В географічну оболонку енергія надходить від Сонця (і в цілому з Космосу) і з земних надр. Частина енергії виділяється при гравітаційній взаємодії Землі з найближчими космічними тілами і перш за все з Місяцем і Сонцем. У самій оболонці відбувається трансформація енергії первинного походження в інші форми: довгохвильове випромінювання, енергію хімічних зв'язків, механічну енергію хвиль, вітру, річкової води, океанічних течій і рухомих мас твердого речовини, в тому числі блоків земної кори, і ін.
Енергія земних надр і її прояви. Частина енергії надходить в географічну оболонку із земних надр. Значну роль в якості джерела внутрішньої енергії Землі грають гравітаційна диференціація і ущільнення речовини, в процесі яких за рахунок тертя відбувається виділення теплової енергії. За всю історію Землі звільнилося приблизно 1,6-10 81 Дж (Монін А. С, 1977).
Інше джерело внутрішньої енергії Землі - радіогенний енергія, що виникає при розпаді деяких хімічних елементів. За розрахунками Е. А. Любимова, в результаті радіоактивного розпаду виділилося 0,9-1031 Дж. Якщо прийняти, що за всю історію Землі з її надр розсіялася 0,74-1031 Дж енергії, то всередині планети вже накопичилося 2-1031 Дж тепла , яке викликало розігрів і часткове плавлення надр.
Радянські дослідники В. М. Лебедєв і Н. А. Бєлов вважають, що значна частина внутриземной енергії пов'язана з принесенням енергії з земної поверхні. У багатьох мінералах осадових порід і грунтів алюміній оточений шістьма атомами кисню, а міжатомна відстань складає 0,18-0,2 нм. У магматичних мінералах алюміній оточений, як правило, чотирма атомами кисню при міжатомних відстані 0,16-0,175 нм. Це свідчить про те, що глинисті мінерали в умовах земної поверхні володіють великим запасом внутрішньої енергії, ніж польові шпати та інші алюмосилікати магматичного походження, оскільки для збільшення відстані між атомами потрібно подолати кулонівських сили тяжіння. В даному випадку відбувається поглинання енергії мінералами в біосфері при гіпергенних мінералізації. Надалі при зануренні на великі глибини відбувається переплавлені глинистих мінералів, з яких утворюються польові шпати. При цьому енергія, поглинена на земній поверхні, виділяється у вигляді теплової енергії в надрах.
Глинисті мінерали виступають в ролі своєрідних «горючих копалин», які віддають укладену в них енергію тільки при високих температурах плавлення порід. Аналогічно поводиться кам'яне вугілля, який повинен бути нагрітий до певної температури, щоб почався процес горіння. Елементи, які переносять енергію з земної поверхні в більш глибокі горизонти земної кори, називають «геохімічними акумуляторами». Поки існують великі розбіжності в оцінках енергії цього походження.
Велика частина внутриземной енергії надходить в географічну оболонку у вигляді теплового потоку. За сучасними оцінками, тепловий потік, що йде з надр Землі, становить 0,06 Дж / (м2-с). Найбільш інтенсивний тепловий потік спостерігається в рухомих областях Землі: Тихоокеанському і Середземноморському активних гірських поясах і зонах серединних океанічних хребтів. В окремих районах земної кулі потужність теплового потоку зростає в сотні разів. Наприклад, дуже великий тепловий потік в районі Червоного моря. Приблизно така ж кількість енергії надходить з лавою, попелом, водами і газами при вулканічних виверженнях і значно менше (приблизно на два порядки) - при тектонічних процесах.
Енергія орбітального і осьового обертання Землі. Іншим джерелом енергії, що надходить в географічну оболонку, є гравітаційна взаємодія Землі з космічними тілами і перш за все з Місяцем і Сонцем. В результаті цієї взаємодії виникають припливи і відливи, які особливо помітно проявляються в гідросфері, головним чином в океанах і морях.
Кількість енергії приливної тертя по оцінці Ф. Я. Шипунова (1980) одно 3,5-10-3 Дж / (м2-с). Припускають, що протягом геологічної історії ця величина змінювалася досить сильно, особливо на перших стадіях розвитку планети, коли швидкість її обертання була значно більше, а Місяць розташовувалася набагато ближче до Землі. Розрахунки показують, що при розташуванні Місяця на відстані 6R від Землі (в даний час відстань між ними складає 60R) приливообразующая сила була б приблизно на три порядки більше сучасної, що, природно, сприяло б дуже великий вплив на формування фізико-географічних процесів на земній поверхні.
