Энергетические потоки в геосистемах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

Инженерно-экономический факультет

Кафедра природообустройства

Реферат

по дисциплине: «Природно-техногенные комплексы»

на тему: «Энергетические потоки в геосистемах»

Группа: ПВ-13

ФИО студента: Копейцев А.М.

Руководитель: Горбунов А.В.

Екатеринбург - 2015

Геосистема

Географическая система географии и геоэкологии, обозначающая совокупность взаимосвязанных компонентов географической оболочки, объединённых потоками вещества, энергии и информации. Поскольку географические науки занимаются вопросами взаимодействия компонентов природной среды, существует довольно много понятий, близких к понятию геосистемы. В целом, это понятие очень близко к определению биогеоценоза.

Понятие «геосистема» в советскую науку ввёл академик Сочава. Первоначально этот термин использовался только для обозначения природных территориальных систем, в настоящее время он применяется для обозначения социально-экономических и природно-общественных пространственных систем.

Геосистема -- относительно целостное территориальное образование, формирующееся в тесной взаимосвязи и взаимодействии природы, населения и хозяйства, целостность которого определяется прямыми, обратными и преобразованными связями, развивающимися между подсистемами геосистемы. Каждая система обладает определенной структурой, которая формируется из элементов, отношений между ними и их связей с внешней средой. Элемент -- это основная единица системы, выполняющая определенную функцию. В зависимости от масштаба, элемент на определенном уровне представляет собой неделимую единицу. При увеличении уровня разрешения исходный элемент утрачивает свою автономность и становится источником элементов новой системы (подсистемы). Такой подход наиболее важен в географии, оперирующей территориальными системами разных масштабов.

Свойства геосистем

Каждый элемент системы и система в целом характеризуется определенными свойствами. Адекватное познание системы зависит от цели конкретного исследования и определения на этой основе множества наиболее существенных свойств. Исчерпывающе описать систему только через свойства невозможно, в связи с чем важной задачей любого системного исследования является определение ограниченного, конечного множества свойств.

Геосистемы обладают огромным количеством свойств. Главными из них являются:

а) целостность (наличие единой цели и функции); б) эмерджентность (несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных элементов); в) структурность (обусловленность поведения системы ее структурными особенностями); г) автономность (способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией); д) взаимосвязанность системы и среды (система формирует и проявляет свои свойства только в процессе взаимодействия с внешней средой); е) иерархичность (соподчиненность элементов системы); ж) управляемость (наличие внешней или внутренней системы управления); з) устойчивость (стремление к сохранению своей структуры, внутренних и внешних связей); и) множественность описаний (в силу сложности систем и неограниченного количества свойств их познание требует построения множества моделей в зависимости от цели исследования); к) территориальность (размещение в пространстве -- это главное свойство систем, рассматриваемое географией); л) динамичность (развитие систем во времени); сложность (качественные и количественные различия ее элементов и атрибутов).

Энергетические потоки в геосистемах

Одной из главнейших составляющих функционирования природных и измененных человеком геосистем является обмен энергией и ее трансформация. Энергетические связи между компонентами геосистем реализуются в энергетических потоках путем передачи энергии и часто неразделимы с вещественными, осуществляются одновременно с потоками воздуха, воды, твердых масс, с перемещением живых организмов.

Функционирование геосистем (круговорот веществ, почвообразование, деятельность живых организмов) невозможно без постоянного притока энергии. В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным компонентам геосистемы и которые могут многократно использоваться, вступать в круговорот, энергия может использоваться только один раз, т.е. имеет место однонаправленный поток энергии через геосистему, обусловленный действием фундаментальных законов термодинамики: сохранения энергии и энтропии, т.е. меры внутренней неупорядоченности системы.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, в потенциальную энергию пищи или гумуса почвы), но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Это означает, что самопроизвольное превращение энергии возможно только при ее переходе из концентрированной формы в рассеянную. Компоненты геосистем способны повышать степень своей внутренней упорядоченности за счет постоянного притока энергии извне, т.е. уменьшать свою энтропию, особенно это ярко проявляется в живых организмах, в росте плодородия почвы за счет накопления гумуса, при образовании органогенных горных пород (торфа, угля, сланцев, нефти, газов). Упорядоченность проявляется также в структурированности компонентов, например, в наличии четко выраженных слоев почвы, выполняющих разные функции.

Источники энергии на Земле разные: энергия Солнца, приток энергии из глубинных слоев Земли, энергия, выделяемая при фазовых переходах, при смачивании, экзотермических биохимических реакциях, но первый источник является главенствующим.

