Ánh sáng và Năng lượng

Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả trực tiếp dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang lại thực phẩm, nước và cả không khí.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ánh sáng và Năng lượng Ánh sáng và Năng lượng Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả trựctiếp dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang lại thựcphẩm, nước và cả không khí. Kiến thức của chúng ta về giá trị của các tia sáng MặtTrời suy đi nghĩ lại quẩn quanh theo kiểu mà chúng ta thu lợi từ nguồn năng lượngđó, nhưng có những liên hệ còn cơ bản hơn nhiều xuất phát từ mối liên quan giữaánh sáng và năng lượng. Dù cho loài người có nghĩ ra được những cơ chế tài tìnhđể khai thác năng lượng Mặt Trời hay không thì hành tinh của chúng ta và môitrường luôn luôn biến đổi chứa trong nó vốn bị chi phối bởi năng lượng của ánhsáng Mặt Trời. Chúng ta đều biết rằng nếu như Mặt Trời không mọc, thì thời tiết của chúngta sẽ chuyển sang mùa đông lạnh lẽo mãi mãi, ao hồ và sông suối sẽ đóng băngkhắp nơi, và thực vật và động vật sẽ nhanh chóng bị diệt vong. Các động cơ sẽkhông hoạt động được, và chúng ta không có cách nào để chuyên chở thực phẩmhoặc nhiên liệu, hoặc để phát ra điện. Với chất đốt hạn chế để tạo ra lửa, loài ngườisẽ sớm không còn nguồn thắp sáng hoặc nguồn cấp nhiệt. Tuy nhiên, với sự hiểubiết hiện nay của chúng ta về hệ mặt trời, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng MặtTrời sẽ mọc lên vào ngày mai, như trước nay nó vẫn mọc kể từ khi Trái Đất lần đầutiên cô đặc lại từ một đám mây khí của các mảnh vụn vũ trụ. Trong quá khứ chưalâu lắm, loài người không chắc chắn lắm về điều này. Họ không thể giải thích đưcợtại sao Mặt Trời lại chuyển động ngang qua bầu trời, họ cũng không biết cách thứcnó tạo ra ánh sáng khác biệt giữa ngày và đêm. Nhiều nền văn minh đã ghi nhậntầm quan trọng của Mặt Trời, tôn thờ ngôi sao gần chúng ta nhất này làm thầnthánh (xem hình 1) với niềm hi vọng là nó sẽ không biến mất. Lượng năng lượng rơi lên bề mặt Trái Đất đến từ Mặt Trời khoảng chừng 5,6tỉ tỉ megajun mỗi năm. Tính trung bình cho toàn bộ bề mặt Trái Đất, điều này cónghĩa là mối mét vuông nhận được chừng 5 kWh mỗi ngày. Năng lượng đến từ MặtTrời trong một ngày có thể cung cấp nhu cầu cho toàn bộ dân cư của Trái Đất trongba thập kỉ. Rõ ràng là không có phương tiện nào có khả năng (và cũng không cầnthiết) khai thác toàn bộ nguồn năng lượng có sẵn này, cũng hiển nhiên là việc nắmbắt cả một phần nhỏ của nguồn năng lượng có sẵn này ở dạng có thể sử dụng đượcsẽ có giá trị rất lớn. Mặc dù toàn bộ năng lượng chạm đến bầu khí quyển Trái Đất xuất phát từMặt Trời là thật đáng kinh ngạc, nhưng nó không có mức độ tập trung rất cao sovới các dạng năng lượng khác mà chúng ta sử dụng, ví dụ như lửa, các loại đènnóng sáng và các lò sưởi điện. Vì vậy, bất cứ phương tiện nào bắt lấy năng lượngMặt Trời cũng phải chiếm một diện tích tương đối lớn để làm tập trung có hiệu quảphần năng lượng cần thiết. Chỉ trong vài thập niên gần đây, loài người