Припливи і відливи поступово уповільнюють швидкість осьового обертання Землі і тим самим впливають на тепловий режим земної поверхні. Це вплив проявляється через режим освітленості і атмосферну циркуляцію. Під дією уповільнення добового обертання зменшується сила Коріоліса, внаслідок чого спрощуються системи циркуляції. Подовження доби сприяє підвищенню контрастності термічних умов на денний і нічний сторонах Землі. В результаті виникає інша система атмосферної циркуляції, інший річний і добовий хід температури, атмосферних опадів та інших метеорологічних характеристик. Відповідно змінюється і система кліматичних і географічних зон. Отже, відновлення природних умов минулого необхідно вести з урахуванням зміни швидкості осьового обертання Землі.
Надходження сонячної анергії в географічну оболонку. Всі види енергії, що надходить до Землі з Космосу, називають екзогенної. Приблизно 97% цієї енергії становить електромагнітне випромінювання Сонця. Внаслідок малої мінливості інтенсивності сонячної енергії, що надходить на верхню межу атмосфери, потік цієї енергії на 1 см2 земної поверхні в 1 хв був названий сонячної постійної. Вона дорівнює 1,98 кал / (см2-хв), або 1382 Дж / (м2-с), або 1382 Вт / м2. Ця величина прийнята як міжнародний стандарт. Значення сонячної постійної продовжує уточнюватися. Оскільки Земля має форму кулі, лише одна четверта частина цього потоку надходить в середньому на 1 м2 на зовнішню межу атмосфери, або 345,5 Дж / (м2-с).
Електромагнітне випромінювання Сонця містить великий спектр хвиль різної довжини, які виробляють неоднаковий фізичний ефект. Ультракороткохвильова радіація (менш 0,1027 мкм) проникає в атмосферу до висоти 100-200 км над поверхнею Землі. Вона викликає іонізацію молекул. Більш довгі хвилі (0,1027-0,2424 мкм) доходять до висоти 70-80 км і викликають дисоціюють ефект - молекулярні реакції з утворенням іонів-радикалів.
До далекого ультрафіолетового випромінювання відносять хвилі в діапазоні 0,2424-0,2900 мкм. Вони практично повністю поглинаються в шарі максимальної концентрації озону на висоті 15- 25 км. Ці промені викликають дисоціацію молекулярного кисню і утворення озону, нагрівають стратосферу, температура якої тому вище, ніж верхній тропосфери. Хвилі цієї частини спектра є основною причиною утворення іоносфери і озоносфери.
У нижні шари атмосфери і безпосередньо до земної поверхні надходить близьке ультрафіолетове (0,29-0,40 мкм), світлове (видиме світло, 0,4-0,76 »мкм) і близьке інфрачервоне (0,76-2,4 мкм ) випромінювання. Ці хвилі підтримують в географічній оболонці основні фотохімічні і термохімічні реакції без руйнування структури живого речовини. Вони ж складають переважну частину теплової радіації, поглинання якої викликає нагрівання речовини. Одночасно в географічну оболонку надходить радіохвильове випромінювання як від Сонця, так і з Космосу.
Поряд з електромагнітними потоками в атмосферу Землі входять корпускулярні потоки заряджених частинок. Вони володіють невеликою енергією. Їх сумарна потужність в кілька тисяч разів менше електромагнітної енергії Сонця і поступається потужності ендогенної енергії. Вони майже повністю поглинаються на різних рівнях в атмосфері.
Корпускулярні потоки, що йдуть від Сонця і з Космосу, володіють великою мінливістю в часі. В значній мірі це пов'язано з сонячною активністю (див. Гл. I).
Незважаючи на незначну потужність, потоки корпускулярних частинок викликають перебудову поля атмосферного тиску і зміна погодних процесів. Крім того, вони викликають обурення геомагнітного поля, призводять до геомагнітних бурь, роблять сильний вплив на біологічні процеси. Явища, що викликаються корпускулярним потоками, значно перевершують самі ці потоки з енергетичної потужності. Це свідчить про сигнальному характер дій (див. Гл. V). Нижче наведено співвідношення різних потоків енергії, які надходять в географічну оболонку (за даними Ф. Я. Шипунова, 1980).
