Меню

Что поглощает энергию солнечного света



Bio-Lessons

Образовательный сайт по биологии

Фотосинтез. Воздушное питание растений.

Фотосинтез. Воздушное питание растений.

Фотосинтез (от лат. «фото» -свет, «синтез» — соединение) — основа воздушного питания растений. При фотосинтезе зеленые растения извлекают энергию из солнечного света и создают органические вещества.

Как же осуществляется фотосинтез?

Через устьичные щели в лист поступает углекислый газ. При попадании солнечных лучей на поверхность листа в его хлоропластах происходит сложный процесс: из углекислого газа и воды, всасываемой корнями, образуется органическое вещество — сахар (глюкоза). При этом выделяется кислород. Частично он используется растениями для дыхания, а излишки поступают в воздух также через устьица. Сахар затем превращается в крахмал. Крахмал в воде не растворяется. Образование сахара на свету при участии воды и углекислого газа происходит только в хлоропластах и только за счет энергии солнечного света.

Следовательно, процесс образования в хлоропластах на свету органических веществ из воды и углекислого газа с выделением кислорода называется фотосинтезом (рис.1).

Рис.1 Процесс фотосинтеза

История открытия фотосинтеза

Первые опыты по изучению питания растений провел в 1630 г. голландский врач Ян Батист ван Гельмонт. Он доказал, что растения не получают органические вещества в готовом виде из почвы, а сами образуют их (рис.2)

Рис.2 Опыт Яна Батиста ван Гельмонта

А швейцарский естествоиспытатель Жан Сенебье доказал, что растения используют углекислый газ.

Русский ученый К. А. Тимирязев (1843-1920) впервые описал роль хлорофилла (пигмент, который находится в хлоропластах) в фотосинтезе. Он назвал фотосинтез космическим процессом. Растения используют космическую энергию Солнца. Жизнь как явление существует на нашей планете, только благодаря фотосинтезу, обеспечивающему питанием и кислородом все живое. Может, благодаря фотосинтезу наша планета единственная в Космосе, населенная живыми существами?

Опыт доказывающий образование крахмала в листьях

Доказать процесс образования крахмала в листьях можно путем постановки простого опыта (рис.3)

Рис.3 Образование крахмала в зеленых листьях на свету

Комнатное растение, желательно пеларгонию или примулу, хорошо поливают и ставят в темное место на 2-3 дня. За это время растением расходуется ранее образованный в листьях крахмал. Через 2—3 дня несколько листьев на растении закрывают с двух сторон черной бумагой так, чтобы часть поверхности листа оставалась открытой. Растение выставляют на свет.

Через сутки бумагу убирают, лист срывают, опускают его на одну минуту в кипяток, затем переносят в посуду с горячим спиртом, который в целях предосторожности подогревается на водяной бане. Обесцвеченный лист ополаскивают холодной водой и помещают в плоский сосуд. Расправленный лист заливают слабым раствором йода. Через 2—3 мин можно увидеть, что закрытая часть листа не изменила своего цвета, а та часть листа, на которую попадал свет, окрасилась в синий цвет.

Обработка йодом помогает обнаружить в клетках крахмал. Следовательно, крахмал образуется в листьях только на свету.

В ходе фотосинтеза растение использует углекислый газ и выделяет кислород, который поддерживает горение. Это можно подтвердить следующим опытом.

Следует взять две банки (0,8 л) из светлого стекла и поместить в каждую по 5-6 веточек традесканции. Чтобы растения не завяли, в банки наливают немного воды. Затем небольшие свечи, укрепленные на проволоке, зажигают, опускают в банки и закрывают их. Вскоре свечи погаснут, что указывает на отсутствие в банке кислорода и на увеличение содержания углекислого газа, образовавшегося в результате горения свеч. Свечи вынимают, закрывают обе банки стеклом и выставляют одну на свет, а другую — в темное место. На следующий день банки открывают и опять опускают туда на проволоке зажженные свечи. В банке, стоявшей на свету, свеча горит, а в банке, находившейся в темном месте, — гаснет (рис.4).

Читайте также:  Нужен свет обращайтесь помогу

Рис. 4 Образование кислорода на свету

Таким образом, вы снова убедились, что зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который поддерживает горение, только на свету, т. е. в процессе фотосинтеза. А при дыхании растения, как и все живые организмы, поглощают кислород, а выделяют углекислый газ.

Подводим итог

Фотосинтез — основа воздушного питания растений. При фотосинтезе зеленые растения с помощью хлорофилла извлекают энергию из солнечного света и с ее помощью создают органические вещества из углекислого газа и воды. Как побочный результат при фотосинтезе выделяется кислород.

Источник

Синтезированы молекулы, поглощающие весь спектр солнечного света

Некоторые учёные считают, что будущее человечества напрямую зависит от того, сможет ли оно воссоздать технику фотосинтеза, научится ли использовать энергию Солнца так же эффективно, как это делают растения.

