2.4　只要太阳依然存在，地球能源就永不枯竭

2.4.1　太阳与地球的太阳能

2.4.1.1　太阳质量与核反应能量

太阳的直径约为1.4×106km，是一个巨大的灼热气体球。太阳的质量约2.0×1027t，是地球质量的33.3万倍，占太阳系总质量的99.87%。太阳的表面温度约6000K（5726℃），据科学家推测，中心部分温度可高达1.5×107K。太阳的密度大概是水的160倍。从太阳的构成元素看，3/4太阳物质是氢元素。在高温、高压条件下，氢元素会很容易失去外层电子，仅剩的内部原子核称为质子。质子之间存在静电力，通过极大速度运动克服彼此间的相互作用力。当质子发生剧烈的碰撞时，由4个氢原子核聚变为1个氦原子核，即热核反应。这种化学反应持续、不间断进行，使太阳成为一所巨大的天然原子能工厂。太阳内部结构和太阳能量如图2-8所示。

太阳内部的核聚变反应方程式：4H→He+m。

太阳内部发生的核聚变中，质量和能量的转化关系可用爱因斯坦的狭义相对论详尽说明，即著名的“E=mc2”公式。在核聚变前，1个氢原子核的质量为1.0079m0，4个氢原子核的总质量为4×1.0079=4.0316m0（m0为原子质量单位，以碳原子的1/12为标准），1个氦原子核的质量是4.0026m0。当热核反应发生时，每发生一次核聚变，过程中亏损0.029m0的质量。由于真空中光的速度达到约3×105km/s，所以很少一点质量产生的动量很大，转化后的能量也是巨大的。根据推算，1g氢核聚变为氦核产生的热能大约为6.3×1011J或1.5×1011J，相当于燃烧15t石油或2700t煤所产生的能量。

电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，可以有效地传递能量和动量，包含可见光、紫外线、红外线、无线电波、X射线和γ射线等。太阳内部无时无刻不在发生热核反应，而且其体积巨大，能源不断地以电磁波的形式向周围放射能量，是整个太阳系光和热的主要源泉。

2.4.1.2　太阳的年龄与寿命

按爱因斯坦质能方程计算，太阳的寿命为100亿年，目前正处于稳定而旺盛的中年时期，为50亿年。

主序星是内核只发生氢聚变的恒星，太阳现在就处于主序星阶段。它的内核每秒燃烧6亿多吨氢燃料并释放能量。氢聚变的产物——氦元素在此阶段不发生任何核聚变，只是沉积在太阳的内核深处，主序星阶段的太阳内核温度大概在1500万℃，表面温度大概在6000℃。太阳的主序星阶段会持续90亿年左右。

当太阳内核的氢燃料逐渐耗尽时，引力会逐渐占据上风。核聚变反应的扩张力逐渐减小，挤压恒星内核的引力逐渐凸显，太阳的内核被引力更加猛烈地挤压，温度会逐渐从1500万℃上升至大约7000万℃。当太阳内核达到7000万℃时，原本沉积在内核深处的氦元素会猛然发生核聚变，并释放出大量的能量，这一现象称为氦闪燃。氦聚变的反应过程十分猛烈，比氢聚变的反应速率要大得多。氦聚变释放的能量将迅速使太阳内核的温度从7000万℃飙升至1亿℃以上。太阳因为受热膨胀，会演化成一颗红巨星。成为红巨星的太阳体积会比现在膨胀100万倍以上，足以吞没包括火星在内的四个内行星，届时我们的地球也将在劫难逃。但由于太阳膨胀，热量散发得更快，太阳表层的温度会降低，大概只有3000℃，太阳的红巨星阶段大约只持续10亿年。

大约再过50亿年，太阳将毁灭，即太阳将进入白矮星期。当太阳成为红巨星时，它的内核会燃烧氦燃料，氦聚变形成的产物是碳元素。这些碳元素同样会沉积在比氦更深的内核深处。成为红巨星的太阳的体积因为受热而无休止地膨胀下去，直至完全瓦解。当太阳的外层结构瓦解后，沉积在内核深处的碳核心会逐渐裸露出来。当氦聚变完全停止时，内核会再次塌缩，温度飙升至数亿度以上。但由于塌缩产生的热量无法引发比氦元素更重的碳元素的核聚变，所以太阳的内核只有继续忍受塌缩。碳元素的内核会塌缩至只有地球大小，但密度是地球的100万倍以上，这时太阳就已经死亡了，残留下来的就是一个炽热、浓缩的内核。这就是白矮星。白矮星借助太阳死亡之前的余热仍能够持续燃烧数十亿年，但自身不再产生能量，直至热量完全散发后，太阳会成为一颗冰冷、毫无热量的黑矮星。白矮星保存着太阳的大部分质量，所以它依然有足够的引力控制着剩下的四颗外行星绕着自身公转，但四颗内行星已经在太阳膨胀的过程中被燃烧殆尽了。这就是太阳，以及太阳系的最终结局。