mới bắt đầutìm kiếm nghiêm túc cơ chế khai thác tiềm năng khổng lồ của năng lượng Mặt Trời.Mối quan tâm lớn này có nguyên do từ sức tiêu thụ năng lượng liên tục tăng lên,làm phát sinh các vấn đề môi trường và mối lo ngại về sự cạn kiệt không thể tránhkhỏi của các nguồn nhiên liệu hóa thạch mà chúng ta ngày càng phụ thuộc nhiềuvào chúng. Cung cấp năng lượng cho sự sống Năng lượng Mặt Trời có liên quan mật thiết tới sự tồn tại của mọi sinh vậtsống có mặt trên hành tinh này và cách thức mà các dạng sống buổi đầu phát triểntrên Trái Đất nguyên thủy, sau cùng tiến hóa thành những dạng hiện tại của chúng.Hiện nay, các nhà khoa học nhận thấy cây cối hấp thụ nước và carbon dioxide từmôi trường, và sử dụng năng lượng từ Mặt Trời (xem hình 2) chuyển hóa các chấtđơn giản này thành glucose và oxygen. Với glucose là viên gạch cấu trúc cơ bản,cây cối tổng hợp nên một số chất hóa sinh phức tạp chứa carbon để sinh trưởng vàduy trì sự sống. Quá trình này gọi là sự quang hợp và là cơ sở của sự sống trên TráiĐất. Các nhà khoa học vẫn chưa làm sáng tỏ được cơ chế phức tạp mà qua đó sựquang hợp xảy ra, nhưng quá trình này đã tồn tại hàng triệu năm nay rồi và sựthích nghi rất sớm trong lịch sử tiến hóa của sự sống. Những sinh vật sống đầu tiênlà các sinh vật hướng hóa chất, lớn lên bằng cách thu năng lượng từ những phảnứng hóa học đơn giản. Từ những tổ chức nguyên thủy này, tế bào ra đời có thể thunăng lượng cần thiết từ sự quang hợp, tạo ra sản phẩm là oxygen. Đơn giản nhấttrong nhóm các cơ thể sống này là cyanobacteria. Sinh vật một tế nào chưa có nhânthật thuộc loại này là sinh vật sống lớn tuổi nhất trên hành tinh chúng ta, và ngườita tin rằng chúng là dạng sống thống trị trên Trái Đất hơn 2 tỉ năm. Các nhà địachất đã tìm thấy những khối cyanobacteria hóa thạch lớn, gọi là stromatolite, trênba tỉ năm tuổi (một số mẫu vật khác có thể tìm thấy ở vùng biển nông duyên hảiAustralia). Trước khi các sinh vật quang hợp phát triển, có rất ít oxygen trong bầu khíquyển Trái Đất, nhưng một khi quá trình tạo oxygen bắt đầu, khi đó tồn tại khảnăng có các sinh vật tiến hóa cần oxygen. Do lượng năng lượng rất lớn có sẵn từMặt Trời, nên khả năng nhận được các thành phần cần thiết cho sự sống là nguồncung cấp Mặt Trời có thể thực hiện dễ dàng với những dạng thức sống phức tạphơn nhiều trước khi quá trình quang hợp tiến triển. Đa số cây cối lớn lên trên đất, và nếu bị nhổ lên, chúng sẽ chết. Trong nhiềuthế kỉ, loài người tin rằng cây cối sinh sôi là nhờ ăn đất. Những phép đo tỉ mỉ sựtăng trưởng của cây xanh đã được thực hiện bởi nhà khoa học người Bỉ, JanBaptista van Helmont, vào đầu thế kỉ 17. Van Helmont đã chứng minh được mộtcái cây đang lớn tăng trọng nhiều hơn lượng đất bị mất, và kết luận rằng cây xanhđược nuôi dưỡng bằng một thứ gì đó, ngoài đất ra. Cuối cùng, ông kết luận cây lớnlên, một phần. là nhờ nước. Hơn nửa thế kỉ sau, nhà sinh lí học người Anh StephenHales phát hiện thấy cây xanh cũng cần có không khí để trưởng thành, và, thậtngạc nhiên, ông nhận thấy cây cối hấp thụ khí carbon dioxide ...