Все животные по способу потребления энергии делятся на плотоядных, травоядных и всеядных. Пищевые цепочки могут быть весьма сложными и разветвленными. Но для простоты рассуждений всеядных животных условно разделим на плотоядных и травоядных,. А пищевую цепочку плотоядных животных упростим до трехзвенной: плотоядные – травоядные – растительность.
Допустим, что условно плотоядные виды животных составляют только десятую часть всех видов животных, т.е. их число равно 10 тысячам. Предположим также, что один плотоядный вид в среднем потребляет в 1000 раз меньше энергии, чем человечество. Тогда потребление энергии всеми плотоядными животными в 10 раз превысит потребление энергии человечеством.
Потребление энергии травоядными животными в несколько раз превышает потребление плотоядных ввиду того, что оно должно обеспечить не только потребности плотоядных животных, но и собственное воспроизводство. Допустим, что потребление энергии травоядными в 5 раз превышает потребление плотоядных, или в 50 раз – потребление человечества.
Травоядные животные съедают не всю появляющуюся на планете растительность. Большая часть органической массы растений используется ими для своего воспроизводства и остается нетронутой. Допустим, что запас энергии, оставшийся в растительности, превосходит потребление травоядных животных в 10 раз и, соответственно, в 500 раз потребление человечества. Предположим, что половина этой энергии преобразуется, в конечном счете, в теплоту (использование в качестве топлива, лесные пожары, разложение растительных остатков с выделением тепла, выделение и последующее сгорание в атмосфере метана и др.). Тогда количество консервируемой солнечной энергии превысит потребление человечества в 250 раз.
Несмотря на все опасения, наша оценка величины консервации солнечной энергии оказалась не очень уж приближенной. В пересчете на плотность теплового потока, приходящегося на 1м2 земной поверхности, эта величина составит qконс=0,315 Вт/м2. Очевидно, что на три порядка ошибиться мы не могли, т.к. в этом случае количество консервируемой солнечной энергии превысило бы излучение всей Земли. А вот на один-два порядка занизить реальную величину консервации солнечной энергии мы вполне могли. В этом случае изменения доли солнечной энергии, идущей на консервацию, оказали бы определенное влияние и на изменение климата. Но даже если мы не ошиблись, то определённая нами минимально возможная величина консервации солнечной энергии все равно почти в 20 раз превосходит промышленное потребление энергии. А это означает, что, несмотря на постоянный рост мирового потребления топлива, запасы углерода на планете не уменьшаются, а накапливаются. Вопрос стоит только в доступности этих запасов. Как следует из проведенных расчетов, qя, qпр и qконс на несколько порядков меньше qизл. Следовательно, тепло, поглощаемое Землей, и тепло, излучаемое планетой, являются величинами одного порядка.
Именно под этим названием широкой публике была преподнесена гипотеза о потеплении климата Земли вследствие повышения в её атмосфере концентрации углекислого газа. Между тем, парник на дачном участке – очень слабая аналогия Земли в космосе. Ещё в 1909 г. американский физик Роберт Вуд провёл опыты на модели парника и доказал, что степень поглощения инфракрасного излучения прозрачным покрытием практически не влияет на температурный режим парника. Полученные Вудом на модели результаты совершенно правомерно перенести на парник, но, увы, к теплообмену Земли с космосом они почти никакого отношения не имеют, ибо парник не является моделью Земли. Применительно же к парнику эти результаты большой ценности не представляют, т.к. с теплотехнической точки зрения вполне очевидны.
Благодаря многолетним усилиям массовой пропаганды в обществе сложилось превратное представление о работе довольно простого теплообменного устройства, каковым является парник. Большинство людей убеждено в том, что повышенная температура в парнике обеспечивается оптическими свойствами пленки, якобы пропускающей всю солнечную энергию и задерживающей всё тепло, накопившееся в парнике.