2.4.1.3　进入地球的太阳能量与分布

太阳辐射指太阳以电磁波的形式向外传递能量，是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。太阳辐射传递的能量，称太阳辐射能。地球接受到的太阳辐射能仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能的二十二亿分之一。

到达地球大气上界的太阳辐射能称为天文太阳辐射量。太阳辐射通过大气时，由于受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，使得投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地球表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式，称为地面辐射。地面辐射是长波辐射，除部分透过大气射向宇宙外，大部分被大气中的水汽和二氧化碳所吸收。大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度低，放射的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。太阳辐射传递过程示意见图2-9。

由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.496×108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此，人们采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。

太阳常数（见图2-10）是指在日地平均距离上，地球大气层上界垂直于太阳光线的单位面积上每秒接受的太阳辐射。1981年，世界气象组织公布的太阳常数值是1367W/m2，地球的最大截面积是1.274×108km2，因此每秒地球接收到的太阳辐射能约为1.753×1017W，一年中太阳给地球的热量累计相当于发电量1.36×1018kW·h，是目前全世界总发电量的几万倍。

从太阳系角度看，地球吸收到的热量仅占太阳辐射总量中的二十二亿分之一。太阳向宇宙空间放射的总辐射能量可以作如下计算：以日地平均距离为半径的球面上，每秒每平方米获得的太阳常数乘以整个球面积，其值为1367×4π×（1.496×1011）2=38.45×1025W。

太阳辐射的波长范围在0.15~4μm。在这段波长范围内，又可分为三个主要区域，即波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区和介于二者之间的可见光区。太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外光区，可见光占太阳辐射总量的50%，红外光占太阳辐射总量的43%，紫外光区只占太阳辐射总量的7%。太阳辐射通过大气层后，其强度和光谱能量分布都发生变化，到达地面的太阳辐射能比大气上界小得多，在太阳光谱上能量分布在紫外光区几乎绝迹，在可见光区减少至40%，而在红外光区增至60%。太阳辐射中各种波长的光的辐射能力见图2-11，太阳辐射中各种波长的光通过大气层的吸收情况见表2-2。

太阳辐射是地球表层能量的主要来源。太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天文位置决定的，称此为天文辐射。由天文辐射决定的气候称为天文气候。天文气候反映了全球气候的空间分布和时间变化的基本轮廓。太阳辐射随季节变化呈现有规律的变化，形成了四季。在地球大气上界，北半球夏至时，日辐射总量最大，从极地到赤道分布比较均匀；冬至时，北半球日辐射总量最小，极圈内为零，南北差异最大。南半球情况相反。春分和秋分时，日辐射总量的分布与纬度的余弦成正比。南、北回归线之间的地区，一年内日辐射总量有两次最大，年变化小。纬度愈高，日辐射总量变化愈大。

到达地表的全年太阳辐射总量的分布基本上遵循由低纬度向高纬度递减的规律，只是在赤道地区，由于多云，年辐射总量并不是最高。在南北半球的副热带高压带，特别是在大陆荒漠地区，年辐射总量较大，最大值出现在非洲东北部。

虽然地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十二亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉。太阳辐射为地球提供光和热；维持着地表温度，促进地球上的水循环、大气运动和生物活动和变化，决定了地理环境的基本特征；为人类生产生活提供化石能源。(1)

2.4.2　光合作用是收集、储存、应用太阳能的最佳途径

太阳光照射到地球后，一部分转化为热能，另一部分在生物体内转化为化学能。生物中最主要的太阳能吸收器和储存器分别是绿色植物和绿色植物的果实。因为只有绿色植物才可以将太阳光的能量（太阳能，即光能）通过光合作用转化成化学能储存在有机物里，而且绿色植物是整个生物圈绝大部分生物的能量来源，最终来源是太阳能，所以绿色植物是最主要的吸收器。又因为有机物储存在绿色植物的果实里，所以绿色植物的果实是最主要的储存器。

