных между собой видов антропогенного воздействия: биопотребления - потребления части биоты в виде пищи (человеком и домашними животными) и древесины; энергопотребления - потребления энергии, в основном ископаемого топлива, в результате всех видов хозяйственной деятельности - промышленного и сельскохозяйственного производства, транспортных перевозок и т.п.

Исследование не затронутой деятельностью человека природы показывает, что распределение в потреблении и переработке биоты имеет пропорции, показанные на рис. 2.

Рис. 2. Значение видового разнообразия биоты в сохранении устойчивости биосферы (пунктиром показано превышение человеком своей доли в глобальном экологическом балансе); b — относительная доля в общем балансе переработки органических веществ; L — характерный размер организмов.

 

Из него видно, что в естественных сообществах млекопитающие потребляют не более 1 % продукции биоты (в энергетическом эквиваленте это составляет 1012 Вт = 1 Твт энергии в год). Оставшиеся 99 % (~99 ТВт) потребляются остальными видами сообщества, которые и содержат окружающую среду в равновесном состоянии. На сегодняшний день человек примерно в 7 раз превысил "разрешенную" ему долю в глобальном экологическом балансе. Динамика антропогенного потребления приведена на рис. 3:

 

Рис. 3. Динамика антропогенного энергопотребления:

1 - энергопотребление ( в основном  за счет ископаемого топлива) ;

2 - биопотребление ( потребление  энергии с пищей и за счет  использования древесины)

 

Как видно из рис. 3, человек с ростом производства и потребления энергии, главным образом за счет невозобновляемых ископаемых органических ресурсов и древесины, уже в начале века вывел биосферу из области устойчивости в зону разрушения. Дальнейшее наращивание производства энергии даже втрое приведет к пересечению климатического предела и полному разбалансированию биосферы с катастрофическими последствиями. В настоящее время для оценки антропогенного воздействия на биосферу отдельно взятой страны предложен индекс антропогенной нагрузки на биосферу I. Его можно представить как отношение плотности мощности нагрузки (то есть часть нагрузки, приходящейся на единицу площади страны - квадратный километр) для определенного государства к плотности мощности нагрузки для всей суши планеты (без Антарктиды). Плотность мощности антропогенной нагрузки складывается из плотностей мощности биопотребления Pб и энергопотребления Pэ. Таким образом,