Но зачем ограничивать себя рамками, которые установила природа? Ведь мы можем сделать ещё лучше и даже улучшить природный хлорофилл.

Зелёные растения полагаются на два пигмента для поглощения солнечной энергии: хлорофилл a, хлорофилл b. Каждый из них активен в определённых участках видимого спектра.

Есть ещё редкий хлорофилл d, который поглощает энергию в ближнем ИК-диапазоне.

Тщательно изучив разные виды хлорофилла, группа химиков из трёх американских университетов нашла способ модифицировать пигмент таким образом, чтобы он воспринимал весь диапазон солнечного света. Учёные опубликовали несколько статей в разных журналах, где разъясняют работу хлорофилла. Так, их работа в журнале “Photochemistry and Photobiology” за 12 января 2015 года описывает удивительный способ, которым молекулярная химическая структура хлорофилла иногда изменяет цвет поглощаемого света.

В последующих публикациях в “Journal of Physical Chemistry B” авторы сконцентрировались на том, как расширить диапазон воспринимаемого света в область красного и ближнего ИК-диапазона.

Чтобы понять необычные свойства светочувствительного пигмента, химики сконструировали множество вариантов молекул хлорофилла с нуля и изучали их свойства в разных конфигурациях молекулярной структуры, сообщается в пресс-релизе университета Вашингтона в Сент-Луисе.

Они поняли, какие молекулярные группы нужно добавить к хлорофиллу, чтобы увеличить его чувствительность. На иллюстрации показано, что если добавить атомы кислорода по одной оси, то возрастает чувствительность к свету на меньшей длине волны, а если добавить молекулярную группу по другой оси, то возрастает чувствительность с другой стороны воспринимаемого диапазона.

Результаты опубликованы в журнале “Journal of Physical Chemistry B” от 13 марта 2015 года.

Благодаря этому открытию в будущем станет возможным синтезировать новые растения со сверхэффективным фотосинтезом (представьте овощи, которые вырастают за пару недель). Кроме того, можно повысить кпд солнечных фотоэлементов, если использовать органический слой, подобный вышеописанному.

Источник

Энергия солнечного света

Солнце освещает и обогревает нашу планету, иначе на ней была бы невозможна жизнь не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце – основной (хоть и не единственный) двигатель процессов, происходящих на Земле. Земля получает от Солнца не только тепло и свет. Разные виды энергии солнечного света и потоки частиц постоянно влияют на ее жизнь.

Солнце отправляет на Землю различные электромагнитные волны: от многокилометровых до гамма-лучей. К границам Земли долетают заряженные частицы различных энергий – высоких (космические солнечные лучи), низких и средних (выбросы от вспышек, потоки солнечного ветра). Солнце, наконец, испускает сильный поток элементарных частиц – нейтрино. Но воздействие последних на жизненные процессы на нашей планете ничтожно мало: земной шар для этих частиц является прозрачным, и они сквозь него свободно пролетают.

Читайте также:  Лавкрафт при свете луны

Только малейшая часть заряженных частиц из межзвездного пространства оказывается в атмосфере Земли (все остальные задерживает или отклоняет геомагнитное поле). Но этой энергии солнечного света достаточно, чтобы вызывать полярные сияния и возмущения в магнитном поле планеты.

Электромагнитное излучение в земной атмосфере подвергается строгому отбору. Она прозрачна только для ближних инфракрасного и ультрафиолетового излучений, видимого света и радиоволн в относительно низком диапазоне (от метровых до сантиметровых). Остальная часть излучения отражается атмосферой или поглощается ей, нагревая ее верхние слои и ионизуя их.

Поглощение жестких ультрафиолетовых и рентгеновских лучей начинается на высотах 300-350 км; здесь же отражаются самые длинные радиоволны, поступающие из космоса. Рентгеновские кванты, образующиеся от хромосферных вспышек при сильных всплесках рентгеновского солнечного излучения, могут проникать до высот 80-100 кмот поверхности Земли, они ионизируют атмосферу и приводят к нарушению связи на коротких волнах.

Длинноволновое (мягкое) излучение ультрафиолета может проникать еще глубже, его поглощение происходит на высоте 30-35 км. Ультрафиолетовые кванты здесь разбивают на атомы молекулы кислорода (О2) с дальнейшим преобразованием озона (О3). Так появляется «озонный экран», непрозрачный для ультрафиолета, который предохраняет жизнь на Земле от губительных лучей. Часть самого длинноволнового ультрафиолетового излучения, которая не поглотилась, достигает до земной поверхности. Именно этот вид энергии солнечного света вызывает у людей загар, а в некоторых случаях даже ожоги кожи, если человек долго находится на солнце.

В видимом диапазоне излучение слабо поглощается. Но атмосфера его рассеивает даже, если нет облаков, и часть его возвращается в межзвездное пространство. Облака, состоящие из твердых частиц и капелек воды, в значительной мере усиливают отражение солнечного излучения. В итоге до поверхности планеты доходит примерно половина энергии солнечного света, падающей на границу земной атмосферы.

