big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Роль солнечной энергии в энергетике земной коры

Солнце (из внешних энергетических источников) да тепло распада радиоактивных элементов (из внутренних источников) относятся к постоянно действующим, а для земной коры — к «вечно» действующим источникам энергии.

Постоянно действует в условиях земной коры и сила приливного трения, но сама приливная волна является следствием внешних космических сил, вызываемых вращением Земли и обращением ее вокруг Солнца, а Луны вокруг Земли. Силы приливного трения нагляднее и лучше, чем другие, показывают, что в условиях земной коры проявление тектонической и другой активности вызывается влиянием не какой-либо одной внутренней или внешней силы, а, как правило, взаимодействием нескольких сил.

К важнейшим характерным особенностям энергетических источников, пригодных для объяснения активности земной коры, наряду с требованием огромной длительности действия источника должно быть отнесено и требование соответствующей их мощности. С этой точки зрения заслуживают сравнения такие источники, как органическое вещество и тепло распада радиоактивных веществ. Но поскольку энергия органического вещества является лишь частью лучистой солнечной, то следует сравнить количественные характеристики радиогенного и солнечного тепла.

Представляет интерес определить расчетную температуру поверхности Земли, если бы она не получала солнечного тепла, а ее температура зависела бы только от теплового потока (1,2 10-6 кал∙см-2∙сек-1).

Расчетная температура определяется по уравнению Стефана — Больцмана:

где Е — полное излучение абсолютно черного тела;  σ — постоянная Стефана — Больцмана, равная 1,3710-12 кал∙см-2 ∙сек-1 град-4. Подставляя значения в формулу, получим, что температура поверхности Земли при этих условиях будет равна 30° К, или минус 243° С.

Следует отметить, что если тепловой поток увеличится в 10 раз, то и этого количества тепла не хватит для нагрева поверхности Земли, поскольку ее температура повысится только до 54° К.

Совсем иначе выглядят значения расчетных разновесных температур поверхности Земли, если их рассчитывать по количеству тепла, приходящего на Землю от Солнца.

Солнечная постоянная на расстоянии Земли и Луны от Солнца равна 33,410-3 кал∙сек-1 на 1см2 поверхности, перпендикулярно поставленной к солнечным лучам. Поскольку поверхность планет шарообразная, то ее площадь (4πr2) больше поверхности круга (πr2), поставленного перпендикулярно к лучам Солнца, в четыре раза. Следовательно, на 1 см2 поверхности земного шара приходится только 8,3∙10-3 калсек-1.

При установившемся за миллиарды лет равновесии прихода и расхода тепла поверхность земного шара должна, согласно уравнению Стефана — Больцмана, иметь среднюю температуру 280° К, или 7° С.

В действительности экваториальные области получают больше среднего количества. Планеты с малым наклоном оси вращения, например Луна, в областях, прилегающих к полюсам, почти совсем не получают солнечного света. Поэтому там температура не отличается от расчетной, близкой к абсолютному нулю.

Большое значение для формирования действительного температурного поля имеет наличие или отсутствие атмосферы. На Земле температура приближается к среднему значению, что определяется интенсивностью циркуляции атмосферы и связанного с этим перемещением тепла.

Каковы бы ни были источники тепла, создающего температуру недр Земли, ее значение зависит от температуры поверхности, ибо от этого зависят градиент температуры в недрах, скорость охлаждения и конечная температура, ниже которой тело охладиться не может.

С точки зрения выяснения активной роли органического вещества в создании температуры земных недр, является важным не только то, как велики ресурсы этого вещества, но и то, как органическое вещество может непосредственно или косвенно влиять на температуру внутренних слоев Земли и какой глубины может достигать это влияние?

Относительно общего количества органического вещества, появившегося на Земле за время существования жизни, высказываются различные оценки, чаще занижающие, чем завышающие, его значение. Еще недавно было принято считать, что жизнь на Земле появилась не более чем полмиллиарда лет назад. Но теперь имеются доказательства, что жизнь на Земле существует не менее 3 млрд. лет.

