Солнце как источник энергии фотосинтеза

Cолнечная энергия в процессе фотосинтеза

Дата публикации: 21 сентября 2018

Солнечная энергия – это достаточно популярный в современном мире ресурс, который приноровились использовать многие люди, как в промышленных, так и в бытовых целях. Но для нас более привычно слышать о солнечных батареях, как об устройствах, имеющих в своей конструкции фотоэлементы, преобразующие солнечную энергию в электричество. В то время как солнечные батареи уже широко распространены в мире, идет разработка технологии использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Ученые не прекращают попыток развить технологию искусственного фотосинтеза до уровня максимальной эффективности, которая присуща растениям.

Как можно использовать солнечную энергию в фотосинтезе?

С каждым днем становится известно все больше о естественных процессах и фотосинтез – не исключение. Ученые выяснили, что в процессе фотосинтеза энергия солнечного света играет роль механизма, запускающего ряд химических реакций, которые помогают растениям высвободить энергию, необходимую им для жизнедеятельности.

По словам ученых из Джорджии, самая большая проблема в создании искусственных механизмов, имитирующих фотосинтез, заключается в том, что в естественном процессе фотосинтеза солнечный свет как источник энергии, проходя через мембрану, не возвращается. Но во всех механизмах, созданных человеком, он возвращается, и пока не удалось понять, почему. Из-за этого, механизмы искусственного фотосинтеза не так эффективны, как у растений, из-за чего их использование пока невозможно.

Что сделано для достижения успеха в области воссоздания процесса фотосинтеза искусственно?

• Американским ученым удалось создать искусственно бактерию, которая в плане эффективности переработки солнечной энергии в 40 раз превосходит большую часть растений. Такого результата удалось добиться благодаря умению искусственной бактерии создавать нанокристаллические образования, которые схожи по принципу работы с солнечными панелями.
• Сентябрь 2017 года был ознаменован открытием еще одной функции искусственного фотосинтеза: перерабатывать углерод в другие виды биотоплива. Так, сотрудники лаборатории в Беркли описали процесс, когда углерод был преобразован в этанол и этилен. Первый можно использовать в качестве топлива, а второй нужен в производстве полиэтиленовых упаковок.
• Не оставляют без внимания так же и водород как экологически безвредное топливо. Таким образом, недавно был представлен проект, где искусственно созданный лист при помощи энергии Солнца воссоздал водород. А при условии наличия в воздухе значительной доли углекислого газа, КПД листа вырастал.

О самом процессе фотосинтеза

Использование солнечной энергии в фотосинтезе нужно для химической реакции, в которой неорганические вещества преобразуются в органические. Таким образом, для реакции преобразования нужен углекислый газ и вода. Первый поступает из воздуха, а вторая – из почвы. Под воздействием энергии фотонов эти вещества преобразуются в глюкозу (или другую органику) и кислород.

То, что в процессе фотосинтеза образуется не только кислород, но и органическое вещество очень важно, поскольку ни один другой организм не может сделать из неорганики органику. Фотосинтез, можно сказать, обеспечивает нас питательными веществами, без которых, как и без воздуха, мы бы долго не прожили.

Если вникать в процесс, то реакция фотосинтеза разделена на 2 фазы: световую и темновую. Для первой из них обязательно нужен свет, а вторая протекает независимо от его наличия. Во время световой фазы как раз выделяется кислород, а сахара образовываются в темновой фазе, благодаря ряду сложных химических реакций.

Почему важно достижение успехов в области создания механизмов для искусственного фотосинтеза?

Даже сейчас, на этапе, когда человечество медленно, но уверенно движется к постепенному переходу на альтернативные источники энергии, существует огромный дисбаланс веществ в воздухе, который способствует существенным изменениям климата. При условии создания устройств, которые будут хотя бы так же эффективны как растения в сфере переработки веществ, мы сможем закрыть вопрос с глобальным потеплением.

Кроме того, если энергетический ресурс, который вырабатывается во время реакции фотосинтеза, будет действительно эффективен, можно будет использовать его наряду с другими альтернативными источниками энергии, или даже совмещать устройства, чтобы компенсировать недостатки работы одного механизма преимуществами другого. Такой подход поможет нам постепенно отказаться от ископаемых источников энергии, и, возможно, даже перейти на совершенно новый тип энергии.