Рассмотрим трансформацию солнечной энергии вблизи поверхности Земли (радиационный баланс). Коротковолновая солнечная радиация J_к дает осредненный поток тепла у поверхности земли, примерно равный 2 кал/см²/мин на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. Это колоссальное количество энергии. Поступление тепла непосредственно на деятельную поверхность (растительный покров и поверхность почвы) зависит от географического положения, времени года и часа суток, а также от рельефа (крутизны и экспозиции склона).

Растительный покров и почва отражают часть коротковолновой радиации J_от, отношение

J_от/J_к = a_s

называется альбедо и зависит от вида и окраски поверхности. Так, для снежного покрова альбедо составляет 0,88…0,91, для травяного покрова - 0,26, сухого серозема - 0,25…0,30, влажного серозема - 0,10…0,12, для влажного чернозема -0,08. Следовательно, изменение вида и окраски поверхности существенно изменяет приток тепла в почву. С учетом альбедо в почву поступает поток тепла, вызванный коротковолновой радиацией, равный

J_п = J(1 -a_s).

Почва, как всякое нагретое тело, излучает тепло в длинноволновой части спектра:

J_з =bsq⁴

(здесь b - отношение излучения почвой к излучению абсолютно черным телом, примерно равное 0,90…0,95, s - постоянная излучения абсолютно черным телом, q - его абсолютная температура). На деятельную поверхность возвращается часть энергии, отраженной в длинноволновой части спектра приземными слоями атмосферы, облачным покровом J_а.

В сумме указанные потоки радиационного тепла образуют радиационный баланс деятельной поверхности:

R = J(1 - a_s) - J_з + J_а.

В суточном разрезе радиационный баланс достигает максимума в солнечный полдень, в течение года он сильно изменяется и зимой может становиться отрицательным. Этот радиационный поток энергии трансформируется в растительном покрове и в почвенном слое в тепловую.

Температура почвы зависит не только от количества поступающего или расходуемого тепла, но и от ее тепловых свойств - теплоемкости и теплопроводности. Теплоемкость - это количество тепла, необходимое на нагревание 1 г почвы (массовая теплоемкость) или 1 см³ (объемная теплоемкость) на 1^о, она зависит от состава почвы - соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз и от количества органического вещества. Так как теплоемкость воды наибольшая - 1кал/г/град (минеральной части - 0,18, гумуса - 0,3, воздуха - 0,0003), то и теплоемкость почвы во многом определяется ее влажностью. Поэтому влажные почвы имеют более стабильный температурный режим, они несколько холоднее, чем сухие.

Анализируя тепловой баланс, можно намечать мероприятия по улучшению температурного режима почв, т.е. проводить тепловые мелиорации.

К ним относятся: изменение структуры радиационного баланса (изменение отражающей способности с помощью покрытий - торф, песок, мел, синтетические пленки и т.п.), изменение тепловых свойств почвы - теплоемкости и теплопроводности (главным образом, путем регулирования влажности, а также добавлением в почву торфа, навоза, песка).

В некоторых случаях применяют прямой подогрев почвы термальными водами тепловых и атомных ТЭЦ вместо охлаждения воды в градирнях. Теплую воду пропускают через систему пластмассовых труб, уложенных в почву на глубину около 0,5м. Такая система построена возле Курской АЭС, она не только ускоряет сроки созревания растений и повышает их урожай, но при этом уменьшается загрязнение атмосферы, возникающее при охлаждении воды в градирнях.

геосистема баланс энергия

Балансовые уравнения геосиcтем

1. Энергетический баланс. Важнейший энергетический источник функционирования геосистем - лучистая энергия солнца. Доля участия других потоков энергии, связанных с излучением небесных тел, тектоническими процессами, вулканической деятельностью и т. д., весьма небольшая. Обеспеченность солнечной радиацией, ее способность превращаться в тепловую, химическую или механическую энергию определяет интенсивность функционирования геосистем. Все вертикальные и горизонтальные связи в геосистемах прямо или косвенно связаны с трансформацией солнечной энергии. Она обуславливает пространственную и временную упорядоченность метаболизма в геосистемах, цикличность их функционирования.

2. Водный баланс. Влагооборот в геосистемах включает в себя обмен водными потоками между их компонентами и элементами. В процессе превращения, перемещения и изменения водных потоков в них образуются растворы, коллоиды, осуществляется транспортировка и аккумуляция химических элементов, происходят биогеохимические реакции. Интенсивность влагооборота и его структура индивидуальны для различных геосистем и зависят от энергообеспеченности, климатических условий, характера литогенной основы, почв, растительности и других факторов.

