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深度科普:地球一直在吸收太陽能量,為何還會能源稀缺呢?

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太陽每秒鐘電磁輻射高達 3.827×10的26次方瓦,這一數值被稱為光度值 。而地球上每平方米大約能接收到 1367 瓦特的能量,此為太陽常數。



地球的截面積約是 127,400,000 平方公里,經計算可得,地球每秒從太陽接收約 1.74×10的17次方焦耳能量。這是個極為龐大的能量數值,是人類所需能量的數千倍 。做個形象的對比,1945 年美國在廣島和長崎丟下的原子彈釋放能量約為 5.5×10的13次方焦,也就是說,地球每秒接收到太陽的能量相當于 2091 顆廣島原子彈釋放的能量,其數量之巨,超乎想象。

盡管地球接收的太陽能數量驚人,但并非全部被地球留存利用。

實際上,大氣層大約要反射 34% 的太陽光 ,所以真正到達地面的太陽能大約是每秒 1.15×10的17次方焦耳。當地球吸收太陽能之后,溫度會隨之升高,隨后便會以紅外線的方式向外界散熱。一般來說,散發的熱量與地球溫度成正比關系,即溫度越高,散發的熱量越多。當溫度保持穩定時,地球吸收的能量和散發的能量就基本相等了 。這就好比一個天平,當兩邊的重量達到一致時,天平就會處于平衡狀態,地球的能量收支也是如此。



值得一提的是,當大氣中的二氧化碳增多后,會出現一種特殊情況。一部分本來被地球散熱出去的紅外線,會又被反射回來,就像給地球蓋了一層更厚的 “棉被”,導致地球不容易散發熱量,這便是我們常說的 “溫室效應” 。它在一定程度上打破了地球原本較為穩定的能量收支平衡狀態,進而對地球的氣候和生態系統產生一系列深遠影響。

最重要的是,我們需要明白一個關鍵概念,那就是并非所有能量都能為人類所用,只有低熵的能量才具備實用價值 ,而高熵的能量往往難以被利用。



熵,是衡量系統混亂程度的物理量,熵越低,意味著系統越有序 。低熵能量之所以有用,是因為它處于一種不平衡的狀態,蘊含著能夠做功的能力,比如水壩后的水,由于水位差的存在,具有勢能,是有用的低熵能量,當它向下流動時,可以推動水輪機轉動,進而轉化為電能 。

又比如,一杯熱水含有熱能,可以使放入其中的冰塊融化,這個過程中,熱水的能量得到了利用,實現了能量的轉化。

然而,高熵能量則是無序的,難以被人類利用。像馬路上行駛車輛產生的噪音、地球每天夜里向太空輻射的紅外線,以及放在地面上物體的勢能(在沒有高度差變化的情況下),這些都屬于高熵能量 ,它們無法直接被用于驅動機器、提供動力等實際用途。

從能量轉化的角度來看,熵增是一個不可逆的過程。

以汽車運行過程為例,汽油和空氣中含有的是低熵的化學能,當它們混合在一起燃燒時,化學能轉化為機械能,讓汽車得以跑起來 。但在這個過程中,除了產生有用的機械能外,還會產生大量沒用且高熵的熱量和噪音 。能量總量雖然保持不變,但有用的低熵能量卻轉化為了難以利用的高熵能量,這就是熵增的體現,它導致了有用能量的減少 。

再比如,在一個孤立的房間里,如果不對其進行整理,隨著時間推移,物品會越來越雜亂,灰塵也會逐漸增多,房間的熵值就會不斷增加,這同樣體現了熵增的不可逆性。



從地球生物的角度來看,全球的植物對太陽光的利用率大約只有 1% 到 5% 。植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能,儲存于自身的有機物中,這是地球上生物利用太陽能的重要途徑 。然而,如此低的利用率意味著大部分太陽能在這個過程中被浪費了。

以一片廣袤的森林為例,雖然森林覆蓋面積較大,但其中植物真正能夠吸收并轉化為生物能的太陽能,僅僅是照射到森林區域太陽能總量的極小一部分 。這是因為植物自身的生理結構和光合作用機制存在一定的局限性,無法充分捕捉和利用所有照射到它們身上的太陽光 。而且,不同植物種類對太陽能的利用效率也有所差異,一些生長在陰暗環境下的植物,其對太陽能的利用能力更為有限 。

如果上升到宇宙的高度,我們的宇宙都被熵所掌控,最終走向“熱寂”的宿命。



氫氣,擁有宇宙中最低的熵能,恒星的熔爐內氫氣消耗之際,便誕生了較為低級的能量形態——熱輻射與太陽能。

太陽作為地球的能量供應站,提供以低熵、易用的太陽能,其中最主要的載體是可見光子。

這些攜帶低熵能的光子,抵達地球后經多重轉化,逐級消散,最終以高熵形態散射回宇宙——紅外線。

每當地球捕捉到一個可見光子,作為回應,它向宇宙輻射出大約20個紅外光子。

也就是說,盡管地球吸收和釋放的能量平衡,但熵值卻增加了整整20倍。

實際上,太陽是我們現成能量的救世主,在陰冷寂靜的星際空間里,它是唯一閃耀發熱的天體。

設想一下,如果星河彼岸也同太陽一般熾熱,地球雖會迎來更多能量的沐浴,卻也會迅即地達到一個高熵的均溫狀態。

倘若一切皆熱如太陽,那便沒有了駕駛的可能,生存亦無從談起,問題并非在于能量的匱乏,而是當一切能量均等分布,便無所作為。

在那樣的平衡狀態之下,所有能量淪為無用的高熵態,且永恒不變,于是,運動不復存在,這便是宇宙盡頭的“熱寂”之說。



萬事萬物皆化為能量,卻淪為寂靜的能量平衡態。

當一切熵增到頂點,時間本身也會變得毫無意義。

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