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太陽エネルギーと宇宙への放射は、地球のエネルギー循環サイクル

投稿日:2010年1月28日 更新日:




疎水は限りある水を人工的に循環させることで、どの農地へも平均的に水が行き渡るような灌漑に役立てている。

エネルギーも疎水と同じように、運動を通して循環される中で様々な形をとりつつも、エネルギーの総量が変わることはない。

発電を考えてみると、それは無から有を作り出しているのではなく、

他の形態のエネルギーを電気エネルギーへと変換させているだけである。

原子力発電と地熱発電以外は、元を遡ってみれば全て太陽エネルギーからくるものだ。

太陽エネルギーによって植物が光合成を行い、有機質をつくる。

その有機質に太陽エネルギーが取り入れられ、我々がその植物を食べることで

植物内のエネルギーを得て、我々は運動エネルギーや音エネルギー、熱エネルギーを使って活動している。

このようにエネルギーは様々な形をとっても、エネルギーの総量自体が変わることがない。

地球に届いた太陽のエネルギーは、植物や動物の体内を回ってエネルギーを循環させている。

火力発電は、太陽エネルギーを含んだ化石燃料を燃やすことで熱エネルギーを得て、

そのエネルギーを利用して発電機をまわし、電気エネルギーを得ている。

有機質を持ったまま死んだ昔の生命体が、現代の効率の良い燃料に代わっていった。

昔の太陽エネルギーは時代を越えても循環されているのである。

光合成によって炭水化物が生成されることが、太陽エネルギーから始まる地球上のエネルギー循環サイクルだ。

二酸化炭素と水素と光エネルギーが合体すると、葉緑素が媒体となって炭水化物ができる。

炭水化物には太陽エネルギーが貯蔵され、その葉緑体を含む植物をより身体の大きい動物が食べて、活動のエネルギーにしている。

動植物たちが日々の活動の中で燃焼している炭水化物は、太陽エネルギーの解放と言うことができる。

その過程では取り入れた太陽エネルギーと同じ質量のエネルギーが解放されており、

循環するエネルギーの総量には変化がないことが分かる。

エネルギーを人工的に作り出すことはできない。

発電のような一見新たに生み出しているように見える行為も、

実情は元々あるエネルギーを別の新たなエネルギーへと形態変化させているだけなのである。

大元をたどれば、ほぼ全てのエネルギーは太陽から来ていると言うことができる。

あるエネルギーを別のエネルギーに転換させた後に、他のエネルギーに再度変えることは

原理的には可能だが、熱エネルギーに関しては限度があり、

30%ぐらいは他のエネルギーに変えられるものの、残りの70%は熱エネルギーのままである。

このように他のエネルギーに変えにくい熱エネルギーは、

太陽から生まれて派生していった各エネルギーの最終到達点なのである。

それでは太陽エネルギーはどこから生まれているのか。

宇宙はできたときに99%が水素でできていたことから、太陽の内部はほとんど水素である。

この水素の原子核4つが核反応を起こして、ヘリウム原子核になる。

水素とヘリウムとでは水素のほうが質量は大きく、ヘリウムになったことで質量減少が起こっている。

質量=エネルギーなのであるから、この減少分は質量がエネルギーに変わったことを意味する。

解放されたエネルギーは太陽を反射させ、光を伝って宇宙へエネルギーを飛ばして、

我々地球に届いたそのエネルギーを我々が得て生きているのである。

アインシュタインの公式「E=mc²」ではEがエネルギー、mは質量、cは光速である。

太陽で水素が核反応を起こしたときの質量はごくわずかな減少であるが、

太陽自体が巨大なものであるから、全体としては莫大なエネルギーを太陽は生み出している。

エネルギーは循環することを考えれば、例えばクーラーで室内を冷やしたとしても、

その同じ分の熱エネルギーが屋外を暑くしていることになる。

さらにはクーラーを動かすことで電気エネルギーを消費しており、

クーラーをつけても熱エネルギーを減らしていることにはならず、逆に熱エネルギーを使った分、全体をより暑くしているのだ。

このように地球上に溜まった熱エネルギーが地球を暖めているが、

地球はエネルギーを赤外線として宇宙へ放射して循環させている。

太陽エネルギーが形態を変えて地球のエネルギーとなり、

最後は地球から宇宙へと放射してエネルギー放出するという循環を地球は繰り返してきた歴史がある。

太陽が放つエネルギーの総量と地球が使うエネルギーとでは、

太陽からのエネルギーの量の方が格段に多く、この循環が成り立たせてきた。

ニュートンの運動の法則を見てみよう。

第一法則は、物体に力が働かなければ物体はその運動状態を保つと説明されている。

摩擦なし状態の水平面上であれば、止まった物は止まったままで、

動いたものは同じスピードを保ったまま同じ方向に動き続けるというものだ。

これは等速直線運動といって、同じ速度で同じ方向へ運動が続くという習性をうたったものだ。

