Povídání o energii - Sluneční energie na Zemi

Téměř všechna energie na Zemi pochází z nitra Slunce. Tím slovem "téměř" chceme říci, že malá část energie na naší planetě není slunečního původu, ale dostala ji z mateřské mlhoviny při svém vzniku. Je to velmi stará energie (rotace Země, radioaktivní prvky a deuterium), kterou naše planeta uchovává jako dědictví od té doby co vznikla, tj. po 4,5 miliardy roků. Tvoří jen zlomek z celkového množství energii na Zemi, zatímco podstatná část energie Země je "nová", neboť byla před nedávnem uvolněna v nitru Slunce. Bez této nové energie je náš život nemyslitelný.

Rozložení teplot na povrchu Země. Sluneční energie zahřívá Zemi a vytváří vhodné prostředí pro biosféru. Snímek z 26. ledna 1997 je souhrnem dat z družic, synoptických pozorování počasí a měření teploty na povrchu moří. (NOAA, NCDC)

Slunce uvolňuje energii ve svém nitru - stejně jako ostatní hvězdy. Za teplot mnoha milionů stupňů jaderná síla uvolňuje klidovou energii hmoty tak, že přeměňuje vodík v helium. Každou sekundu se v nitru Slunce přemění 560 milionů tun vodíku v hélium a při této přeměně se 4 miliony tun změní v energii. Podle známé Einsteinovy rovnice (E = mc²) se uvolněná klidová energie z vodíku za sekundu rovná 3,8x1026 W (380 trilionů Megawatů). Energie uvolněná za sekundu se nazývá výkon a tomuto úžasnému výkonu Slunce se říká sluneční zářivost.

Slunce vyzařuje svoji zářivost do kosmického prostoru stejně do všech směrů a na naši planetu jí dopadne jen nepatrný zlomek - pouze jedna dvou miliardtina. Avšak i tento drobeček energie, který Slunce své planetě Zemi daruje, představuje 180 000 TW (180 tisíc terawatů - terawatt je bilion wattů, což je milion Megawattů). Z hlediska Slunce je to opravdu jen drobeček jeho zářivosti, ale z lidského hlediska nesmírný příval zářivé energie.

Ten drobeček uštědřovaný Sluncem Zemi je dvatisícekrát více než potřebuje vše živé na povrchu Země i v hlubinách moří (tedy biosféra). Je to zároveň 14 tisíckrát více energie než potřebuje celé lidstvo. Nad čím se podivovat více - nad obrovským přívalem světla, který zaplavuje Zemi každým okamžikem už čtyři a půl miliardy roků? Nebo žasnout nad nesmírnou marnotratností Slunce, s jakou vysílá téměř všechnu svou energii do bezedných vesmírných temnot? Nebo kroutit nechápavě hlavou nad nevšímavostí většiny lidí k tak cennému a životně důležitému daru od Slunce? Co můžeme dělat se sluneční energií, aby nám sloužila?

Nejprve se podívejme, co dělá Země s obrovským přívalem sluneční energie, který na ni nepřetržitě dopadá? Jak působí na pevninu, vodstvo, atmosféru a biosféru?

Jaderná energie ze středové oblasti Slunce se ve formě záření dostává k viditelnému povrchu a odtud jako záření na povrch Země. Tam se energie záření mění v teplo, chemickou energii, elektrickou energii a mechanickou energii. Tyto proměny probíhají v přírodě - nebo je člověk řídí účelně, aby mu tyto druhy energie sloužily.

Teplo od Slunce
Přibližně polovina slunečního záření je pohlcována povrchem Země a z jedné pětiny v atmosféře. Pohlcována (cizím slovem absorbována) znamená přeměněna v teplo, - tj. v pohyb molekul. Díky této přeměně je na Zemi průměrná teplota kolem 15 °C a pro život příjemné prostředí. Bez slunečního záření by teplota Země byla pouze -263 °C, a to díky radioaktivnímu rozpadu některých prvků (geotermální teplo). Bez Slunce a bez geotermálního tepla by byla na Zemi teplota pouze -270 °C.

Naše planeta má dvojí teplo. To vnitřní teplo se jmenuje geotermální energie. Je to její vlastní teplo. Měla by je i kdyby Slunce nesvítilo. Chrání ho kůra Země a jen pomalu prosakuje na povrch. Kdyby Slunko nesvítilo, vnitřní teplo by nám rozhodně nestačilo. Teploměr by ukazoval 263 °C pod nulou. Naše venkovní teploměry však ukazují mnohem vyšší teplotu (v průměru na celé Zemi kolem 15 °C nad nulou). Vděčíme za to Sluníčku. To nám dává vnější teplo. Je na povrchu a přichází z vesmíru, od Slunce.

