Однією з найголовніших складових функціонування природних і змінених людиною геосистем є обмін енергією і її трансформація. Енергетичні зв'язку між компонентами геосистем реалізуються в
енергетичних потоках шляхом передачі енергії і часто нероздільні з речовими, здійснюються одночасно з потоками повітря, води, твердих мас, з переміщенням живих організмів.
Функціонування геосистем (круговорот речовин, грунтоутворення, діяльність живих організмів) неможливо без постійного припливу енергії. На відміну від речовин, безперервно циркулюють за різними компонентами геосистеми і які можуть багаторазово використовуватися, вступати в круговорот, енергія може використовуватися тільки один раз, тобто має місце односпрямований потік енергії через геосистему, обумовлений дією фундаментальних законів термодинаміки: збереження енергії і ентропії, тобто заходи внутрішньої невпорядкованості системи. Перший закон термодіна-
міки свідчить, що енергія може перетворюватися з однієї форми (наприклад, світла) в іншу (наприклад, в потенційну енергію їжі або гумусу грунту), але не може бути створена або знищена.
Другий закон стверджує, що не може бути жодного процесу, пов'язаного з перетворенням енергії, без втрат деякої її частини. Це означає, що мимовільне перетворення енергії можливо тільки при її переході з концентрованою форми в розсіяну. Компоненти геосистем здатні підвищувати ступінь своєї внутрішньої впорядкованості за рахунок постійного припливу енергії ззовні, тобто зменшувати свою ентропію, особливо це яскраво проявляється в живих організмах, в зростанні родючості грунту за рахунок накопичення гумусу, при утворенні органогенних гірських порід (торфу, вугілля, сланців, нафти, газів). Впорядкованість проявляється також у структурованості компонентів, наприклад, в наявності чітко виражених шарів грунту, що виконують різні функції.
Джерела енергії на Землі різні: енергія Сонця, приплив енергії з глибинних шарів Землі, енергія, що виділяється при фазових переходах, при змочуванні, екзотермічних біохімічних реакціях, але перше джерело є чільним.
Розглянемо трансформацію сонячної енергії поблизу поверхні Землі (радіаційний баланс). Короткохвильова сонячна радіація Jк дає осредненний потік тепла у поверхні землі, приблизно рівний 2 кал / см 2 / хв на поверхню, перпендикулярну сонячним променям. Це колосальна кількість енергії. Надходження тепла безпосередньо на діяльну поверхню (рослинний покрив і поверхня ґрунту) залежить від географічного положення, пори року і години доби, а також від рельєфу (крутизни та експозиції схилу).
Рослинний покрив і грунт відображають частина короткохвильового радіації Jот. ставлення Jот / Jк = as називається альбедо і залежить від виду і фарбування поверхні. Так, для снігового покриву альбедо становить 0,88 ... 0,91, для трав'яного покриву - 0,26, сухого сіроземах - 0,25 ... 0,30, вологого сіроземах - 0,10 ... 0,12, для вологого чорнозему -0 , 08. Отже, зміна виду і
забарвлення поверхні істотно змінює приплив тепла в грунт. З урахуванням альбедо в грунт надходить потік тепла, викликаний короткохвильового радіацією, рівний Jп = J (1 -as).
Грунт, як будь-яке нагріте тіло, випромінює тепло в довгохвильовій частині спектра: Jз = bsq 4 (тут b - відношення випромінювання грунтом до випромінювання абсолютно чорним тілом, приблизно рівне 0,90 ... 0,95, s - постійна випромінювання абсолютно чорним тілом, q - його абсолютна температура). На діяльну поверхню повертається частина енергії, відбитої в довгохвильовій частині спектра приземними шарами атмосфери, хмарним покровом JА.
В сумі зазначені потоки радіаційного тепла утворюють радіаційний баланс діяльної поверхні:
У добовому розрізі радіаційний баланс досягає максимуму в сонячний полудень, протягом року він сильно змінюється і взимку може ставати негативним. Цей радіаційний потік енергії трансформується в рослинному покриві і в грунтовому шарі в теплову, її баланс має вигляд:
де LEc-витрати тепла на сумарне випаровування Ec, що включає транспірацію рослиною і випаровування з поверхні грунту, L -теплота пароутворення; ця складова теплового балансу найсуттєвіша, на неї припадає близько 80 ... 90% радіаційного балансу; B - приплив тепла в грунт з глибинних горизонтів, його напрямок може змінюватися в різні сезони року; P - конвективний обмін теплом з приземним шаром атмосфери за рахунок нагрівання повітря у самої поверхні грунту і його пересуванні вгору, напрямок цього потоку теж може змінюватися; Q - витрати енергії на грунтоутворювального процеси: вивітрювання (подрібнення) твердої фази, на ендотермічні процеси, перенесення речовин за профілем і т.п .; F - витрати енергії на фотосинтез, що становлять не більше 1% від радіаційного балансу; Сп Dq - зміна кількості тепла в грунті при її нагріванні за балансовий період на Dq o. Сп - теплоємність грунту.
Температура грунту залежить не тільки від кількості що надходить або витрачається тепла, але і від її теплових властивостей - теплоємності і теплопровідності. Теплоємність - це кількість тепла, необхідне на нагрівання 1 г грунту (масова теплоємність) або 1 см 3 (об'ємна теплоємність) на 1 о. вона залежить від складу грунту - співвідношення твердої, рідкої і газоподібної фаз і від кількості органічної речовини. Так як теплоємність води найбільша - 1кал / г / град (мінеральної частини - 0,18, гумусу - 0,3, повітря - 0,0003), то і теплоємність грунту багато в чому визначається її вологістю. Тому вологі грунти мають більш стабільний температурний режим, вони трохи холодніше, ніж сухі.
Аналізуючи тепловий баланс, можна намічати заходи щодо поліпшення температурного режиму грунтів, тобто проводити теплові меліорації.
До них відносяться: зміна структури радіаційного балансу (зміна відбивної здатності за допомогою покриттів - торф, пісок, крейда, синтетичні плівки і т.п.), зміна теплових властивостей ґрунту - теплоємності і теплопровідності (головним чином, шляхом регулювання вологості, а також додаванням в грунт торфу, гною, піску).
У деяких випадках застосовують прямий підігрів грунту термальними водами теплових і атомних ТЕЦ замість охолодження води в градирнях. Теплу воду пропускають через систему пластмасових труб, покладених в грунт на глибину близько 0,5 м. Така система побудована біля Курської АЕС,
вона не тільки прискорює терміни дозрівання рослин і підвищує їх урожай, але при цьому зменшується забруднення атмосфери, що виникає при охолодженні води в градирнях.