Роль води в тепловому балансі й кругообігу речовин у біосфері

[Колотило Д. М. Технологічні процеси галузей промисловості: навч. посіб. /
за наук. ред. Д. М. Колотила, А. Т. Соколовського. – К.: КНЕУ, 2003. – 380 с]

Як уже зазначалося, загальний об’єм води на земній поверхні становить понад трильйон [Трильйон – за правилом «N» багатозначних чисел 10^6N, де N = 3; за правилом «n – 1» – квінтильйон] (10¹⁸) m³, з яких близько 94 % в океанах, решта – це підземні води – 4 %, льодовики – 1,6 % (понад 24 · 10⁶ km³), вода в озерах (майже в 100 разів менше, ніж у льодовиках). Найменше води в річках – тільки одна десятитисячна процента (1 200 km³) від усієї води планети! Але вже з давніх-давен люди цікавилися, куди течуть річки й чому вода в них не зникає. Біблійний Екклезіяст і цього приводу писав:

Усі річки течуть у море,

а море не переповнюється.

Туди, куди течуть річки,

Туди вони й тектимуть.

І стародавні греки не знали, що річки поповнюються атмосферними опадами. За їхніми уявленнями, води Океану постійно стікали в Тартар, тобто в підземне царство, і виходили знов на поверхню, даючи початок річкам. Хоч у поглядах Арістотеля (IV ст. до н. е.) уже є деяке розуміння зв’язку кругообігу води в атмосфері. «Океанічна» схема вважалася слушною аж до ХV ст.

Перші описи кругообігу води (гідросфери) з’явилися в епоху Відродження в працях геніального вченого Леонардо да Вінчі (1452–1519).

Рушійною силою кругообігу води в біосфері є енергія Сонця, котра, як уже зазначалось, на 98 % перетворюється на теплову енергію поверхні Землі.

Але як відбувається її перетворення на роботу з переміщення величезних мас води? Саме термодинамічними законами перетворення теплової енергії на роботу зумовлюються процеси планетарного кругообігу води.

Океанологічними дослідами встановлено, що найбільш інтенсивне охолодження вод Світового океану відбувається в Північній півкулі в Гренландськім морі, а в Південній – у морі Уедделла. У цих районах Землі протягом усього року темпера­тура повітря завжди нижча, ніж води. Оскільки густина солоної води з глибиною зростає, то поверхневі води, охолоджуючись до –1,8 °С, не опускаються вглиб, а, перетворюючись на кригу меншої теплопровідності, ніж вода, захищають нижні шари води від переохолодження. У такий спосіб відбувається вертикальна стабілізація водних мас: до нижніх шарів постійно надходить більш солона й важка вода з Атлантичного океану.

Термодинамічна система Світового океану занадто складна і є предметом розгляду спеціальних підручників, але навіть із наведеного нами (1.3) загального огляду законів термодинаміки ми усвідомлюємо їх значення для наукового пізнання глобаль­них природних процесів у гідросфері, законів розмноження і міграції її тваринного світу, а отже, і розробку та впровадження оптимальних систем природокористування гідросферою – економіки ноосфери.

У зв’язку із цим звернімо ще раз увагу на наведені вище (табл. 5.1) термодинамічні властивості води. Якщо порівняти їх з такими самими характеристиками будь-яких інших хімічних сполук, то неважко зрозуміти, чому для виконання функцій біосферного акумулятора й перенесення енергії для вирівню­вання температур різних регіонів Землі – від екватора до полюсів, вони є абсолютно унікальними.

Таблиця 5.1

Параметри води (хімічно чистої)

Назва	Позначення і одиниці	Розмір
Температура кипіння	Ткип, К(°С)	373 (100)
Температура плавлення	Тпл, К(°С)	273 (0)
Температура критична	Tкрит, К(°С)	647 (374)
Тиск критичний	Ркрит, МРа (атм)	22,06 (220)
Густина критична	dкрит ., kg/m3
Ентальпія плавлення	Δ Нпл., kJ/mol3
Ентальпія сублімації льоду за 273 К	Δ Нcубл., kJ/mol
Ентальпія випаровування	Δ Нвип., KJ/mol
за 273 … 293 К	44,63
за 373 К	40,66
Густина льоду (тверда фаза)	ρтв., kg/m3
Густина води (рідина) за 293 К (20 °С)	ρрід., kg/m3
Густина max 281 К (4 °С)	»»	1 000
Густина пари за 293 К (20 °С)	ρпар., kg/m3	1,12
Теплоємність води за 293 К (20 °С)		75,34
Вода (пара) за 373 К (100 °С)	»»	36,64
Теплопровідність льоду за 273 К (0 °С)	MW/(m · K)	2,346
Рідини за 293 К 20 (°С)	»»
Електроопір: за 293 К (20 °С)	ρ, Ω · m	18,9 · 10–6