新幹線を例に挙げると等速直線運動にあれば、直線状であるレールを走るときに、

スピードを減速させる摩擦の力とスピードを加速し続ける推進力が釣り合って、

左右は推進力と抵抗で釣り合って全体で力が働らいていない。

上下は抗力と重力で釣り合っていることからどの方向にも抵抗が働いていない状態になる。

左右上下の全体の力がゼロである等速直線運動を利用して新幹線は効率良くスピードを加速させていることになる。

新幹線に乗っている人はまるで新幹線が止まっているかのような感じにとらわれるが、それは間違いではない。

運動とは相対的なものだから、乗っている当本人には速度は変化なく加速度にも変化はない。

運動している物体は運動している状態のまま、というのが

ニュートン運動の法則の第一法則、慣性の法則と呼ばれる相対性原理である。

第二法則は、物体に力を働かせれば加速度が生じるということから、

加速度の大きさは力の大きさに比例するというものである。

逆に言うと加速度の大きさは物体の質量に反比例するということになる。

F=ma(力=質量x加速度)という運動方程式になるが、

これはW=mg(重力=質量x重力加速度)という重力の式の一般化であって両方とも同じことを言っている。

第三法則は作用・反作用の法則と言われるもので、

物体Aが物体Bに力Fを働かせると、物体Bは物体Aに力-Fを働かせるのである。

このときの力は同じだけの力をちょうど反対方向に働かせていることになる。

Wという重力で上から下へおさえると、同じ大きさ-Wを逆方向に押し返しており、トータルで上下の力はゼロになるのである。

相対性原理では止まっているのか等速直線運動をしているのか違いを見極めることが困難であるが、

止まっているのか加速度が働いているのかは見かけの力という考え方によって説明ができる。

電車の席に座っている人間には、椅子が人を進行方向へ電車の加速度と同じだけの加速度を働かせている。

その際には同時に人が椅子を反作用で同じ力で押し返している。

これが作用・反作用と呼ばれる力である。

人が椅子を押す方向に重力が働いているが、その重力とは反対方向に見かけの力が働いていることから、

乗り物の中で釣り合いの状態に人は自分が椅子を押す方向に力を感じることができているのだ。

加速度運動をしている中では、重力以外に人は見かけの力というものを持っている。

空気抵抗を無視できる場合において放物体が持つエネルギーは、

位置エネルギーと運動エネルギーの合計が厳密に一致することを証明できる。

エネルギーは循環し、総量を変えないのであるから、

位置エネルギーが減少した際には運動エネルギーがその減少分だけ増加し、

また運動エネルギーが減少した際には位置エネルギーがその減少分だけ増加することで、

両エネルギーの合算総量に増減はないのだ。

太陽からもらうエネルギーを燃焼させることで地球や人間が生きており、

人間が作り出しているかのように見える水力発電や風力発電も、

結局は太陽エネルギーを使って起こした気象現象からなるものであるので、大元は太陽エネルギーということになる。

その太陽エネルギーを太陽から宇宙を伝って地球へ運ぶのは、唯一のエネルギーの運び手である光だ。

逆に地球から宇宙への放射を運ぶのも光という運び手である。

太陽の中心には圧力によって陽子と電子が閉じ込められており、核反応エネルギーを生み出している。

陽子4個がヘリウム4原子核になったときに質量が0.7%減少するのだが、

質量の減少はエネルギー保存則に従って別のエネルギーになることがアイシュタインの理論で証明されているように、

この減少分が原子核エネルギーの解放となって光を伝って地球へ太陽エネルギーを届けているのだ。

太陽が一年間で生み出すエネルギーは、人間が一年間に使う電力の10万倍にもなり、

この十分な太陽エネルギーのお陰で我々地球は生きてゆくことができているのだ。

太陽は我々地球に十分過ぎる量のエネルギーを継続的に与えてくれる不可欠な存在である。

どうしてこの地球に豊かな生命が宿っているのか。

エネルギーの大元である太陽には生命が育つことがないのに、

偶然にも絶妙な距離にあるこの地球という星には適度な太陽エネルギーが光を通して降り注いできて、

我々人類だけではなく地球全体の活動の命を恵んでくれている。

不思議なのはエネルギーの循環によって地球が消費したはずのエネルギーが、

宇宙へと同じエネルギー分だけ放射しているという点で、

我々地球の生命体の活動を支えているエネルギーが結局は宇宙に戻ってゆくとなると、

人間の活動とはなんなのだろうと思わされた。

それにしても地球はなんと恵まれた宇宙環境にあることか。

無償で太陽から絶妙の太陽エネルギーをもらいうけて、

地球内を巡らせた上でまた同じ分のエネルギーを宇宙に放射させることができるとは、偶然にしてはできすぎな感じさえする。

大袈裟に言えば、太陽エネルギーと地球の関係は宇宙の奇跡だと、知った。







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