Порівняння різних потоків енергії показує, що сонячна енергія в декілька тисяч разів перевершує всі інші види енергії разом узяті. Однак всі види енергії мають велике значення, оскільки вони відповідальні за різні процеси. Наприклад, кількісно невеликі потоки ендогенного походження є не меншою мірою дифференцирующим природу фактором, ніж сонячна енергія. У зв'язку з цим можна говорити про нерівноцінність видів енергії, бо фізико-географічна робота залежить не тільки від потужності потоку енергії, а й від форми її надходження.
Радіаційний баланс географічної оболонки. Надходить в географічну оболонку енергія відчуває різноманітні перетворення, переходи з однієї геосфери в іншу. Трансформація сонячної енергії починається з її перетворення в атмосфері. За даними К. Я. Кондратьєва (Радіаційні фактори сучасних змін глобального клімату. Л., 1980, с. 78-79), частина радіації (приблизно 25%) поглинається озоном (переважно на висоті 20-30 км), водяною парою, пилом , хмарами. Частина радіації відбивається від верхньої межі хмар. Близько 40% сонячної радіації розсіюється в атмосфері. Трохи менш половини розсіялася радіації направляється до земної поверхні, решта - в космічний простір (рис. III. 1).
Схема середнього річного теплового балансу Землі
Таким чином, приблизно 50% сонячної радіації досягає земної поверхні. Частина цієї радіації (3%) відбивається. Разом з радіацією, відбитої від хмар і молекул повітря, вона становить 28%. Ставлення радіації, що відображається Землею в світовий простір, до сонячної радіації, що надійшла на межу атмосфери, називають планетарним альбедо Землі. Різниця між надійшла радіацією і відображеною становить поглинену радіацію. Вона переходить в теплоту, нагріває земну поверхню. Земна поверхня, нагріваючись, сама стає джерелом випромінювання (будь-яке тіло, що має температуру вище нуля за шкалою Кельвіна, випромінює теплову радіацію). Оскільки температура земної поверхні невелика (від -90 до + 80 ° С), випромінювання поверхні зосереджено в основному в інтервалі хвиль від 4 до 120 мкм (максимум припадає на 10-15 мкм), т. Е. Це невидиме інфрачервоне випромінювання.
Майже 96% випромінювання земної поверхні поглинається атмосферою. Крізь атмосферу проходять промені переважно в смузі 8,5-11,0 мкм. Поглинене земне випромінювання переизлучается атмосферою частково в Космос, а здебільшого в бік земної поверхні, де воно перетворюється в безперервний спектр, який знову направляється до атмосфери. Через атмосферу знову проходять промені в спектрі 8,5-11,0 мкм, а основна частина спектра затримується, нагріваючи атмосферу (див. Рис. III. I). Основними поглиначами земного випромінювання є водяна пара і діоксид вуглецю. Так як атмосфера поглинає 96% довгохвильового випромінювання земної поверхні, створюється так званий тепличний (парниковий, оранжерейний) ефект, що призводить до додаткового нагрівання земної поверхні. Це додаткове нагрівання становить 38 ° С. Воно пов'язане з багаторазовим перенесенням енергії у вигляді довгохвильового випромінювання між земною поверхнею і атмосферою, і назад. Ця обставина пояснює той факт, що випромінювання земної поверхні перевищує величину сонячної радіації, що надходить до верхньої межі атмосфери (див. Рис. III. 1). Зростання вмісту в атмосфері водяної пари і діоксиду вуглецю (основних поглиначів довгих хвиль) призводить до посилення тепличного ефекту. Вміст водяної пари і діоксиду вуглецю необхідно враховувати при відновленні фізико-географічних умов минулого. Не менш важливо уявити їх можливу зміну в майбутньому. У сучасний період спостерігається зростання вмісту СО2 в атмосфері, який, ймовірно, збережеться і надалі. Тому слід очікувати підвищення температури земної поверхні, якщо, звичайно, інші фактори не нейтралізують вплив СО2.