Другими словами, вероятное использование фотосинтеза как еще одного варианта применения солнечной энергии – это решение для многих проблем, уже давно вставших перед человечеством и мешающих ему жить. Что касается перспектив развития науки в этой области, они представляются очень хорошими, поскольку сейчас есть достаточно возможностей и средств для использования или создания той аппаратуры, которая позволит изучить естественный процесс фотосинтеза до конца, а затем использовать его.

• Какая жизнь без света?
• Солнце – источник жизни для Iphone
• Солнечные электростанции на территории России: реалии и перспективы
• Солнечные батареи для подогрева воды в бассейне: секреты самостоятельного изготовления

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

Влияние Солнца на биологическую жизнь Земли

Солнце освещает и согревает нашу планету. Без этого была бы возможна жизнь на ней не только человека, но и даже самых маленьких микроорганизмов. Солнце – главный, основной, хотя и не единственный, двигатель происходящих на Земле процессов. Но заметим, что все же не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц постоянно взаимодействуют, влияя на жизнь на нашей планеты и на планету в целом, с нашим миром.

Солнце посылает на нашу Землю электромагнитные волны всех областей спектра. Это могут быть волны от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей.

Окрестностей Земли достигают также и заряженные частицы самых различных энергий –

• как высоких: это солнечные космические лучи;
• так и низких и средних: это потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек.

Наконец, Солнце испускает мощный поток элементарных частиц: так называемых, нейтрино. Однако воздействие нейтрино на земные процессы пренебрежимо мало.

Только совсем малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли. Остальные же отклоняет или задерживает геомагнитное поле. Но и их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния, также возмущения магнитного поля нашей планеты.

Магнитное поле земли

Воздействие Солнца на Землю

Для Земли Солнце мощный источник космической энергии. Оно дает свет и тепло, необходимые для растительного и животного мира, и формирует важнейшие свойства атмосферы Земли. В целом Солнце определяет экологию планеты. Без него – не было бы и воздуха, необходимого для жизни: он превратился бы в жидкий азотный океан вокруг замерших вод и обледеневшей суши.

Солнце относится к такому типу звезд, который идеально подходит для поддержания жизни на Земле. Наше Солнце — звезда долговечная, с равномерным свечением, не слишком большая и не слишком горячая.

Огромное большинство звезд в нашей Галактике гораздо меньше Солнца, и ни одна и из них не излучает именно такого света и такого количества тепла, какое необходимо для поддержания жизни на планете, подобной Земле.

Для возникновения и обеспечения жизни особенно важна роль лучистой энергии Солнца, которая постоянно поддерживает необходимую для жизни среду обитания. Своим притяжением Солнце всегда удерживает Землю на почти одинаковом, среднем расстоянии от себя (астрономическая единица), обеспечивая тем самым достаточно стабильную экологию, пригодную для поддержания жизни.

Влияние на живую природу

Благодаря тому, что тепло на планету поступает в неравномерных количествах, что обусловлено также наклонённой осью орбиты, наступает смена времён года, а на Земле образовались различныеклиматические пояса.

Чем меньше приходит на поверхность солнечного тепла, тем скуднее растительность. Зимой природа «засыпает» и ждёт прихода дней с более длинными днями, когда солнечная активность возрастает.

Зимой и осенью, когда Солнце в Северном полушарии стоит низко над горизонтом и продолжительность светового дня мала и мало поступление солнечного тепла, природа увядает и засыпает — деревья сбрасывают листья, многие животные впадают на длительный срок в спячку или же сильно снижают свою активность.

Весной же вся природа просыпается, трава распускается, деревья выпускают листья, появляются цветы, оживает животный мир. И всё это благодаря всего одному-единственному Солнцу.

В зелёных листьях растений содержится зелёный пигмент-хлорофилл. Этот пигмент является важнейшим катализатором на Земле в процессе фотосинтеза. Реакция воды и углекислого газа происходит с поглощением энергии, поэтому в темноте фотосинтез не происходит.

