Energy in Nature and Society

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出版者:The MIT Press
作者:Vaclav Smil
出品人:
页数:496
译者:
出版时间:2008-01-31
价格:USD 34.00
装帧:Paperback
isbn号码:9780262693561
丛书系列:
图书标签:
  • 2
  • 能源
  • 自然
  • 社会
  • 环境科学
  • 可持续发展
  • 能源政策
  • 生态学
  • 资源管理
  • 能源转型
  • 气候变化
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具体描述

Energy in Nature and Society is a systematic and exhaustive analysis of all the major energy sources, storages, flows, and conversions that have shaped the evolution of the biosphere and civilization. Vaclav Smil uses fundamental unifying metrics (most notably for power density and energy intensity) to provide an integrated framework for analyzing all segments of energetics (the study of energy flows and their transformations). The book explores not only planetary energetics (such as solar radiation and geomorphic processes) and bioenergetics (photosynthesis, for example) but also human energetics (such as metabolism and thermoregulation), tracing them from hunter-gatherer and agricultural societies through modern-day industrial civilization. Included are chapters on heterotrophic conversions, traditional agriculture, preindustrial complexification, fossil fuels, fossil-fueled civilization, the energetics of food, and the implications of energetics for the environment. The book concludes with an examination of general patterns, trends, and socioeconomic considerations of energy use today, looking at correlations between energy and value, energy and the economy, energy and quality of life, and energy futures. Throughout the book, Smil chooses to emphasize the complexities and peculiarities of the real world, and the counterintuitive outcomes of many of its processes, over abstract models. Energy in Nature and Society provides a unique, comprehensive, single-volume analysis and reference source on all important energy matters, from natural to industrial energy flows, from fuels to food, from the Earth's formation to possible energy futures, and can serve as a text for courses in energy studies, global ecology, earth systems science, biology, and chemistry. Vaclav Smil is Distinguished Professor at the University of Manitoba and the author of many books, including Energy at the Crossroads (2003), The Earth's Biosphere: Evolution, Dynamics, and Change (2002), and Energies: An Illustrated Guide to the Biosphere and Civilization (1998), all of which are published by The MIT Press.