光合作用是地球上最大规模利用太阳能把CO₂和水等无机物合成有机物并放出氧气的过程。每年地球上通过光合作用合成的有机物约为2200亿吨，相当于人类每年所需能耗的10倍，是作物及生物能的物质基础。

如以地质纪年为跨度，地球接收太阳光的主要方式是各种植物通过光合作用中细胞内的叶绿体细胞色素的转换将太阳能固化在体内。当植物死去的时候，一方面可能作为食草动物的食物将能量带入动物体内，另一方面如果被深埋入地下，经过很长的时间，将会变成煤炭，动物则变为石油，这是太阳能的主要储存方式——化学能，具体说是化学键之间的能量。地球也在向外部辐射能量，其中热辐射是主要方式，地球上大部分物体的运动都涉及能量的转移和热量的散失。

生物质能源是植物通过光合作用将太阳能以化学能的形式固定，并贮存在生物体内的一种能量形式，是地球上最普遍的可再生能源。狭义的生物质一般是指植物体在生长过程中，将太阳能转化为化学能，并存储在植物体各个器官内的能源物质形式。广义的生物质还包括以植物体或某器官为食物而转化为动物、微生物等生命体获得的能源物质形式，包括利用现代技术加工生物体或器官后剩余的废弃物等。因此，从根本上说，生物质能源来自太阳能，将所存储的能量转移至生物质依赖于光合作用，作用过程如下：

因此生物质主要为含碳和氢的有机物，具有硫和氮含量少、CO₂排放几乎为零的优点，一般还含有少量的钾、钠等金属元素。

2.4.3　化石能源是地球历史上太阳能的储备

2.4.3.1　地球上的所有生命均来源于光合作用

光合作用是绿色自养植物合成有机物并维持其生命的重要途径。光合作用即光能合成作用，是植物、藻类和某些细菌在可见光的照射下，经过光反应和暗反应，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。在地球上，绿色植物对所有生命活动起关键作用，这主要体现在：人和绝大多数动物的生命活动都依赖于氧气；绿色植物自身是食物的第一级来源，通过食物网的传递为异养生物提供能量。

地球上最初并没有生命存在，在生命起源时大气中以CO₂为主，同时含有氢、氨、硫化氢和一些简单的碳水化合物。随着地球的逐步演化，在雷电和太阳光紫外线的作用下，逐渐形成了一些较复杂的有机化合物，如氨基酸、多肽和卟啉等。

有生命的物质出现后，它们要继续生存，就需要不断地消耗当时存在的、由非生物形成的有机物。然而，靠化学演化所形成的有机物质远远不能满足它们的需要。因此，在那些有生命的原始生物中便逐渐产生了能够直接利用太阳光能的“突变体”，这对于生物的生存和发展具有决定性作用。但是，这些具有光合功能的自养生物（可能是光合细菌）在利用太阳光能同化CO₂、制造有机物时，只能依赖由化学演化形成的还原剂——硫化氢或氢这类还原性气体，这同样不能满足它们生存和发展的需要。因此，在演化过程中，便出现了既能直接以太阳光能为能源，又能直接以水为氢源来还原CO₂，制造有机物的新的“突变种”，这就是植物。植物的出现使地球的演化和生物的进化都完成了巨大的飞跃，这是因为植物突破了依赖氢气或硫化氢还原CO₂的限制，使能够合成有机物的光合作用可以规模化进行。植物在光合作用过程中不断分解水，满足了还原CO₂时所需要的氢源，而且释放出大量氧气，为生物的演化提供了足够的物质和氧气，从而大大促进了生物的进化。

地球大气层中氧气的积累，不仅使生物从利用能量效率很低的无氧呼吸进化到利用能量效率很高的有氧呼吸，为进化出需要更多能量、结构复杂的生物创造条件，而且使大气中有足够的氧气转化为臭氧。而臭氧的出现和大量形成，在大气上层形成一个天然屏障。这个天然障碍可以有效地滤去太阳辐射中对生物有强烈损伤和破坏作用的紫外线，这对生物的进化具有极为深刻的意义。由于臭氧层对生物具有良好的保护作用，使它们不再像过去那样依赖水层（水可以大量吸收紫外线）的保护而局限于生活在水中，而是开始登上陆地生活、繁殖和进一步演化，结果使地球上逐渐形成了种类繁多的植物界和动物界。