Фотосинтез, преобразуя солнечную энергию и производя при этом кислород, дал начало всему живому на Земле. Поедая растения, в которых за счёт Солнца накоплена энергия, существуют и животные.

Постепенно, переходя от звена к звену, солнечная энергия достаётся всем живым организмам в мире, включая и людей. Благодаря использованию минеральных солей почвы растениями в состав органических соединений включаются также следующие химические элементы: азот, фосфор, сера, железо, калий, натрий, а также многие другие элементы. Впоследствии из них строятся огромные молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров — веществ, жизненно необходимых для клеток.

Влияние Солнца на растения

Можно выделить следующее влияние солнечной активности на растения:

Типичным примером прямого влияния является фотосинтез. Без солнечного света он невозможен. Солнечный свет является одним из наиболее важных для жизни растений экологических показателей. Лучистая энергия Солнца действует на клетки растения непосредственно.

Примером опосредствованного влияния является зависимость толщины годичного прироста деревьев от солнечной активности. В данном случае, по мнению учёных, космические факторы изменяют атмосферную циркуляцию (количество осадков и температуру воздуха), что приводит к изменению климата, а эти изменения, в свою очередь, влияют на развитие растений. Мы же видим только конечный результат — толщину годичного кольца данного дерева.

Этой проблемой подробно занимался А. Дуглас. Он стремился выбирать долгоживущие деревья, что дало ему возможность проследить влияние солнечной активности на рост деревьев в течение веков и даже тысячелетий.

Исследования показали, что при минимальной активности Солнца растения развиваются быстрее. Во всех изменениях годичных колец различных деревьев выявляется определенная их зависимость от солнечной активности.

Кроме того, 11-летний цикл солнечной активности сопровождается таким же по продолжительности циклом магнитной активности, а изменение магнитного поля (в этом проявляется магнитная активность) оказывает влияние на развитие и структуру растений.

Растения используют солнечный свет как источник информации. Так, соотношение продолжительности ночного и дневного периода служит для большинства растительных организмов ориентиром в этапах их развития (начало вегетации, цветения, периода покоя и т. п.). Такая реакция растений на длину дня и ночи, известная как фотопериодизм, и позволяет выбирать наиболее оптимальное время для осуществления каждой фазы своей жизнедеятельности.

Связь урожайности сельскохозяйственных растений и солнечной активности

Вопрос о связи урожаев сельскохозяйственных культур с солнечной активностью имеет длинную историю. Известно, что еще в III в. до н. э. Катон Старший, римский писатель, заметил, что цены на рожь зависели от солнечной активности (от «помрачения Солнца»). При высокой солнечной активности урожаи ржи были лучше и поэтому цены на рожь снижались.

По данным об урожайности зерновых хлебов в России с 1801 по 1915г. следует, что неурожайные годы чаще совпадают с минимумами солнечной активности. Наибольшие неурожаи приходились на 1810, 1823, 1833 и 1853 гг., которые в точности соответствовали минимумам солнечной активности.

Связь между урожайностью и солнечной активностью осуществляется прежде всего через атмосферную циркуляцию, от которой зависит число осадков и температура. Но связь между солнечной активностью и атмосферной циркуляцией меняет свой характер (знак) примерно каждые 40 лет.

Прорастание семени

Недостаточность или отсутствие освещения очень пагубно сказываются на развитии культур по причине деактивации процесса фотосинтеза и, как следствие, ограниченного образования органических веществ. В результате растения вырастают слабыми, и у них наблюдаются различные дефекты роста и развития: вытянутость побегов и междоузлий, бледная окраска зеленой массы, уменьшение размеров листьев, скудность цветообразования или полное отсутствие цветения, пожелтение и опадание нижних листьев и т. д.

Хронический дефицит солнечной энергии приводит к гибели растений.

Избыточное освещение

Культуры могут испытывать недостаток света при короткой продолжительности светового дня, а также при недостаточной интенсивности самого освещения. По требовательности к освещению растения делятся на:

• светолюбивые (гелиофиты);
• теневыносливые (сциогелиофиты);
• тенелюбивые (сциофиты).