Povrch Země pohlcuje sluneční záření. Kdybychom se na to mohli podívat, naskytla by se nám zajímavá podívaná: sluneční foton rozkmitá molekulu na kterou dopadl. Rychlejší pohyb molekuly znamená větší pohybovou energii, tj. teplo. Foton předal molekule svoji energii, kterou přinesl od Slunce. Takových přeměn slunečního záření na teplo probíhá každou sekundu nesmírně mnoho. Na ozářené plošce zemského povrchu velké jako náš nehet se pohltí za sekundu trilion slunečních fotonů.

Teplo moře
Rozsáhlé hladiny tropických oceánů jsou přirozeným sběračem (kolektorem) sluneční energie. Povrchové vody oceánu pohlcují sluneční záření (odhadem 100 Terawattů) a zahřívají se. Jejich teplota při povrchu je 25 - 28 °C. Avšak v hloubkách kolem 400 m pod povrchem je pouze 5 °C.

Sluneční energie ve vodě
Sluneční energie je uskladněna do vody nejen jako teplo, ale i jako pohybová energie. Pohání mořské proudy a koloběh vody. Jen do řek je vkládáno asi 9 TW sluneční energie. Pohybová energie řek a polohová energie vody v přehradách jsou přeměněná sluneční energie.
Pomocí vodních kol zavlažovali lidé svá pole už několik století před Kristem. Ke mletí obilí sloužila energie řek už v 1. století před Kristem. K pohonu mlýnů se užívají vodní kola až dodnes. V minulém století vodní kolo nahradila vodní turbína. Dnes se energie vody přeměňuje v elektřinu ve vodních elektrárnách. Po druhé světové válce u nás bylo více než 11 tisíc malých vodních elektráren, které však postupně zanikaly. Dnes jich je přes čtyři tisíce.

Energie v atmosféře
Sluneční energie v atmosféře je uchována ve dvojí formě: jednak jako teplo, jednak jako pohybová energie větru. Celkový výkon slunečního záření vkládaného do pohybů atmosféry, je udáván v tisících Terawattů.

Vítr - proudění vzduchu obsahuje velkou pohybovou energii, která je také slunečního původu. Čím rychleji vítr fouká, tím větší energii s sebou nese. Její množství odhadneme tak, že kg vzduchu vynásobíme čtvercem jeho rychlosti (v²) a podělíme dvěma. 1 m³ vzduchu má hmotnost kolem 1,23 kg. U nás vanou nejrychlejší větry především na hraničních horách a na Českomoravské vrchovině. Převládají větry ze západu. Průměrná rychlost větru za mnohaleté období ve výškách kolem 1 500 m nad mořem je kolem 9 ms^-1. Na Sněžce (1602 m n.m.) je průměrný vítr 11 ms^-1, na Pradědu (1490 m n.m.) 10 ms^-1. V nižších polohách jsou průměrné rychlosti nižší, např. Milešovka (837 m n.m.) má 8,5 ms^-1). To jsou rychlosti měřené Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd.

Do potravy a vůbec do biomasy se sluneční energie ukládá v chemické podobě, a to pomocí fotosyntézy. Z biomasy se uvolňuje spalováním (v mitochondriích) nebo hořením paliva.

Sluneční energie v biosféře
Biosféra je všechno živé na povrchu Země a ve vodě. Nezbytnou energii dostává biosféra od Slunce. Vstupní branou sluneční energie do biosféry je fotosyntéza zelených rostlin na pevninách a fytoplanktonu v mořích.

Ze 180 000 TW záření dopadajícího na naši planetu fotosyntéza zpracuje půl tisíciny, to jest 90 TW což je přibližně sedmkrát více než spotřeba energie lidstva. Fotosyntéza ukládá sluneční záření do oxidu uhličitého a vody tak, že z nich dělá cukry, škroby a jiné organické látky. Od zelených rostlin a fytoplanktonu přejímají tuto energii (ve formě potravy) všichni živí tvorové na Zemi. Chemickou energii přijaté potravy pak uvolňují dýcháním. Zatímco fotosyntéza uskladňuje sluneční energii do potravy, dýchání a spalování tuto uskladněnou energii z potravy uvolňuje.

Biomasa je hmota všech živých organizmů - rostlin i živočichů. Velká část energie, kterou v současné době užíváme, pochází z biomasy. Vždyť fosilní paliva jsou biomasa z dávných dob a potrava je upravená biomasa.