Для того чтобы разобраться с реальными процессами теплообмена между парником и окружающей средой, стоит вспомнить, что в природе, кроме излучения, существуют еще два вида теплопередачи – теплопроводность и конвекция. Обычно мы сталкиваемся с сочетанием всех трех видов теплопередачи. Но в каждом конкретном случае вклад отдельных видов теплопередачи различен. В твердых телах теплота передается теплопроводностью. А конвекция возможна только в текучих средах (газах и жидкостях). Причем, чем больше скорость среды, тем сильнее конвекция.
Парник получает тепло от Солнца только в дневное время, а отдает тепло окружающей среде круглые сутки (если, конечно, температура окружающей среды ниже температуры в парнике). Воздух в парнике изолирован от окружающей среды пленкой, поэтому прямой теплообмен парника с окружающей средой посредством конвекции незначителен (некоторое количество холодного воздуха все-таки проникает в парник через всегда существующие неплотности). Тем не менее, вследствие разности плотностей воздуха, обусловленной неравномерностью температур, в парнике возникает определенное движение воздуха. Такое движение воздуха определяет существование так называемой естественной конвекции.
Благодаря естественной конвекции теплота от нагретой Солнцем почвы передается воздуху, нагретые слои воздуха поднимаются вверх и посредством той же естественной конвекции передают теплоту внутренней поверхности плёнки, а охлажденные слои воздуха опускаются вниз. Теплота от почвы к плёнке передается также излучением. Часть излучения проходит через плёнку, а другая часть – поглощается ею. Теплота от внутренней поверхности передается теплопроводностью внешней поверхности плёнки. А от неё теплота передается окружающей среде конвекцией и… излучением (о таком физическом факте борцы с углекислым газом умалчивают). Ввиду небольшой толщины плёнки её термическое сопротивление очень мало, вследствие чего температуры внутренней и внешней поверхностей плёнки очень близки. А это означает, что плёнка почти не задерживает тепловое излучение, т.е. коэффициент поглощения инфракрасного излучения плёнкой практически не влияет на температурный режим парника. Плёнка в парнике выполняет иные функции: пропускает солнечные лучи и препятствует проникновению в парник холодного воздуха.
Теплообмен Земли с космосом кардинально отличается от теплообмена парника с окружающей средой. Во-первых, Земля обменивается теплом с космосом посредством только излучения (теплопроводность и конвекция участвуют в теплообмене на промежуточной стадии обмена теплотой между Землёй и её атмосферой). А во-вторых, Земля излучает тепло в пространство, температура в котором близка к абсолютному нулю, в отличие от парника, излучающего теплоту в среду с близкими температурами.
Отрицательные обратные связи используются в системах автоматического управления для обеспечения устойчивости системы. Природа в целом представляет собой огромную систему, для устойчивости которой необходимы бесчисленные отрицательные обратные связи, роль которых исполняют объективные законы природы. В любой природной системе, большой или малой, при появлении возмущения включаются отрицательные обратные связи, направленные против возникшего возмущения и стремящиеся вернуть систему в первоначальное состояние. И чем сильнее возмущение, тем большее сопротивление оно встречает. Например, чем сильнее мы сжимаем пружину, тем с большей силой она стремится разжаться. Или: сопротивление движению тела пропорционально квадрату его скорости.
Современные климатологи уверяют нас, что за последние сто лет температура на планете увеличилась на 0,7°C. Допустим, что действительно по каким-то причинам за сто лет температура на планете повысилась на 0,70°C. Но повышение температуры является возмущением системы. Земля не может остаться к этому равнодушной и сразу же включает обратные связи, направленные на снижение температуры.
Во-первых, повышение температуры вызывает дополнительное таяние льдов, что требует определенных затрат тепла (теплота плавления льда составляет 333 кДж/кг). Во-вторых, усиливается испарение воды, требующее ещё больших затрат тепла – теплота парообразования воды составляет 2260 кДж/кг. Для сравнения: теплоёмкость воды равна 4,2 кДж/(кг·град), воздуха – 1 кДж/(кг·град). Иными словами, таяние 1 кг льда приводит к уменьшению температуры на один градус 79 кг воды, или 333 кг воздуха. А испарение 1 кг воды вызовет уменьшение температуры на один градус 540 кг воды или 2260 кг воздуха.