В настоящее время на 1 м2 поверхности суши за год вырастает в среднем 1—1,5 кг растительного вещества в пересчете на сухое. Это значит, что за 2—3 млрд. лет могла вырасти такая масса вещества, которая по объему превосходит объем всего земного шара. Все это вещество подвергается окислению, служит кормом для мира простейших и для мира животных, которые, уничтожая растительность, превращают ее в конце концов опять в двуокись углерода и в воду. Солнечная энергия, заключенная в растительном веществе, при таких превращениях не имеет видимого отношения к процессам, повышающим температуру недр.

Однако это не так. Во-первых, продукты распада органического вещества попадают в водные растворы, которые проникают в недра. Именно о них и о их роли писал В. И. Вернадский: «Природные водные растворы не являются инертным телом в земной коре. Они — носители огромной энергии и производят огромную работу. Вся земная кора проникнута работой и энергией: жизнь вносит энергию Солнца во всякий водный раствор».

Во-вторых, органическое вещество участвует в круговороте твердого вещества, поскольку оно содержится в осадочных породах. При существующих темпах эрозии материкового вещества (12 км3) в океанические осадочные породы ежегодно попадает сотни миллионов тонн органического вещества.

Значительно труднее определить количество органического вещества, которое в растворенном виде поступает в недра земной коры и, попадая в слои, где господствуют высокие давления и повышенные температуры, претерпевает превращения, идущие с выделением тепла, а следовательно, сопровождаются нагревом вмещающих пород. Такой нагрев земной коры не находится в противоречии с повышением температуры недр с глубиной, ибо выделение тепла происходит преимущественно на глубине, а не только в верхних слоях. Особенно это относится к тому органическому веществу, которое вместе с твердым веществом материков, участвуя в круговороте, попадает в пределы верхней мантии, где оно наиболее интенсивно может отдавать тепло, заключенное в нем.

Велики ли ресурсы органического вещества, попадающего тем или иным путем в нижние горизонты земной коры или верхней мантии?

Соизмеримо ли количество тепла, заключенного в органическом веществе, находящемся в недрах, с расходами тепловой энергии, например с расходами тепла на тепловой поток, величина которого в среднем составляет 40 кал/см2 в год. Если выразить тепловой поток в тоннах условного топлива, то его значение для всей поверхности земного шара выразится величиной, соответствующей 25 млрд. т в год.

Кроме того солнечного тепла, которое вносится в недра земной коры с рассеянным и растворенным в воде органическим веществом, солнечное тепло попадает и с неорганическим веществом, участвующим в круговороте. Сюда относится перенос тепла, поглощаемого растворами при их образовании.

Известно, что растворение минеральных веществ в воде идет, как правило, с поглощением тепла. Следовательно, образование растворов, опускающихся сквозь кору материков к поверхности Мохоровичича, сопровождается отъемом тепла у тех пород, компоненты которых переходят в раствор. Последующее выпадение растворенных веществ из растворов у поверхности Мохоровичича, при переходе растворов в надкритическое состояние, должно сопровождаться выделением поглощенного тепла.

На поглощение солнечного тепла и на возможность перемещения его в недра земной коры уже было обращено внимание. Особое значение в процессах поглощения солнечного тепла Н. В. Белов и В. И. Лебедев придавали процессам каолинизации, в больших масштабах протекающим на дневной поверхности. По их расчетам, тепло, поглощенное на поверхности при разложении сложных соединений на окислы или при отщеплении кремнезема, должно выделяться в недрах при высоких давлениях и температурах. Если такие процессы действительно имеют место, то обоснованный в данной работе круговорот вещества, смываемого в океаны и перемещающегося в пределах мантии под материки, показывает пути, которыми солнечное тепло попадает в верхнюю мантию. Эти же авторы обратили внимание на то, что солнечное тепло поглощается минеральным веществом в процессах его эрозии. Энергия измельчения пород выделяется затем в недрах при образовании из них новых кристаллических пород.

