A guide to the energy of the Earth

地球上的能源

作者—Joshua M. Sneideman

能量在我們生活周遭,一種嚴格遵循自然法則的物理量。在宇宙中能量是有限的,它不是被創造的,也不會被毀滅,但能以不同型態存在,如動能或位能,它們有不同的性質及公式來被記住,例如:一個LED檯燈的6瓦燈泡傳送每秒6焦耳的光能。

讓我們跳到太空去看看我們的行星,它的系統以及其能量的流動。地球的物理系統包含大氣層、水圈、岩石圈,以及生物圈,能量在這些系統內外移動,而在任何能量傳遞過程中,一些散失到周圍環境,如熱、光、聲、振動、或移動。

我們星球的能量取自於地球的內部和外部,來自放射性同位素的地熱能,與透過地球旋轉產生的旋轉能。這兩個屬於內部能量來源,而太陽是主要的外部能源,驅動著一些像天氣與氣候的系統。陽光以不同的程度,溫暖了地表與大氣,而引起對流、製造風,以及影響洋流。另外,紅外線輻射散發到溫暖的地球表面,又被溫室氣體捕捉,進一步影響能量流動。

太陽對生物也是主要的能量來源。植物、藻類和藍藻利用太陽光,將二氧化碳與水製造出有機物質,開啟了生物圈的食物鏈。我們利用像是氧化和呼吸作用的化學反應,來釋放食物能在每一個食物鏈的階層。有些能量在剛形成的化學結構下被貯存起來,但大部份散失到環境中,像是熱量,透過食物的消化,身體散發的熱量被釋放。

植物是由初級消費者食用,大約只有原獲得能量的百分之十,接著轉移給下一個營養階層。又因能量在食物鏈只能以同一方向流動,從生產者到消費者和分解者,在食物鏈中食用較自己低層的生物,得到的能量會比吃高層的還多,因此,食用生產者反而比食用單一動物,更可以藉此得到能量。此外,若持續缺乏輸入給生產者的能量(大部份來自太陽光),我們所知在地球上的生物,將不復存在。

除了吃,我們人類當然得消耗精力去做很多事情。我們旅行、建設,以及供電給各種科技,要做到這一切,必須使用像化石燃料的來源—媒、石油和天然氣,其中含有的能量,是植物長年從太陽光所吸收的能量,並以碳的形式貯存,當化石燃料在發電廠燃燒時,它所儲存的能量會釋放,我們因而用此來發電。

為了發電,燃燒化石燃料產生的熱能,提供渦輪機動力,旋轉磁鐵,因此,進而使磁場改變,造成線圈產生相對運動,電子因此感應流動於線圈中。現代文明仰賴我們電量持續的供給,幸運的是,我們沒有限制一定要燃燒不可再生的化石燃料來發電,電子也能藉由與光子的直接互動,感應流動而發電,這就是太陽能電池的運作方式,還有其他可再生能源,例如風、水、地熱,及生物燃料都可以拿來發電。

現今全球能源需求不斷增加,但地球上能使用的能源有限,且需透過複雜的能源基礎建設才能使用。隨著人口逐漸增加,以及工業化和發展的速度,我們對能源的決策也越來越重視。能源利用的影響攸關健康、教育、政治權力和社會經濟地位,如果我們改善使用能源的效率,我們更能善待自然資源,並提升每個人的生活品質。

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