м 2

Особенности энергетического баланса Земли
Земля, как и любая другая планета, получая даровую энергию солнечного излучения и переизлучая её в космическое пространство, представляет собой термодинамическую систему открытого типа. Отсюда
следует, что стабильные термодинамические условия на Земле возможны при
равенстве получаемого и отдаваемого количеств энергии — условие
энергетического баланса. Нарушение условия энергетического баланса
неизбежно станет причиной либо разогрева, либо охлаждения планеты.
Жизнь на Земле существует на протяжении нескольких миллиардов
лет. За этот космический срок на нашей планете происходило немало
различных катаклизмов — столкновений с астероидами, похолоданий и
оледенений, грандиозных вулканических извержений и подвижек тектонических плит земной коры. Но ни один из катаклизмов не смог уничтожить
биологическую структуру жизни. Что же определяет невероятно высокую
устойчивость земной биоты, существующей в тонком слое, отделённом от
раскалённых недр планеты, губительного вечного холода и космического
излучения межпланетного пространства?
Известно, что жизнь возможна, за исключением крайне редких и
специфических форм, лишь в пределах от 0 °C до 100 °C. Для большинства
же форм земной жизни оптимальным является температурный интервал в
пределах от +10 до +20 ºC. Исследования горных пород и осадочных
отложений показывают, что именно в этом интервале удерживалась средняя
приземная температура. Современная среднепланетная температура
составляет около +15 °C и сохраняется на протяжении многих столетий с
колебаниями в несколько десятых долей градуса.
Что же определяет такую температурную устойчивость нашей планеты?Земля ежегодно получает неизменную порцию солнечной энергии —
10,5∙106кДж/м2. Около 40% этой энергии отражается облаками и атмосферной пылью и оледенелыми и заснеженными поверхностями без всякого
теплового эффекта. Ещё около 15% поглощается атмосферой, в частности её
озоновым слоем, и превращается в тепло. Оставшиеся 45 % солнечной
энергии, достигнув поверхности, частично расходуются на еёнагрев, а также
поглощаются растениями. Нагреваемый верхний слой Земли сам начинает
излучать тепловую энергию. Это вторичное инфракрасное излучение
частично уходит в космическое пространство, а частично поглощается
атмосферными парниковыми газами, что приводит к разогреву атмосферы,
т. е. к парниковому эффекту.
Парниковые вещества, которые в настоящее время составляют сотые
доли процента от общей массы атмосферы, греют нашу планету. Если бы
парниковых веществ в земной атмосфере не было, средняя глобальная
приземная температура опустилась бы до минус 18°C. Таким образом,
парниковые вещества поднимают температуру поверхности планеты на
33 °C, делая её пригодной для существования жизни. Начинающееся при
отрицательных температурах оледенение планеты увеличивает отражение
солнечной энергии — так, при ярком солнце на снег больно смотреть. Это
быстро приводило бы к понижению средней температуры поверхности
планеты до значений порядка — 100 oС, которые не наблюдаются сейчас
даже в Антарктиде.
Главным парниковым веществом Земли является атмосферная влага,
существующая в форме водяного пара и облачности. Вторым по важности
парниковым веществом является углекислый газ. Поскольку две трети
поверхности Земли занимают океаны, атмосферная концентрация влаги
очень сильно зависит от температуры земной поверхности. При увеличении
температуры поверхности океана на каждые десять градусов, содержание
влаги в атмосфере примерно удваивается [Raval, Ramanathan, 1989].
Важнейшей особенностью теплового баланса планеты (в условиях
отсутствия биологической жизни) является то, что если получаемая энергия
солнечного излучения окажется больше отдаваемой в космос энергии, то по
мере разогрева планеты вторичное инфракрасное излучение будет смещаться
во всё более коротковолновую область спектра (известный физический
эффект), в которой парниковый эффект отсутствует. Следовательно, процесс
разогрева планеты должен закончиться восстановлением теплового равновесия, но уже на более высоком температурном уровне. Аналогичным образом
будет идти охлаждение планеты в случае, если получаемая ею энергия
солнечного излучения окажется меньше отдаваемой в космос тепловой
энергии.
Примерами описанных вариантов развития планетарных процессов
являются планеты Венера и Марс. В результате парникового эффекта Венера
разогрета до устойчивого термодинамического состояния со средней
планетной температурой около + 400 °C. Марс подобным образом охладился
до своего устойчивого термодинамического состояния со средней планетной
температурой, близкой к — 100°C. В отношении Земли не обнаруживается
никаких внешних причин, которые помешали бы изменению её
термодинамического состояния в сторону, близкую к венерианской, или в
сторону, близкую к марсианской. Расчёты показывают, что на это могло бы
понадобиться всего лишь несколько миллионов лет [4].
Но с планетой Земля за несколько миллиардов лет её термодинамического развития пока ещё не случилось ни чрезмерного разогрева, ни
чрезмерного охлаждения. В истории Земли случались ледниковые периоды и
последующие
потепления.
Однако
среднепланетная
температура
поверхности Земли удерживалась в пределах от + 10 °C до + 20 °C. И
единственным удовлетворительным тому объяснением может служить сам
факт присутствия жизни на Земле, играющей роль механизма по поддержанию пригодных для себя термодинамических условий[3, 4,5].
Используя энергию солнечного излучения, биологическая жизнь
создаёт процессы преобразования и стабилизации окружающей среды на
основе замкнутых круговоротов веществ. Организованные самой жизнью
замкнутые круговороты веществ как раз и обеспечивают стабильность
температурных условий на поверхности Земли в пригодном для жизни
интервале температур. Механизм стабилизации условий жизни на Земле
получил название биотической регуляции окружающей среды (подробнее о
биотической регуляции см. п. 8.3).
Согласно теории биотической регуляции [4] единственным объяснением приемлемых для жизни физико-химических условий может служить
сама земная биота. Земная биота сама формирует необходимую для своего
существования окружающую среду и поддерживает её в некоторых
оптимальных для себя пределах, и, следовательно, жизнь есть не только
следствие, но и причина совокупности внешних условий существования.