Энергия солнца на Земле

На верхней границе атмосфера Земли получает инсоляцию, равную 1,39 кВт•/м^—2, или 1,39×10³Дж•м^—2•с^—1. Это так называемая «солнечная постоянная» (e_o), которую примем за 100%. Значение e_o в действительности меняется в течение года: на ±1,5% из-за изменения потока солнечного излучения во времени; на ±4% из-за изменения расстояния между Землей и Солнцем в течение года (рис. 1). Кроме того, солнечное излучение меняется и по годам из-за изменения интенсивности по так называемым многолетним годовым циклам солнечной активности. Из них наиболее известен цикл Вольфа, равный 11 годам (рис. 2). Из сказанного следует, что для получения достаточно доверительных результатов фотоэлектрических расчетов требуется наличие длительных периодов наблюдений за солнечным излучением – не менее 25—50 лет в зависимости от вида расчетов.

Основные газы атмосферы (азот, кислород) почти не поглощают инсоляции, но вот переменные её составные части сильно поглощают именно длинноволновую часть излучения. Особенно хорошо она поглощается и рассеивается водяными парами, меньше — окислами азота и соединениями углерода, пылью и т. д. Большое значение в поглощении имеют углекислый газ и озон. При прохождении через атмосферу 25% тепловых лучей (инсоляции) рассеивается молекулами воздуха, пылью, водяными парами; эту часть называют «диффузным рассеянием». При этом 9% возвращается обратно в космос, т.е. остается так называемая рассеянная радиация неба, или противоизлучение, равное 16%. Далее, 33% от общей солнечной радиации составляет отражение от облаков и тоже уходит в космос. Таким образом, из солнечной постоянной для Земли теряется 42%. Поэтому говорят, что отражение, или альбедо Земли, равно 0,42 (или 42%). Следовательно, в атмосферу проникает только 58% от общего солнечного излучения. 15% общей инсоляции поглощается газами при прохождении через атмосферу, что вызывает частичное нагревание воздушной оболочки. То есть до земной поверхности доходит лишь 43% от общей инсоляции (солнечной постоянной, e_o). Но из этих 43%, как мы уже говорили, 16% составляют рассеянную радиацию неба (или противоизлучение). В итоге из прямого солнечного излучения (солнечной постоянной) до поверхности Земли доходит только 27% (рис. 3, 4).

На всю поверхность Земли приходится около 0,85—1,2×10¹⁴ кВт или 7,5—10×10¹⁷ кВт×ч/год при среднем удельном поступлении солнечной инсоляции 200—250 Вт/м² или 1752—2190 кВт×ч/м²×год. При этом диапазон удельного прихода солнечной энергии на Землю меняется весьма значительно, как во времени, так и по ее территории: 170—1000 Вт/м² или 17—100×10⁴ Вт×ч/км². Приход всех прочих видов энергии составляет всего 19 кВт/км², что говорит об огромных возможностях солнечной энергии на Земле.

Если принять, что мощность всех видов энергоустановок на Земле составляет сегодня около 10 ТВт или 10×10⁹ кВт, то мощность солнечной энергии превышает современные потребности человечества в тысячи раз.

Основной естественный потребитель солнечной энергии на Земле — зелёные растения (фотоавтотрофы). Пигменты фотоавтотрофов, поглощая кванты солнечных лучей, преобразуют их энергию в энергию разделенных электрических зарядов, что, в конечном счете, приводит к формированию химических связей высокоэнергетических органических соединений. Этот процесс составляет важнейший на Земле фотобиологический процесс — фотосинтез. Помимо того, что в ходе фотосинтеза запасается свободная энергия, процесс этот сопровождается выделением в атмосферу молекулярного кислорода, образующегося при фоторазложении воды. Благодаря фотосинтезу, в атмосфере поддерживается постоянное нужное для животных и человека содержание кислорода. Мир гетеротрофных организмов — преобладающая часть бактерий, животные и человек — потребляют для своей жизнедеятельности свободную энергию, запасаемую фотоавтотрофными организмами, способными осуществлять фотосинтетический процесс.

Масштабы фотосинтеза на Земле грандиозны. При помощи энергии Солнца и СO₂ атмосферы каждый год фотосинтезирующими организмами Земли создаётся около 2,4•10¹⁰ т органического углерода. Еще выше продуктивность фотоавтотрофов Мирового океана, синтезирующих до 1,55•10¹¹ т углерода в составе органических веществ. Для сравнения укажем, что современный земной расход энергии человеком, который для этой цели использует нефть и каменный уголь, существенно ниже — 3,4•10⁹ т органического углерода (рис. 6).

За этот же промежуток времени приблизительно такое же количество живого вещества окисляется, превращаясь в CO₂ и H₂O в результате дыхания живых организмов. За последние 150 лет существенное влияние на состав атмосферы оказала хозяйственная деятельность человека (активное использование человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива и вырубка лесов) — концентрация CO₂ в атмосфере значительно повысилась, что создало глобальную проблему в связи с изменением климата. Начиная с 2000 г. скорость прироста CO₂ в атмосфере Земли составляет 1,7% ежегодно.

Попадающая на Землю энергия солнечных лучей огромна — 20,9•10²⁰ кДж/мин (5•10²⁰ ккал/мин). Зеленые растения усваивают до 2% энергии солнечных лучей, достигающих земной поверхности. Остальное излучение преобразуется в энергию, которая идет на испарение и нагрев воды, нагрев атмосферы, образование ветров, волн, течений и т.д. Энергия этого излучения такжеи доступна нам, как неисчерпаемый источник альтернативной энергии.