По-перше, вода має найвищу, порівняно з будь-якою іншою речовиною, теплоту випаровування (табл. 5.1), завдяки чому встановлюється енергетичний баланс між сонячною радіацією і роботою на випаровування води, отже наші водоймища збері­гаються навіть на спекотному екваторі. Випаровування води, а потім її конденсація сприяють вирівнюванню і пом’якшенню клімату на різних широтах.

По-друге, висока питома теплоємність води (табл. 5.1), поряд із винятково високою теплотою випаровування, зумовлює необ­хідність великої кількості енергії, щоб нагріти воду до температур, вищих за гранично допустимі для живих організмів, а тим більше до кипіння. Водночас різниця в температурі води в різних регіонах Світового океану є термодинамічним фактором переміщення океанських мас води.

По-третє, високий показник теплоти плавлення (табл. 5.1) і низька теплопровідність льоду (табл. 5.1) захищають флору й фауну ґрунту від переохолодження взимку, а разом з аномаль­ним збільшенням об’єму після замерзання води це запобігає зануренню льоду під воду в річках і озерах і їхньому повному промерзанню.

Енергетичний баланс (%) сонячної радіації Е, поглинутої біосферою, можна обчислити за допомогою рівняння:

де Е _{1 n} – пряме перетворення в тепло (океану і суходолу);

Е ₂ – виконання роботи на випаровування води – осади;

Е ₃ – енергія, акумульована за фотосинтезу;

Е ₄ – робота з переміщення вітру, хвиль, течій.

Слід зазначити, що основна частка сонячної енергії витра­чається на нагрівання й випаровування води океанів, озер і річок та переміщення її разом із повітрям у глобальному кругообігу.

З поверхні океану щорічно випаровується близько 450 тис. km³ води (4,5 · 10¹⁷ kg).

З’ясуємо, яку кількість енергії необхідно витратити на випаровування такої маси води, використавши дані ентальпії D H_вип. за середньої температури океану 10 °С (табл. 5.1):

Куди зникає енергія, поглинена водою?

Згідно з другим законом термодинаміки будь-який вид енергії в кінцевому підсумку розсіюється, тяжіючи до зменшення тем­пературного градієнта, тобто розподіляючись у формі теплової енергії. Таке явище відоме як «старіння» системи. Нашій Землі ще далеко до стану енергетичної рівноваги. Величезні маси води, підняті в тропосферу, переносяться разом із повітрям згідно із законами термодинаміки від «нагрітих» низьких широт до «холодних» високих, від екватора до полюсів. У цьому процесі проявляється дія «природної теплової машини» із циклом Карно. Відповідно до такого циклу, визначивши середні температури «підігрівача» (екваторіальні широти – Т_н = 303 К) і «холодильника» (приполярні широти – Т_х = 243), розрахуємо коефіцієнт конверсії (корисної дії), витраченої на виконання такої роботи сонячної енергії – η:

або 18 %.

Отже, понад 80 % поглинутої в процесі випаровування води енергії за принципом «ідеальної теплової машини» буде витрачено на нагрівання повітря і поверхні землі в холодних регіонах на такі атмосферні явища, як циклони, тайфуни, смерчі, а також на відновлення потенційної енергії річкових басейнів. Значна частка сонячної енергії, яка початково акумулюється біосферою, у наступних процесах глобальних термодинамічних циклів розсіюється біосферою в космічний простір. Відомий сучасний еколог Ю. Одум порівнював сили природи із зусиллями людини, яка крутить ступальне колесо, намагаючись «піднятись» по його східцях. Результат начебто нульовий, але колесо крутиться. І саме це «обертання колеса» біосфери є її найважливішим процесом поряд із феноменом фотосинтезу. Якби його не було, то припинились би опади (дощі, сніг), зникла б вода в річках, льодовики сповзли б в океан, ґрунти перестали б зволожуватись… Якою була б сама біосфера, важко навіть уявити!

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: