TÌM HIỂU VỀ DÒNG CHẢY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Về kích thước, Mặt Trời chỉ là một ngôi sao nhỏ bé, nhưng nó đã góp phần tạo ra một phép màu trong vũ trụ: sự sống Trái Đất. Mọi sự hình thành, phát triển của sự sống, mọi tiến trình đi lên của nền văn minh nhân loại đều chịu ảnh hưởng từ nguồn năng lượng vĩ đại này.
I) Nguồn gốc năng lượng Mặt Trời:
- Vụ nổ Bigbang khai sinh ra vật chất vũ trụ, đa phần là Hidro (H2). H2 tập hợp lại, cọ sát vào nhau, dưới sức ép của trọng lực và ma sát, H2 xảy ra phản ứng nhiệt hạch H2 + H2 <----> 2He. Phản ứng này sinh ra rất nhiều năng lượng, biến Mặt Trời thành một ngôi sao rực sáng. Cũng bởi nhiệt độ quá cao nên vật chất bên trong Mặt Trời không tồn tại ở trạng thái thông thường mà ở dạng Ion (hạt mang điện).
- Mặt Trời có một lớp vỏ dày ở bên ngoài, nhiệt độ lớp vỏ này khoảng 1 triệu độ C. Bên trong vỏ là một lò nhiệt hạch khổng lồ. Phải mất hàng ngàn năm một photon (hạt ánh sáng) mới từ trong nhân mặt trời xuyên được qua lớp vỏ mà bay đến Trái Đất hay nói một cách khác, những tia nắng mà chúng ta thấy hàng ngày đã được hình thành bên trong Mặt Trời cách đây hàng ngàn năm.
- Mặt Trời truyền năng lượng đến Trái Đất thông qua các bức xạ nhiệt, ánh sáng, các tia tử ngoại và còn kèm theo các dòng vật chất ion (gọi là gió Mặt Trời). Thỉnh thoảng, bề mặt Mặt Trời có những vụ bùng nổ năng lượng khiến cho một lượng lớn ion phun về phía Trái Đất (gọi là bão Mặt Trời). Gió và bão Mặt Trời sinh ra cực quang mà chúng ta nói đến.
II) Ảnh hưởng của năng lượng Mặt Trời đến các điều kiện trên Trái Đất.
1) Ảnh hưởng của năng lượng Mặt Trời đến khí hậu và thời tiết.
- Trái Đất hình cầu, có trục bị nghiêng khiến cho ánh sáng Mặt Trời chiếu đến bề mặt Trái Đất theo những góc khác nhau. Nhờ đó mà chúng ta có hai cực băng giá và vùng xích đạo nóng ẩm.
- Cùng nhận một mức năng lượng, nhưng khu vực lục địa nóng hơn khu vực biển, hình thành các khu áp thấp, áp cao và từ đó sinh ra gió. Như vậy, năng lượng Mặt Trời tạo nên sự chênh lệch khí áp giữa các vùng sinh ra các gió.
- Năng lượng Mặt Trời đun nóng nước, hơi nước bốc lên cao tạo mây. Gió đưa mây từ nơi này đến nơi khác tạo nên những cơn mưa. Trong quá trình bay hơi, các hạt nước tích điện và tập hợp lại thành những đám mây giông, sấp chớp. Quá trình tụ hơi nước tạo mây làm giảm áp suất không khí --> bão tố, vòi rồng xuất hiện. Có thể thấy đa phần các hiện tượng tự nhiên như gió, bão, mưa, sấm sét, sóng biển đều có nguồn gốc sâu xa từ năng lượng Mặt Trời.
2) Ảnh hưởng của Mặt Trời đến địa hình.
- Địa hình trên Trái Đất được hình thành bởi 2 nguồn lực chính: nội lực và ngoại lực. Nếu như nội lực có xu hướng tạo sự gồ ghề cho địa hình (tạo núi, vực, đứt gãy...) thì ngoại lực có xu hướng làm phẳng chúng. Năng lượng Mặt Trời đóng vai trò rất lớn trong nguồn ngoại lực này.
- Sự chênh lệch nhiệt độ do Mặt Trời và màn đêm tạo ra khiến đá nứt nẻ, vỡ vụn hình thành đất. Nếu không có quá trình ấy, chúng ta đã phải sống trên một hành tinh đá.
- Năng lượng Mặt Trời tạo nên gió và những cơn mưa. Mưa trên đất liền tạo thành những dòng chảy, những dòng chảy tập hợp thành sông, các con sông bào mòn địa hình và bồi đắp nên những đồng bằng phù sa.
III) Dòng chảy năng lượng Mặt Trời lên hệ sinh vật.
1) Hệ sinh thái trên lục địa.
- Ánh sáng Mặt Trời được các loài thực vật tiếp nhận đầu tiên. Chất diệp lục trong lá cây quả là một "cỗ máy" tuyệt vời, chúng sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển CO2 và H2O thành tinh bột, xenlulozo thông qua quá trình quang hợp. Theo góc nhìn của vật lí, bản chất của quá trình quang hợp là chuyển năng lượng của ánh sáng (động năng) thành dạng năng lượng dữ trữ hóa học (thế năng). Tinh bột và xenlulozo là những chất giàu năng lượng.
- Động vật ăn cỏ đứng vị trí tiếp theo trong chuỗi tiêu thụ năng lượng Mặt Trời. Chúng ăn thực vật để lấy xenlulozo, tinh bột. Trong dạ dày chúng có các loại vi khuẩn cộng sinh đặc biệt cho phép biến xenlulozo thành protein.
- Động vật ăn động vật tiếp tục ăn thịt động vật ăn cỏ để lấy protein này nuôi sống cơ thể.
- Thực vật, động vật chết đi thì phần xenlulozo, tinh bột, protein thừa chuyển vào lòng đất và bị vi khuẩn phân hủy thành mùn hữu cơ. Đó là thức ăn của các loại giun, gián, vi sinh vật.....
- Có thể thấy, chuỗi thức ăn thực chất chính là chuỗi hấp thu năng lượng Mặt Trời. Từ năng lượng ánh sáng ban đầu, qua thực vật chuyển thành xenlulozo và tinh bột, qua động vật chuyển thành Protein...Quá trình sinh vật chết đi, xác của chúng mang năng lượng mặt trời đi vào lòng đất, tiếp tục tạo nên hệ sinh thái dưới mặt đất (nơi mà ánh sáng Mặt Trời không chiếu tới đươc.
2) Hệ sinh thái dưới đại dương.
- Trên đại dương, ánh sáng Mặt Trời chỉ chiếu đến độ sâu khoảng 200m, nhưng nó vẫn nuôi sống hệ sinh thái phân bố suốt chiều sâu hơn 10 Km.
- Ánh sáng Mặt Trời chiếu đến tầng mặt, được cái loại tảo và sinh vật phù du hấp thụ. Quá trình quang hợp giúp chúng chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành các chất giàu năng lượng tương tự như các sinh vật trên cạn.
- Các loài giáp xác nhỏ ăn tảo và biến chúng thành protein. Các loài cá, mực ăn giáp xác, để tích trữ năng lượng cho mình.
- Cá và các loài giáp xúc, nhuyễn thể thông qua quá trình lặn xuống mang năng lượng Mặt Trời dữ trữ trong chúng xuống độ sâu lớn hơn và làm mồi cho các loài lớn hơn.
- Xác chết của các loài chìm xuống, mang theo năng lượng Mặt Trời đến đáy biển (nơi mà ánh sáng không chiếu tới được). Chúng tiếp tục chuyển thành dạng mùn hữu cơ nuôi sống hệ sinh thái dưới đáy biển.
Tóm lại: Năng lượng Mặt Trời nuôi dưỡng các hệ sinh thái, từ nơi có ánh sáng chiếu tới đến những nơi không có ánh sáng như lòng đất, đáy biển.....Sự phân phối năng lượng Mặt Trời hình thành nên chuỗi thức ăn.
Không phải tất cả hệ sinh thái đều được nuôi dưỡng bởi năng lượng Mặt Trời. Có những hệ thống được duy trì bằng địa nhiệt (sẽ tìm hiểu sau).
"năng lượng Mặt Trời" ->"ES"
IV) Năng lượng Mặt Trời với nền văn minh nhân loại.
1 Giai đoạn đầu.
- Săn bắn và hái lượm, đó là cách kiếm sống của người cổ xưa. Như những loài động vật ăn thịt bậc cao khác, họ "nhặt" ES dự trữ từ các sinh vật khác để duy trì cuộc sống.
- Tiến bộ hơn một bậc, họ đã biết trồng trọt và chăn nuôi. Từ việc "thu nhặt" họ đã biết cách "khai thác" ES. Những cánh đồng lúa mơn mởn hấp thu ES để chuyển thành tinh bột. Những bãi cỏ xanh hấp thu ES chuyển thành xenlulzo làm thức ăn cho bò, dê...từ đó chúng tạo ra thịt, ra sữa và ra sức kéo.
- Khai thác được càng nhiều ES, văn minh nhân loại càng phát triển. Công cụ bằng đá chỉ cho diện tích trồng trọt hạn chế. Công cụ bằng đồng giúp mở rộng diện tích canh tác, đưa nhân loại đến thời kì đồ đồng. Công cụ sắt đưa nhân loại lên thời kì đồ sắt và 1 cuộc bùng nổ dân số. Việc khai thác ES hiệu quả đã khiến cho nhân loại có được một lượng năng lượng dồi dào để làm nghệ thuật, để trao đổi buôn bán, để suy ngẫm về thế giới,....nghệ thuật, giao thương, tôn giáo lần lượt ra đời. Và, sự phân chia ES trong xã hội đã khiến nảy sinh ra giai cấp, ra tranh đoạt lãnh thổ. Nhân loại trải qua những cuộc chiến triền miên.
2 Thời đại công nghiệp.
- ES gần như là vô hạn, nhưng diện tích canh tác chỉ là hữu hạn. Khai thác ES bằng nông nghiệp tuy đưa nhân loại lên một bước phát triển vượt bậc nhưng nhân loại không chấp nhận chỉ dừng lại ở đó.
- Và rồi họ khám phá ra than đá. Than đá được hình thành từ những cánh rừng cổ, bị chìm xuống lòng đất và bị hóa thạch. Hay nói cách khác, bản chất của than đá là ES được dự trữ từ thời khủng long. Họ tiếp tục khám phá ra dầu mỏ, khí đốt. Dầu mỏ là xác sinh vật chết bị các hoạt động địa chất vùi xuống tầng sâu, dưới áp lực và sức nóng trong lòng đất bị hóa dầu. Dầu mỏ cũng là ES được tích trữ nhiều triệu năm trong quá khứ.
- Nếu như khai thác ES bằng nông nghiệp cho họ một công suất năng lượng thấp, thì sử dụng nhiên liệu hóa thạch cho một công suất cao vô cùng. Nhờ lượng năng lượng với công suất lớn ấy, con người sử dụng máy móc và tạo ra lượng hàng hóa dồi dào. Nền văn minh nhân loại phát triển một cách chóng mặt cùng với xe hơi, tàu hỏa, tàu thủy, máy bay....
- Năng lượng dòng chảy của các con sông cũng có nguồn gốc từ ES. Con người không những biết xây đập dự trữ nước phục vụ nông nghiệp mà còn biết dùng nó để tạo ra điện, một dạng năng lượng mới xuất hiện. Điện là một dạng năng lượng có thể sử dụng một cách chính xác, tinh vi. Nhờ đó các thiết bị công nghệ cao ra đời.
3 Hậu quả.
- Lòng tham của con người là vô tận. Năng lượng càng lớn, công suất tạo ra càng lớn thì sức phá hủy cũng lớn theo. Những cuộc chiến tranh của nhân loại ngày càng tàn khốc hơn.
- Dầu mỏ và khí đốt trở thành mục tiêu tranh giành. Những khu vực có nhiều mỏ dầu là những khu vực bất ổn, luôn luôn có chiến tranh.
- Con người quá đắm chìm trong thời đại công nghiệp mà không lường hết hậu quả của nó. Lượng CO2 do đốt nhiên liệu hóa thạch làm tăng hiệu ứng nhà kính, cùng với sự suy giảm diện tích rừng đã khiến khí hậu toàn cầu nóng lên. Nhân loại đang phải đối mặt với một thử thách lớn.
- Nhận thấy những nguy cơ trước mắt, họ đã dần ý thức được rằng chỉ nên sử dụng nguồn ES sinh ra hàng ngày, họ gọi đó là "năng lượng sạch". Đó là nguồn ES từ gió, từ thủy điện hay trực tiếp từ pin ES. Tuy nhiên họ không làm một cách triệt để, bởi vì dầu mỏ mang lại cho họ sự giàu có, họ vẫn sẽ tiếp tục khai thác cho đến khi không còn mỏ dầu nào trên thế giới!
a) Năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời có thể được chuyển hóa thành điện bằng cách: Sử dụng các tấm pin năng lượng Mặt Trời để hấp thụ năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời, sau đó kết nối với hệ thống lưới điện để sử dụng.
b/ Năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu từ thực vật bằng cách: Thực vật hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời để sống và phát triển. Sau khi chúng được sử dụng vào mục đích cuộc sống của con người thì những phần thừa sẽ được con người xử lý chuyển hóa thành phân bón và chế tạo thành nhiên liệu sinh học.