《地球的脉动:从深层地质到大气环流的能量学透视》 内容提要 本书深入探讨了驱动地球系统运行的各种能量形式、转化机制及其对自然界和人类社会产生的深远影响。我们不再将能量视为一个单一、抽象的概念,而是将其拆解为行星尺度的驱动力、地质历史的档案以及塑造当代环境的关键变量。全书结构清晰,从地球内部的炽热核心,逐步过渡到地表的水循环、生命活动的能量基础,最终聚焦于人类文明对外部能量源的依赖与改造。 第一部分:地心深处的引擎——地球内部的能量与构造动力学 本部分着眼于地球作为热力学系统的最深层动力。我们探讨了地球内部热量的主要来源,包括放射性元素衰变的热能和行星形成时残余的引力势能。 1.1 放射性衰变与地幔对流: 详细分析了铀、钍、钾-40等放射性同位素在地幔和地核中的分布及其释放的热量。在此基础上,构建了地幔对流的精细模型,解释了热物质如何通过岩浆活动上升,冷物质如何俯冲下沉,这是驱动板块构造运动的根本能量机制。 1.2 板块运动的能量预算: 剖析了俯冲带和裂谷带的能量耗散路径。研究了拖曳力、浮力以及板块边界的剪切应力在驱动大陆漂移中的相对贡献。这部分将提供对地震波传播速度异常区域(如地幔柱)的能量学解释,而非仅仅是描述其物理形态。 1.3 地磁场的起源与波动: 深入探讨了外核中液态铁的对流运动如何通过发电机效应产生地磁场。分析了地核的能量平衡,以及地磁场强度变化(如地磁倒转)与地核内部热力学状态变化的关联。地磁场不仅是保护地球生命免受太阳风侵袭的屏障,其自身的动态变化也是地球内部能量释放的宏观体现。 第二部分:太阳辐射与地表系统的能量交换 本部分将焦点转向太阳,这个为地表一切生命活动和气候系统提供基础能量的巨大核反应堆。我们关注能量如何到达地球,以及它如何在不同的圈层中被吸收、转化和重新分配。 2.1 短波与长波辐射的平衡: 详尽阐述了太阳短波辐射穿过大气层直至地表的路径。关键在于分析地球的“反照率”(Albedo)——不同地表(冰雪、森林、海洋、沙漠)对太阳能的反射效率。随后,探讨了地表吸收能量后以红外长波辐射形式向外散发的过程,并重点分析了温室气体对长波辐射捕获的分子机制,奠定气候变暖的物理基础。 2.2 水圈的能量载体: 水是地球上最主要的能量传输介质。本节详细分析了蒸发(潜热吸收)和凝结(潜热释放)在水循环中的核心能量角色。通过分析热带气旋和季风系统的能量收支,揭示了海洋热含量(Ocean Heat Content, OHC)如何储存和释放巨大的能量,驱动全球尺度的气候模式。 2.3 生物圈的能量捕获与传递: 从生物化学角度,解析了光合作用——将太阳光能转化为化学能(葡萄糖)的效率和过程。这不仅是食物链的起点,也是地球碳循环和氧气产生的驱动力。同时,比较了不同生态系统(如热带雨林、寒带苔原)对单位面积太阳辐射的能量利用效率差异。 第三部分:地表能量的再分配——气候动力学与极端事件 这一部分将能量不平衡转化为我们日常观测到的天气和气候现象。能量的局部过剩或不足是极端天气事件的根本原因。 3.1 驱动大气环流的梯度: 解释了赤道与两极之间巨大的太阳能输入差异(能量梯度)如何驱动三圈环流模型(哈德里、费雷尔、极地环流)。深入分析了科里奥利力如何作用于大气和洋流,将能量从低纬度向高纬度输送,维持地球的能量平衡。 3.2 能量在天气系统中的聚焦: 分析了锋面系统、中纬度气旋和反气旋的能量结构。着重研究了干线和湿线上的能量汇聚过程,例如,通过水汽的输送和凝结释放的巨大潜热,如何迅速增强对流层中的垂直运动,从而引发强降水和雷暴。 3.3 极端气候事件的能量特征: 提供了分析热浪、干旱和洪涝事件的能量学视角。例如,热浪是由于大气阻塞高压系统将太阳能长时间截留在某一区域,阻止了能量的有效向外辐射和水平输送所致;洪水则与短期内水循环对特定区域输入了超出其地表渗透和蒸发能力的潜热有关。 第四部分:人类文明的能量转型与环境足迹 最后一部分将焦点转向人类社会,探讨我们如何从自然系统中获取、转化和使用能量,以及这种使用对地球能量平衡造成的长期影响。 4.1 化石燃料时代的能量密度与经济学: 详细回顾了煤炭、石油和天然气作为高密度化学能的发现和利用历程。分析了工业革命以来,人类对地质封存能量的快速开采如何极大地改变了大气中的能量捕获能力(温室效应)。 4.2 核能的能量潜力与风险管理: 探讨了核裂变和理论上的核聚变反应所蕴含的巨大能量密度。分析了维持反应堆链式反应所需的精确能量控制机制,以及乏燃料处理中涉及的放射性衰变热管理问题。 4.3 可再生能源的能量流与局限性: 评估了风能、太阳能、地热能等非化石能源的能量通量。关键在于讨论其与传统能源在能量流密度、间歇性(依赖于局部气候和时间)以及大规模储能技术需求上的根本差异,从而理解能源转型的复杂性。 4.4 能源使用对地球能量预算的重塑: 总结人类活动如何通过改变地表反照率(城市化、毁林)和增加温室气体浓度(改变长波辐射捕获)双重途径,向地球系统额外注入能量。这部分将量化人类活动对地球能量不平衡的贡献,并提出基于物理学原理的未来能源路径选择。 结语: 本书旨在提供一个统一的框架,理解从百万年前的板块运动到今日的天气预报,再到未来的能源政策,所有现象的底层驱动力——能量的流动、转化与平衡。

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