Количество энергии Солнца, имеющееся на поверхности площадью 1 м2, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на границе атмосферы Земли, называется солнечной постоянной. С Земли ее очень сложно измерять, поэтому значения, которые были найдены до начала современных космических исследований, были только приблизительными. Небольшие колебания (если они существовали реально) заведомо «исчезали» в неточности измерений. Только осуществление специальной космической программы по вычислению солнечной постоянной дало возможность найти ее достоверное значение. По последним данным, оно равняется 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%. В процессе измерений не было зафиксировано колебаний, превышающих 0,2%.

На Земле энергия солнечного света поглощается океаном и сушей. Земная поверхность в нагретом состоянии в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области.

Для данного излучения кислород и азот атмосферы являются прозрачными. Зато оно жадно поглощается углекислым газом и водяным паром. Благодаря этим небольшим составляющим воздушная оболочка может удерживать тепло. В этом и состоит парниковый эффект атмосферы. Между поступлением энергии солнца на Землю и потерями ее на планете существует равновесие: сколько энергии поступает, столько ее и расходуется. Иначе температура поверхности Земли вместе с атмосферой или бы постоянно повышалась, или понижалась.

Читайте также:  Виноградная шпалера по сторонам света

Всего за три дня Солнце отправляет столько энергии на Землю, сколько ее содержится во всех существующих запасах ископаемых топлив, а за одну секунду – 170 млрд. Дж. Основная часть данной энергии рассеивается и поглощается атмосферой, особенно облаками, и лишь ее треть достигает поверхности планеты. Вся энергия, которую Солнце испускает, превышает ту ее часть, которую Земля получает, в 5 млрд. раз. Но даже такая малая величина в 1600 раз превышает энергию, которую могут дать другие источники взятые вместе. Энергия солнечного света, падающая на поверхность одного озера, приравнивается к мощности достаточно крупной электростанции.

Солнечная энергия – самый грандиозный, недорогой, но и, наверное, менее используемый человечеством источник энергии.

В последние годы резко повысился интерес к использованию энергии солнечного света. Возможности энергетики, основанные на применении непосредственного излучения Солнца, невероятно велики.

Использование 0,0125% солнечной энергии могло бы покрыть все сегодняшние потребности энергетики мира, а 0,5% могли бы покрыть потребности на перспективу. Но практически может быть использована только очень малая часть данной энергии. Одна из основных причин такой ситуации – слабая плотность энергии Солнца. Мощность, снимаемая с 1 м2 поверхности освещенной солнцем в среднем составляет 160 В. Чтобы сгенерировать 100 тыс. кВт нужно снять энергию с площади в 1,6 км2. Ни один из методов преобразования энергии, известных в настоящее время, не обеспечивает экономическую эффективность такой трансформации.

Солнечная энергетика является материалоемким видом производства энергии. Получение энергии солнечного света в крупных масштабах влечет за собой огромное увеличение потребностей в трудовых ресурсах и материалах для добычи сырья, получения материалов, изготовления коллекторов, гелиостатов, иной аппаратуры, их перевозки. Электрическая энергия, рожденная лучами Солнца, пока еще обходится намного дороже, чем энергия, получаемая обычными методами. Ученые надеются, что опыты и эксперименты, которые проводятся в настоящее время на станциях и опытных установках, помогут решить существующие экономические и технические проблемы.

Не смотря ни на что, станции, преобразующие солнечную энергию, возводятся, и они работают.

При помощи гелиоустановок энергия солнечного света преобразуется в электрическую или тепловую энергию, удобную для практического использования. В южных областях нашей страны существует множество солнечных систем и установок. С их помощью осуществляется горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха в общественных и жилых помещениях, отопление животноводческих теплиц и ферм, сушка сельскохозяйственной продукции, подъем и опреснение минерализованной воды, термообработка строительных конструкций.

В нашей стране с начала 50-х годов космические летательные аппараты в качестве главного источника энергопитания используют солнечные батареи, преобразующие энергию солнечной радиации непосредственно в электроэнергию. Они являются незаменимым источником электричества в ракетах, спутниках и межпланетных автоматических станциях.

Освоение пространства космоса дает возможность разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для обеспечения энергией Земли. В отличие от земных станций, эти станции будут не только получать максимально плотный поток теплового излучения Солнца, но и не зависеть от смены дня и ночи, погодных условий. Ведь в космосе Солнце светит с постоянной интенсивностью.

Продолжается исследование возможностей более широкого применения гелиоустановок: «солнечные» крыши на домах для тепло- и энергоснабжения, установка «солнечных» крыш на автомобилях позволит подзаряжать аккумуляторы, «солнечные» фермы в сельской местности и т.д.

Энергетики и ученые продолжают искать новые более дешевые возможности применения энергии солнечного света. Появляются новые идеи и проекты.

Источник

Adblock
detector