Обсуждая вопросы энергетики процессов, определяющих сложную и многообразную активность земной коры, надо подчеркнуть, что органическое вещество обладает существенными преимуществами перед таким источником, каким является распад радиоактивных веществ. Радиогенное вещество, строго говоря, не является постоянным по мощности — его мощность уменьшилась за последние 4 млрд. лет только по длительно живущим элементам не менее чем в четыре раза. Если принять во внимание, что в начальный период жизни Земли в ее составе участвовали и коротко живущие радиоактивные элементы, то о постоянстве мощности источников радиогенного тепла говорить трудно. В отличие от этого постоянство органического вещества как энергетического источника не имеет причин для изменения — его мощность определяется такими независимыми постоянными, как солнечная постоянная, которая, судя по наличию и по устойчивости видов растительности, вполне оправдывает свое название, и такая постоянная, как поверхность Земли, на которой произрастает органическое вещество. Постоянство выделения энергии в недрах земной коры из органического вещества определяется темпами эрозии материков, т. е. темпами круговорота твердого вещества, который, в свою очередь, зависит от солнечной постоянной.

В круговорот вещества земной коры входят все геологические и геохимические трансформации вещества в микро- и макромасштабах. Образование континентов и океанов, горных сооружений и геосинклиналей, так же как образование магматических и осадочных пород, горючих ископаемых, рудных месторождений и многие другие особенности строения и состава земной коры континентов и океанов — все это результат и следствие постоянно действующего круговорота вещества земной коры.

Как уже было сказано, ни внутренняя энергия, ни солнечная не могут изменять химический состав и производить геотектоническую работу, связанную с круговоротом вещества, без участия воды, причем обязательно воды, покрывающей часть поверхности Земли. Только круговорот воды, проникающей сквозь материки под океаны и в океаны, существующий за счет солнечной энергии, создает условия для круговорота твердого вещества материков, океанического дна и верхних горизонтов мантии Земли.

Ресурсы и особенности органического вещества как источника заключенной в нем солнечной энергии позволяют утверждать, что оно играет определенную роль в жизни земной коры. В. И. Вернадский писал: «Через живое вещество энергия Солнца постепенно передается в более глубокие части планеты — ее коры».

Наконец, с целью показать ни с чем не соизмеримые возможности органического вещества как геохимического фактора можно рассмотреть принципиальную возможность восстановления железа для образования ядра Земли.

Обычно полагают, что железное ядро образовалось в результате простого расслоения, когда при достаточной температуре железо, как тяжелое и плавкое вещество, опустилось к центру Земли. Но для того чтобы эта гипотеза была вероятной, надо предположить, что свободное железо, а также и такие свободные элементы, как золото, платина, серебро, медь, сера, углерод и многие другие, находились в свободном состоянии изначально в исходном веществе, из которого образовалась Земля.

Конечно, никто не будет предполагать, что все перечисленные элементы были в свободном состоянии изначально. Совершенно ясно, что они восстановлены в результате взаимодействия с восстановителями, главным образом органическим веществом.

Для железа делается исключение потому, что его очень много. В составе Земли доля железа, по-видимому, достигает 30%.

Так как под 1 м2 поверхности Земли (до ее центра) находится масса вещества, вес которой равен 11,7∙109 кг, на долю железа приходится 3,5 • 109 кг. Чтобы восстановить такое количество железа, например, по уравнению

необходимо участие 0,40∙109 кг углерода. Если восстановлено не все железо, а только половина его, то потребовалось бы в два раза меньше углерода, т. е. 0,20 • 109 кг с 1 м2 поверхности земного шара.

Восстановление железа могло происходить на протяжении существования жизни, т. е. на протяжении — 3 млрд. лет, тогда ежегодно должно было принять участие 0,2∙109 : 3∙109 = 0,007 кг, или 70 г, органического углерода. Так как на 1 м2 земной поверхности ежегодно вырастает в десятки, сотни и даже в тысячи раз больше растительного вещества, то величина в 70 г/год не является неприемлемой. Кроме органического вещества, привносимого в недра с земной поверхности, в восстановлении железа могло участвовать и то органическое вещество, которое содержалось в материи, из которой образовалась Земля. Это делает предположение о железном ядре Земли более обоснованным, чем предположение о существовании свободного железа в том облаке, из которого образовалась Земля.

Пример возможности восстановления железа имеет только принципиальное значение и ни в какой мере не является доказательством того, что железное ядро Земли образовалось именно таким путем. Однако показанная принципиальная возможность восстановления такого, можно сказать, планетарного количества железа является убедительным свидетельством в пользу ни с чем не соизмеримых возможностей органического вещества.

Энергетическая и геохимическая роль органического вещества так велика, что переоценить ее невозможно. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.