可见，如果没有植物以及它们的光合作用为生物演化提供所需的物质和能量以及氧气，生物的进化就会受到极大限制，也许至今地球上的生物还处于极其原始的阶段，地球表面也不能演变出现存的千姿百态的地貌和形成丰富多彩的各种生物品种和化石能源。

绿色植物是生物圈中有机物的制造者以及生物圈中的碳—氧平衡器（见图2-12、图2-13）。

2.4.3.2　生物发展过程伴随着化石燃料形成过程

生命的演化过程大致为：约38亿年前生命诞生，随后进行不断的演化，但未能出现质的飞跃。到了距今5.5亿年前的古生代寒武纪，生命才迎来了真正的大爆发性的演化。过了几千万年，生命才逐渐从海洋登上了陆地。

4.4亿年前至4亿年前时期，生物主要是浮游植物，其所形成的耐碳氢化合物是石油源岩的主要成分。同期，在海岸近处羊齿类植物生长茂盛，以陆上植物为原料的石油源岩在这个时期也出现了。

2.9亿年前，由裸子植物组成的森林大片大片出现在陆地上，并到处形成被沼泽地包围的湖沼。此阶段，大量陆生植物形成煤炭，藻类也在湖沼中开始繁殖，由此也产生了以陆生藻类为原料的新种石油源岩。从9000万年前开始，被子植物和针叶树林开始逐渐扩张到高纬度地区和高地，大量植物死亡形成煤炭，同时出现了以陆地木材为原料的石油源岩。另外，树木的树脂成为轻质原油的原料，形成新的石油源岩。

2.4.3.3　生物掩埋过程与石化能源的形成

大量生物质死亡后，只有其中的一小部分转化为石油、煤炭等化石能源。以煤为例，其条件为：

（1）堆积封存。①所堆积部位是一个不断下降的地区，否则将在地面氧化分解，重新以CO₂形式返回大气中。②有足够的地下水能够及时掩埋堆积物，使之不被氧化，但又能保证植物生长并继续堆积。③当堆积到一定的资源量时，适逢地表快速沉降或其他无机沉积物快速堆积使之密封储存，并开始进入变质过程。而未封存部分则被氧化分解后再以CO₂形式返回大气中。④变质成煤后，又有大部分在地壳波动升降中重新上升至地表，被风化剥蚀，重新以CO₂形式进入大气。只有少部分煤储存在适宜人类开采的深度范围内而被利用。

（2）变质成煤。植物堆积封存后，开始进入变质成煤阶段。决定其变质程度及变质品种的因素为：①时间。变质程度与时间成正比。②压力。变质程度及变质品种与埋藏深度成正比。③地温。变质程度及变质品种与所在地区温度梯度及深度成正比。

在经历了以上两个过程后，我们得到了今天的多品种、多用途的煤炭产品，包括褐煤、动力煤、炼焦煤、无烟煤四大类十四个煤炭品种。

2.4.3.4　不同的生物环境形成了不同的化石能源品种

煤是由远古植物遗体大量堆积，并经过一系列长期的生物化学反应和物理演化而形成的固体可燃性矿物，是一种固体可燃有机岩，俗称煤炭。煤被人类誉为黑金，工业的食粮，它是工业革命以来人类世界使用的主要能源之一，地位仅次于石油。而在中国这个70%以上能源依靠煤炭提供的国家，煤炭的作用甚至还要强于石油。在地质历史上，煤炭形成年代主要是石炭纪、二叠纪、三叠纪以及侏罗纪等地球植物生长繁盛的时期。

不同的成煤地质历史时期，地球的地质、气候、生态环境以及植物的进化程度并不相同，形成的煤层也各有特点。早石炭纪时期，由于陆地面积不断扩大，大量浅水植物逐渐适应陆生生活，并在陆地上蓬勃发展。这一时期我国华北、华南地区处于赤道附近，为热带潮湿气候，为植物的迅速登陆并大范围快速扩展提供了极其良好的外部条件。这一时期是中国重要的聚煤时期。在晚石炭纪之后的二叠纪早中期，地球古气候环境进入多变期，剧烈的气候变化对于加快自然选择进程，促进植物进一步适应陆生环境起到了相对积极的作用，使植物种类日益繁盛。但是，这对于需要大量植物遗体积累的煤的形成过程的打击无疑是巨大的，在整个晚石炭纪和二叠纪早中期，煤炭形成数量和质量都极其稀少。之后的三叠纪早期，由于全球范围内的干旱和气候变迁，植物生长缓慢，没有形成大规模的聚煤时期。及至三叠纪晚期及侏罗纪早期，全球气候转向湿热，植物生长重新繁盛，范围也大大扩展，中国北部在这一时期形成了大量的煤层，因此这一时期也是中国最为重要的聚煤时期。到了侏罗纪中晚期，由于中低纬度地区持续干旱且气候变化剧烈，高纬度地区植物生长速度加快，因此这一时期煤层主要集中于高纬度地区。堆积作用、生物作用、化学作用、物理作用是煤炭形成所需的条件。