К первой группе относятся культуры, которые хорошо растут и развиваются под действием прямых солнечных лучей или яркого рассеянного света, а на уменьшение продолжительности и интенсивности освещения реагируют негативно. Как правило, это растения южных регионов, где солнечная активность позволяет им получать не менее 10 – 12 тысяч люксов за год. В эту категорию входят большинство огородных культур и плодоносящих деревьев, цитрусовые, пальмы, суккуленты, бугенвиллия, жасмин, гибискус, гардения, пассифлора, розы и пр.

Растения и свет

Не только интенсивность светового потока оказывает огромное влияние на жизнедеятельность растений. Также культуры очень чувствительны и к продолжительности освещения.

В зависимости от этой реакции различают растения длинного дня, для которых требуется световой период не менее 12 – 18 часов в сутки (пшеница, рожь, лен, ячмень, овес, чечевица, горох, мак, свекла и др.) и растения короткого дня, довольствующиеся солнечным светом в течение 8 – 12 часов (кукуруза, просо, соя, фасоль, табак, хлопчатник и пр.).

С помощью укорачивания или удлинения осветительного периода можно регулировать начало и продолжительность фаз жизнедеятельности (вегетацию, цветение, плодоношение) растений.

У культур, входящих в группу растений короткого дня, сокращение осветительного периода вызывает ускорение перехода от вегетативной стадии развития к репродуктивной. Обратная реакция наблюдается у растений длинного дня: более продолжительный осветительный период стимулирует более раннее вступление в фазу цветения.

Путем длительных экспериментов и наблюдений ученым удалось установить, что определенные диапазоны солнечного спектра по-разному воздействуют на растения, а с помощью правильно подобранного спектрального освещения можно стимулировать увеличение урожайности культур на 30%.

Влияние солнца на качество почвы

Следует еще указать на один фактор, оказывающий влияние на рост растений. Это деятельность микроорганизмов в почве. Их роль в жизни растений огромна, так как они задерживают азот в почве.

Азот вносится в почву вместе с удобрениями. Здесь он превращается в молекулярную форму, после чего денитрифицирующие бактерии выводят его быстро из игры и в дальнейшем в развитии растений он не участвует.

Было доказано, что жизнь (в частности численность) микроорганизмов (аммонифицирующих бактерий) зависит от солнечной активности.

Образно говоря, солнечная активность сама удобряет почву. В зависимости от солнечной активности (не от температуры и влажности почвы!) изменяется численность различных микроорганизмов, таких как аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии, аэробные целлюлозоразлагающие бактерии и водоросли, которые используют в своей деятельности нитраты (а не только аммиак почвы).

Так, с ростом солнечной активности с начала 1966 г. численность нитрифицирующих бактерий увеличилась примерно в 10 раз и в последующие годы оставалась очень высокой. Одновременно (одномоментно!) изменилась численность и других указанных выше бактерий.

Влияние Солнца на животных

Ещё в XIX веке учёными был проведён ряд исследований. Выяснилось, что ультрафиолетовые лучи Солнца последовательно сперва возбуждают, а затем угнетают клетки животных, что объясняется раздражением плазмы клеток. Под влиянием света происходит повышение окислительных процессов в клетках и усиление газового обмена живой мышечной и нервной ткани.

Внутриклеточная жизнь также находится в известной зависимости от света.

Очень важным следует считать изменение газообмена у животных под влиянием солнечного света. Молешотт еще в 1855 году показал на целом ряде животных, что свет вызывает увеличение поглощения кислорода и усиление выделения углекислоты.

Ряд ученых нашли большую потерю веса у кошек и лягушек на свету, чем у тех, которые развивались в темноте. Однако существует противоположное мнение о влиянии света на вес; полагают, что свет возбуждающе действует на организм, что содействует усилению усвоения пищи; результатом этого может быть прирост в весе животных и увеличение их роста.

Исследователей Байкала давно интересовала одна из его наиболее интригующих загадок — так называемые «мелозирные годы«, когда в весеннем планктоне подо льдом интенсивно развиваются крупноклеточные виды водорослей, давая вспышку в величине биомассы в десятки раз по сравнению с обычными годами. Лишь недавно учёными было установлено, что циклы развития весеннего фитопланктона резонансно сопряжены с циклами солнечной активности.