В цілому на земну поверхню надходять потоки прямої сонячної радіації, розсіяної радіації небосхилу і протівоізлученія атмосфери. Втрати радіаційної енергії здійснюються за рахунок відображення і випромінювання. Різниця між надходженнями і втратами становить радіаційний бюджет земної поверхні (залишкову радіацію). Алгебраїчна сума потоків радіації, що приходять на земну поверхню і йдуть від неї, називається радіаційним балансом земної поверхні. У літературі обидва поняття (бюджет і баланс) часто позначаються одним терміном - радіаційний баланс, що не зовсім зручно.
Радіаційний бюджет розраховується за різницею між поглиненої радіацією (Вк) і ефективним випромінюванням (Ееф):
R = В к-Ееф
які, в свою чергу, визначаються в такий спосіб:
В к = (S + D) -O і Ееф = Е3-Е а
де S - пряма радіація, D - розсіяна радіація (в сумі вони становлять сумарну радіацію), О відображена радіація, Е3 - випромінювання земної поверхні, Еа - протівоізлученіе атмосфери (т. е. випромінювання атмосфери, спрямоване до земної поверхні). Повний рівняння радіаційного балансу земної поверхні має наступний вигляд:
R = (S + D) -O-Е3 + Еа
Для розрахунку величини радіаційного бюджету земної поверхні скористаємося даними рис. III. 1. Зі схеми видно, що радіаційний бюджет дорівнює 29% прийдешньої на верхню межу атмосфери сонячної радіації (оскільки поглинена радіація поверхні дорівнює 47%, а ефективне випромінювання - 18%). Внаслідок кулястої форми планети в середньому до зовнішньої межі атмосфери надходить лише 1/4 частина сонячної радіації, або 345,5 Дж / (м2-с) (сонячна постійна, як було сказано вище, приймається рівною 1382 Дж / (м2-с) . Отже, радіаційний бюджет дорівнює 29% від 345,5 Дж / (м2-с), або 100,2 Дж / (м2-с). У сумі за рік (середня величина для всієї земної поверхні) бюджет становить 3,16- 109 Дж / м2.
Територіально радіаційний бюджет сильно коливається: в полярних районах він негативний, в екваторіальних зростає до 4,8-109 Дж / (м2-год). Спостерігаються також річні та добові коливання величин радіаційного бюджету.
Середній багаторічний річна сума радіаційного бюджету (див .: Фізико-географічний атлас світу, 1967, с. 23) характеризується слабкими градієнтами в тропічних і екваторіальних районах і швидким спадання в помірних і субполярних широтах. Характерно збільшення бюджету на поверхні океану в порівнянні з материками. Це пояснюється головним чином більш високим альбедо поверхні материків.
Радіаційний бюджет підстильної поверхні є тією частиною радіаційної енергії, яка витрачається на різноманітні процеси: випаровування, танення льодів, нагрівання води та повітря, переміщення повітряних мас в атмосфері і водних мас в океані, вивітрювання гірських порід, фотосинтез, ерозію і багато інших.
Радіаційний бюджет атмосфери на відміну від земної поверхні негативний. Атмосфера випромінює в Космос і в сторону земної поверхні більше енергії, ніж поглинає. Середня величина радіаційного бюджету атмосфери 3,16-109 Дж / (м2-год), т. Е. Вона дорівнює по абсолютній величині радіаційного бюджету земної поверхні.
Надлишок радіаційної енергії земної поверхні витрачається на підтримку різноманітних фізико-географічних процесів, в результаті яких радіація переходить здебільшого в теплоту. В атмосфері недолік радіаційної енергії компенсується приходом тепла, яка виділяється при перетворенні радіаційного бюджету земної поверхні. Компенсація здійснюється шляхом перенесення енергії при фазових переходах води (випаровування - конденсація, 83% радіаційного бюджету) і турбулентним шляхом (17% радіаційного бюджету, див. Рис. III. 1).
В цілому Земля як планета втрачає приблизно стільки ж радіаційної енергії, скільки отримує, тому говорять, що Земля знаходиться в стані радіаційного, або променистого, рівноваги. Слід зазначити, що невелика частина сонячної енергії, що переходить в процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків, вилучається з кругообігу і захороняется в товщі земної кори.