关于石油的形成，科学家们提出了两种观点：一种观点是“无机成因说”，认为石油是由地下深处的岩浆等物质发生一系列化学反应形成的。然而，石油中富含的生物成因信息则支持了另一种观点——石油的“有机成因说”，即各种动物、植物，特别是低等的藻类、细菌、蚌壳、鱼类等动植物死后的尸体，埋藏在不断下沉缺氧的海湾、泻湖、三角洲、湖泊等地，经过长期的物理、化学作用，逐渐形成了石油。油气形成的首要条件是形成有机质的物质，从地球上出现生命开始，生长、生活在海洋或湖泊里的动植物死亡后，其“遗体”伴随着水中的泥沙一起慢慢沉入水底并逐渐堆积起来，而后在微生物的参与下发生腐烂分解形成沉积有机质。在这一过程中，部分有机质被微生物直接分解，形成以甲烷为主的生物气。只是具备了丰富的有机质沉积，还是不能生成石油，还必须具备缺氧环境、温度、压力、时间、催化剂等因素，形成演变为油气的物理和化学条件，为油气的形成提供良好的环境。

现代的生油理论还认为，生物体中的有机质先要转化成一种特殊的叫作“干酪根”的有机质，再由干酪根转化成石油。这种转化要在一定的物理化学条件下才能实现，其中地下温度起到了决定性的作用。干酪根开始变成石油的温度范围大致是100~130℃。除了温度的因素以外，油气的形成还与埋藏的时间长短有关。随着油气在泥岩有机质中不断生成，它们在泥岩的微小孔隙中越积越多，积聚的压力也越来越大，最终突破泥岩阻力，通过泥岩的微小孔缝运移出来。于是，这些油气从泥岩中进入到砂岩等孔隙较为发育的地层（“储集层”）中。在浮力的作用下，它们在连通孔隙或断裂、裂缝等通道中继续向上移动（称为“运移”），直至遇到致密地层不能再移动时，便在这些孔隙或裂缝中聚积起来。如果在向上运移过程中没有遇到致密的阻隔地层，它们便会到达地表散失掉。这些油气运移到孔隙度合适、渗透性良好的岩石孔隙和裂缝中时，形成常规油气资源，进入比较致密的砂岩中便形成致密油气藏，而那些残留在富有机质页岩中的油气则形成页岩油气。

天然气的形成物质非常广泛，其形成原理与石油相似。关于天然气的成因，有两种观点：一种是“有机成因说”。煤系列的有机物质最主要的来源是植物的腐烂，它存在于沼泽地域或者是海陆相交的地带，主要由多含烷基侧链以及含氧官能团的缩合多核芳香结构组成。镜质组和惰质组是我国煤系显微组分的主要部分，所以在各个不同的阶段都主要是生气，同时也存有生油。另一种是“无机成因说”。非生物原因形成的天然气就是无机形成天然气，作为天然气最为主要的形成类型，它的形成原因主要有两个：①岩石的化学变化，也就是碳酸盐岩在高温下会变质从而产生二氧化碳；②地底的岩浆活动或者其他活动产生的二氧化碳。科学家们已经研究出了二氧化碳的主要存在形式：气体中存在；与其他有机成因的气体共同存在；以气苗的形式存在于泉水中；在岩石的包裹层隙中存在。天然气中富集了有机物质被菌化或分解后形成的分散碳氢化合物，成为可燃气体。油页岩是水藻炭化后形成的，含灰分过多，多半不能自烯。页岩气是植物和动物死亡之后与其他物理沉积物混合堆积并在缺氧环境下分解，但被页岩体内巨大的表面积吸附而未被位移，从而富集形成的天然气。

地下各种能源层示意如图2-14所示。