Фитопланктон далеко не уникален в своём подчинении солнечно-земным ритмам, существуют подобные закономерности и в жизни других представителей флоры и фауны. Уже в XXI веке можно утверждать, что солнечным ритмам подчиняются стада крупнорогатого скота в своих миграциях, птицы в перелетах, циклы размножения бактерий и вирусов часто коррелируют с ритмами Солнца.

Таким образом, из рассмотренных выше примеров можно заключить, что Солнце, а главным образом солнечная активность и солнечный свет оказывают влияние на жизнь животных.

Влияние Солнца на организм человека

Солнце может быть человеку как другом, так и врагом. При грамотном подходе, с его помощью можно укрепить свое здоровье, повысить иммунитет и улучшить настроение. И, напротив, неразумное использование его возможностей может стать причиной серьезных проблем со здоровьем.

Польза Солнца для здоровья человека

Регулярное принятие солнечных ванн оказывает положительное воздействие на наш организм. Они способствуют улучшению обмена веществ и состава крови, повышают общий тонус.

Позитивное влияние Солнца на организм человека было замечено уже в глубокой древности. Больным и ослабленным людям прописывали прогулки на открытом воздухе и солнечные ванны. Это способствовало улучшению состояния их здоровья.

Давно доказано, что солнечный свет способен убивать возбудителей многих заболеваний, в том числе таких серьезных, как туберкулез кожи. Кроме того, под воздействием ультрафиолетовых лучей в организме человека вырабатывается витамин D, от которого зависит крепость наших костей и зубов. При дефиците этого витамина у детей возникает рахит.

Вред Солнца для человеческого организма

Передозировка даже самого полезного лекарства приносит вред. То же самое можно сказать и о солнечных лучах. Избыточное пребывание на солнце влечет за собой массу неприятных последствий. Об этом обязательно стоит знать тем, кто любит часами загорать на пляжах.

Ультрафиолет способен оказывать разрушительное воздействие на кожу. Слишком продолжительные солнечные ванны могут стать причиной преждевременного старения кожи и раннего появления морщин. Кроме того, чрезмерное пребывание на солнце повышает риск меланомы и других опасных заболеваний. Для того чтобы избежать этих последствий, следует загорать в периоды с 9 до 11 и с 16 до 19 часов, когда УФ-лучи наиболее слабы.

Отправляясь на улицу, обязательно нужно пользоваться защитными средствами для кожи и волос, чтобы снизить негативное влияние Солнца на организм человека.

Защищать нужно не только голову и тело, но и глаза, поскольку ультрафиолет разрушает сетчатку. Во избежание этого, следует носить солнечные очки обязательно хорошего качества.

Магнитные бури

В ряду многообразных проявлений солнечной активности особое место занимают хромосферные вспышки. Эти мощные взрывные процессы существенно влияют на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли. Магнитное поле Земли начинает беспорядочно меняться, и это является причиной магнитных бурь.

Отрицательному влиянию воздействия магнитных бурь предрасположены по различным данным от 50 до 70% населения всего мира

Самые сильные и смертоносные эпидемии всегда совпадали с максимумами солнечной активности. Такая же закономерность была обнаружена для заболеваний дифтерией, менингитом, полиомиелитом, дизентерией и скарлатиной.

В начале 60-х гг. появились научные публикации о связи сердечно-сосудистых заболеваний с солнечной активностью. Приведен факт, что

В 30-х гг. ХХ столетия в городе Ницце (Франция) было замечено, что число инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастало в те же самые дни, когда на местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения связи вплоть до полного ее прекращения. Как впоследствии выяснилось, нарушения телефонной связи были вызваны магнитными бурями.

Метеозависимым людям, а также лицам с хроническими заболеваниями следует отслеживать приближение магнитных бурь и заранее исключить на этот период какие-либо события, действия, которые могут привести к стрессу, лучше всего в это время быть в покое, отдыхать и сократить любые физические и эмоциональные перегрузки.

Видео

Источник