Bài 16. Vòng năng lượng trên Trái Đất. Năng lượng hóa thạch

I. Vòng năng lượng trên Trái Đất

Năng lượng mặt trời không thể thiếu trong cuộc sống của con người và các vật sống khác trên Trái Đất. Năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành các dạng năng lượng từ gió, năng lượng sinh khối, năng lượng từ dòng chảy,... Sự chuyển hoá năng lượng mặt trời theo vòng tuần hoàn của nước hay thông qua sự chuyển hoá năng lượng giữa các vật sống.... tạo thành các vòng năng lượng trên Trái Đất.

1. Vòng năng lượng giữa các vật sống

Quá trình trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng giữa các vật sống tạo thành một vòng năng lượng trên Trái Đất như Hình 16.1.

Vòng năng lượng giữa các vật sống là quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn thực vật (thông qua quá trình quang hợp) cho đến các động vật. Ở quá trình quang hợp, thực vật hấp thụ năng lượng mặt trời, chuyển hoá năng lượng mặt trời thành hoá năng lưu trữ trong lục lạp của chúng. Thức ăn của động vật thường là thực vật hoặc các động vật khác. Các động vật ăn thực vật để lấy năng lượng và các chất dinh dưỡng cho sự sinh trưởng, phát triển và vận động. Động vật lấy glucose từ quá trình phân giải thức ăn. Nhờ quá trình hô hấp với sự tham gia của khí oxygen mà các phân tử chất hữu cơ (chủ yếu là glucose) được phân giải thành khí CO, và nước, đồng thời tạo ra năng lượng ATP. Thực vật lại bắt đầu hấp thụ năng lượng mặt trời để chuyến khí CO, và nước thành phân tử đường hữu cơ.

Việc phân huỷ xác các vật sống bị vùi lấp do thiên tai qua hàng triệu năm đã hình thành nguồn năng lượng hoá thạch trên Trái Đất.

2. Vòng năng lượng theo vòng tuần hoàn của nước

Trong vòng tuần hoàn của nước (Hình 16.2) cũng có sự chuyển hoá năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng.

Các giai đoạn chủ yếu của vòng tuần hoàn nước là nước từ dạng lỏng bốc hơi dưới tác động của ánh sáng mặt trời, hơi nước ngưng tụ thành các đám mây và mưa. Thoát hơi nước ở thực vật trên cạn cũng chuyển vận một lượng hơi nước đáng kể vào bầu khí quyển. Nước ở bề mặt đất và nước ngắm có thể chảy xuống đại dương, khép kín vòng chuyển vận nước.

Vòng năng lượng theo vòng tuần hoàn của nước xảy ra một cách tự nhiên và không được nhìn thấy bằng mắt. Quá trình bắt đầu khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống mặt đất và biển, làm nóng nước và khí quyển. Sự nóng lên này tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng trên Trái Đất, gây ra sự chuyển động của không khí và các dòng hải lưu (dòng biển) trong đại dương, tạo ra gió và các hiện tượng thời tiết. Như vậy, ở giai đoạn đầu của vòng năng lượng theo vòng tuần hoàn của nước, cần lấy năng lượng từ Mặt Trời để chuyển hoá thành năng lượng từ gió, năng lượng từ dòng chảy, năng lượng từ sóng biển, từ dòng biển trên Trái Đất.

II. Năng lượng hoá thạch

Năng lượng hoá thạch được tạo ra từ các nhiên liệu hoá thạch, bao gồm than mỏ, dầu mỏ, khí mỏ dầu và khí thiên nhiên. Nguồn năng lượng này được hình thành từ việc phân huỷ xác các vật sống qua hàng triệu năm. Do đó, năng lượng hoá thạch cũng có nguồn gốc từ Mặt Trời.

Hình 16.3 minh hoạ quá trình hình thành dầu mỏ có trên đất liền. Từ vài trăm triệu năm trước, một lượng lớn thực vật và xác sinh vật biến tích tụ dưới đáy đại dương tạo thành trầm tích của động vật và thực vật. Trong hàng triệu năm tiếp theo, lớp trầm tích này bị biến đổi bởi vi khuẩn và chìm sâu hơn. Trải qua sự gia tăng nhiệt độ và áp suất, ở độ sâu khoảng một vài kilômét dưới áp suất lớn, dần dần các lớp trầm tích biến thành bùn đen, dầu mỏ. Sau đó, dựa vào các vết đứt gãy của các lớp đá, dầu mỏ dẫn nổi lên, tích tụ trong các túi đá, trở thành mỏ dầu.

Dầu mỏ, khí thiên nhiên, than mỏ cung cấp phần lớn nhu cầu năng lượng cho các quốc gia trên thế giới. Năng lượng hoá thạch có nhiều ưu điểm như nguồn sẵn có, dễ khai thác, chế biến, dễ vận chuyển, dễ tích trữ với khối lượng lớn. Công nghệ khai thác và chuyển hoá năng lượng hoá thạch phổ biến, chi phí rẻ.

Tuy nhiên, Trái Đất mất hàng triệu năm để tạo ra các nguồn nhiên liệu đó, trong khi tốc độ tiêu thụ của con người lại rất nhanh khiến nguồn nhiên liệu này ngày càng trở nên cạn kiệt. Hơn nữa, việc khai thác, xử lí, phân phối nhiên liệu hoá thạch cũng gây ra nhiều mối đe doạ cho môi trường như có thể làm thay đổi cấu trúc địa tầng, gây động đất, thay đổi hệ sinh thái.

Việc đốt cháy nhiên liệu hoá thạch sẽ tạo ra chất thải rắn, phát thải các khí CO₂, CO, NO, NO₂, SO₂... gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và ô nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính trên Trái Đất. Hậu quả làm tan băng ở các địa cực, gây biến đổi khí hậu toàn cầu, khiến nước biển dâng, hạn hán, thiên tai, lũ lụt xảy ra với cường độ ngày càng tăng, góp phần phá huỷ hệ sinh thái và sự sống trên Trái Đất.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến giá nhiên liệu hoá thạch

Giá nhiên liệu phụ thuộc vào chi phí khai thác và nhiều yếu tố khác như nhu cầu sử dụng và cung cầu trên thị trường, tình hình kinh tế toàn cầu, chính sách của các quốc gia có trừ lượng nhiên liệu lớn,...

Chi phí khai thác gồm chi phí thăm dò, chi phí khoan khai thác, chi phí vận chuyển, chi phí tích trữ lưu kho và chi phí xử lí các vấn đề môi trường liên quan. Chi phí này ngày càng tăng đã tác động đến giá nhiên liệu do các mỏ dầu, khí thiên nhiên, than.... dễ khai thác trên đất liền hoặc lộ thiên dần cạn kiệt, nên phải thăm dò và khai thác các mỏ mới ở vùng biển sâu, ở đại dương hoặc vùng hẻo lánh, các cực của Trái Đất.