Процесс влагооборота в геосистемах может быть описан уравнением водного баланса, отражающим соотношение между его составляющими, то есть статьями прихода и расхода воды. Основной приходной статьей водного баланса является сумма осадков, проступающих в геосистемы из атмосферы (Иос). Часть этих осадков перехватывается растительным покровом (Ирп), остальные в основном поступают на поверхность почвы (Ип) и расходуются на поверхностный сток (Ипов.с), инфильтрацию в почве (Иин) и подземный сток (Иподз.с). К расходным статьям водного баланса геосистем также относятся затраты тепла на физическое испарение с поверхности почвы и растений (Ифи) и транспирацию (Итр). Кроме того, заметную роль в водном балансе геосистем могут играть различные горизонтальные адвекции влаги (Иад). Таким образом, если начальное количество влаги в геосистеме принять за Ин, а конечное за Ик, то уравнение ее водного баланса примет вид: Ик-

Ин= Ирп+ Ип- Ипов.с- Иин- Иподз.с- Ифи- Итр- Иад

Или

?Иг= Иос- Исс- Иси+ Иад,

Где

?Иг= Ик - Ин; Иос= Ирп+ Ип;

Исс= Ипов.с+ Иподз.с+ Иин;

Исс - суммарный сток; Иси - суммарное испарение; ?Иг - водно-балансовый индекс геосистемы.

Если за многолетний период водно-балансовый индекс больше нуля, в геосистеме наблюдается прогрессирующее увлажнение; если меньше - иссушение. Нулевое значение ?Игсоответствует динамическому равновесию водных потоков в геосистеме.

При рассмотрении основных составляющих водного баланса геосистем не было учтено количество воды, расходуемое на фотосинтез и некоторые другие процессы, так как ее количество, как правило, меньше точности определения всех остальных составляющих водного баланса. Однако, ее роль в функционировании геосистем, формировании их геоэкологического потенциала весьма значительна.

3. Биогеохимический баланс.

Специфическим выражением сущности геосистем, позволяющим определить внутренние причины, основу их динамики и развития, выявить значение в формировании геосистем внешних условий, являются процессы образования и разрушения органического вещества, протекающие в рамках биогеохимического цикла их функционирования.

Под биогеохимическим круговоротом понимается вся совокупность процессов обмена веществом между биотическими и абиотическими компонентами геосистем. Основные потоки движения органического вещества в процессе биогеохимического круговорота в геосистемах можно представить в виде балансового уравнения за какой-либо отрезок времени:

?F= Fнф- Fкф = Fос- Fтр+ Fп+ Fс+ Fж± F в± Fа,

где Fнфи Fкф- соответственно начальное и конечное количество органического вещества, образовавшееся в геосистеме в результате фотосинтеза;

?F - коэффициент эффективности биогеохимического цикла геосистемы; Fос - поступление химических элементов с осадками;

Fтр - вынос химических элементов с транспирацией;

Fп - переход химических элементов из отпада и опада в почву и поступление элементов питания в растения;

Fс - вынос или поступление органического вещества с поверхностным, внутрипочвенным и подземным стоком;

Fж - потребление химических элементов животными при поедании растений или поступление химических элементов в почву с трупами животных или их экскрементами и другими выделениями;

Fв - вынос или поступление органического вещества с воздушными массами;

Fа - антропогенное внесение или изъятие органического вещества.

Глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота. Одна из важных количественных характеристик - среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота. Из отдельных химических элементов важнейшими геоэкологическими характеристиками географической среды являются глобальные биогеохимические циклы углерода, азота, фосфора и серы.

При сравнении геосистем по отдельным показателям функционирования обращает на себя внимание их определенное соответствие друг другу. Анализ системы балансовых уравнений дает возможность изучить взаимосвязи и взаимообусловленность их составляющих, выразить эти зависимости в виде уравнений связи двух и более элементов балансов, исследовать процессы их взаимодействия и роль в формировании геоэкологического потенциала геосистем. Он также позволяет выявить наиболее существенные факторы, определяющие условия жизнедеятельности человека, дает возможность количественно оценить их роль и степень участия в формировании среды его обитания.

Следует отметить, что отличительная особенность вещественно-энергетических круговоротов и балансов географической среды - высокая степень их замкнутости и сбалансированности, в то время как деятельность человека ведет к разомкнутости и, следовательно, к неустойчивости геосистем. Нарушения замкнутости как локальных геосистем, так и глобальных циклов приводят к серьезным геоэкологическим проблемам.

Список литературы

1. Врорбуев В.Р. Биоэнергетика и ее задачи // Вестник АН СССР. - 1969 - № 4 С. 78- 80.

2. Горшков В.Г., Дольник В. Р. Энергетика биосферы // Успехи физических наук. - 1980.-Т. 131.-вып. 3. - С. 441-478.

3. Алпатьев А.М Развитие и преобразование, и охрана природной среды. - Л.: Наука, 1983.-240 с.

4. http://lektsii.org/1-81601.html

5. http://www.km.ru/referats/45733BCA69084290AE4E2909283D7ACA

Размещено на Allbest.ru