《资治通鉴》评说

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(二) 地球上的物质循环和能量耗散

(2006-08-06 04:37:57) 下一个

我们地球上用的能量有很多种,如地热是地球自身引力能量压缩地球产生的,潮汐是月亮和太阳对地球引力产生的,核能是宇宙膨胀冷却过程中遗留下来的高能量亚稳态释放的能量。但与地球生物圈息息相关的主要是太阳能,也是我们用得最多的能力。煤和石油都是以前生物界通过光合作用储存下来的太阳能,水电是太阳蒸发海洋的水形成大气水循环产生的,所有动物肌肉产生的能量,都依靠植物光合作用摄取的太阳能。所以,作为零级近似模型,我们只考虑太阳能,这是与人类经济相关的能量。

 

物质和能量的关系就在于运动,而驱动地球上物质运动的就是太阳能(零级近似)。物质运动是能量的载体,能量是物质运动的驱动力。如果地球相对于物质是封闭的,物质运动既不能跑出地球外,也不能从天外跑进来,那么这种物质运动就一定是循环运动,而这运动的形式就是太阳能在地球耗散的过程。这里讲的运动,是广义的运动,即不只是机械运动,还包括化学和生物等其他运动形式。这样,地球就是一个物质封闭而能量开放的系统。

 

如果能量是守恒的,太阳能射入地球后又没有辐射出去,地球的内能就会越来越多,如果这部分能量变成热能,地球就会越来越热。由于物质是运动的,内能不可能无限积累,所以,如果地球是稳定状态,长期平均来说应该是进入地球的能量与地球辐射到宇宙空间的能量相等。太阳能辐射进地球,驱动地球内的物质循环运动以后,又变成红外辐射出去,这整个过程是能量守恒的,这个过程我们称之为耗散过程。

 

物质循环最直观的一个是大气水循环,另一个是植物光合作用的新陈代谢与动物新陈代谢相互形成的碳循环:动物吸收植物中的碳水化合物,呼出二氧化碳,再有光合作用回到碳水化合物。

 

能量耗散最经典的图像是生态中食物链,能量被光合作用吸收到分子链中,然后由一直形式转为另一种形式,最后以体温形式辐射回宇宙。

 

地球上物质是有限的,但由于物质循环,物质对人类产生的效用是无限的,如我们消费粮食,可以经由碳循环再消费第二次,第三次,以致无穷。条件之一是不要破坏了这一循环,循环断了,就会产生污染,就减少了人类可利用的财富。

 

在我们的模型中,物质循环和能力耗散是一个过程的两个方面,没有脱离物质循环的能量耗散,也没有脱离能量耗散的物质循环。

 

这个简化的模型,将地球表述为在太阳能耗散过程中许多循环运动的物质。按照这个模型,人类经济活动,就在于使得这一能量耗散过程产生更多的物质循环、维持这些物质循环、并将这些物质循环纳入人类社会活动中,使得人类活动成为能量耗散过程环节之一,成为物质循环链节之一。

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