Cantitatea de energie solară din ecosistem
Energia solară care intră pe suprafața planetei este folosită în ecosistem. Cantitatea acestei energii este foarte mare și ajunge la aproximativ 55 kcal pe 1 cm2. pe an. Cu toate acestea, plantele sunt fixe nu mai mult de 1-2% din energia solară (în deșert și ocean - sutimi de procente), soldul este consumat în încălzirea aerului, pământul și evaporarea. Din energia solară acumulată de plante, comparativ puțin - nu mai mult de 7-10% - se duce la animalele erbivore care se hrănesc cu plante vii. Cea mai mare parte este utilizat simbiotrofy (bacterii și ciuperci) care primesc putere de la rădăcinile plantelor, hidrații de carbon din sol eliberând (vii sau direct la rădăcină), iar detritus și decompozitori se hrănesc cu plante moarte.
Pentru a înțelege procesele de conversie a energiei într-un ecosistem, legile termodinamicii, care sunt formulate de fizicieni, sunt utile. Prima lege a termodinamicii spune că energia nu apare și nu dispare, ci doar trece de la o formă la alta. De aceea, energia din ecosistem nu poate să apară singură, ci să intre din exterior - din Soare sau ca urmare a reacțiilor chimice ale substanțelor anorganice. În ecosistemele antropogene heterotrofice, energia provine din dispozitive speciale de energie care produc energie electrică sau se pregătesc pentru utilizarea energiei de carbon.
A doua lege a termodinamicii. sau legea entropiei, are mai multe formulări. Una dintre ele este următoarea: procesele asociate transformărilor de energie se pot produce spontan numai cu condiția ca energia să treacă de la forma concentrată la forma dispersată (se degradează). De exemplu, căldura unui obiect mai încălzit se disipează într-un mediu mai rece. A doua lege a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează: din moment ce o parte din energia disipată ca întotdeauna disponibile pentru utilizare eficienta a energiei termice a conversiei spontane a energiei cinetice în potențială este întotdeauna mai mică de 100%. Entropia (din entropia greacă - rotație, transformare) este o măsură a cantității de energie legată, care devine inaccesibilă pentru utilizare. Acest termen este, de asemenea, utilizat ca o măsură a schimbării ordinii care apare atunci când energia este degradată.
A doua lege a termodinamicii este legea reducerii calității energiei. El explică modul în care energia trece de la o formă la alta. Cu orice transformare a energiei, o parte din cantitatea sa se transformă întotdeauna într-o energie mai puțin calitativă și mai puțin folositoare. În conformitate cu această lege, plantele folosesc numai o parte din energia solară care intră în ecosistem, restul este disipat și trece în energia termică, care este folosită pentru încălzirea mediului ecosistemului. Numai o mică parte din energia solară absorbită de instalație este cheltuită pe procesul de producție. Disiparea energiei continuă cu respirația și transmiterea acesteia către organisme heterotrofice. În tranziția energiei de la primul nivel trofic (producătorii) la cel de-al doilea (fitofagii și simbiotrofii), al treilea (prădători de ordinul întâi), etc. o cantitate semnificativă de energie, de asemenea, risipește și reduce calitatea acesteia. De aceea, eficiența transferului de energie de la un nivel trofic la altul nu depășește 7-10%.
Tendința de a reduce calitatea se extinde la energia care a trecut de la un nivel trofic la altul: după moarte, organismele în care corpul este fixat vor fi distruse de descompunere și energia se va disipa complet.
Cea mai importantă caracteristică a organismelor termodinamic, ecosisteme și biosferă în ansamblul său este considerat a fi capacitatea de a crea și menține un grad ridicat de ordine internă, adică starea de entropie joasă. Entropia scăzută se obține prin dispersarea constantă și eficientă a energiei ușor de utilizat. Ordinul ecosistemului este menținut de respirația întregii comunități, care în mod constant "elimină" această tulburare. În consecință, ecosisteme și organisme sunt deschise sistem de non-echilibru termodinamic, schimbul continuu cu exteriorul materiei și energiei, reducând în același timp entropia în ele însele, ci prin creșterea acestuia spre exterior, în conformitate cu legile termodinamicii.
Din aceste legi ale termodinamicii nu există excepții, și orice sistem natural sau artificial care nu le ascultă în mod inevitabil piere.
Toate diferitele manifestări ale vieții sunt însoțite de transformări de energie, care în acest caz nu sunt create sau distruse. Energia pe care Pământul o primește sub forma luminii este echilibrată de energia radiată de la suprafața ei sub forma unei radiații invizibile. Fără transferul de energie, nu ar exista viață pe Pământ. În cazul pierderii capacității de a produce și de a stoca o cantitate suficientă pentru a societății umane de înaltă energie ar deveni un sistem închis, și, în conformitate cu a doua lege a termodinamicii, ar pierde rânduială sale.
Ecologia studiază relația dintre sistemele de iluminat și cele de mediu, precum și modalitățile de transformare a energiei în sistem. În consecință, relația dintre plante și animale-producători-consumatori, între prădător și pradă, să nu mai vorbim de compoziția și abundența de specii de organisme din fiecare habitat, sunt flux limitat și controlat de energie este transformată din forma sa concentrată în împrăștiate. Toate sistemele, atât vii, cât și ne-vii (de exemplu, o mașină) sunt reglementate de aceleași legi ale termodinamicii. Diferența constă în faptul că sistemele vii, folosind o parte din energia disponibilă disponibile în cadrul acestora, sunt capabili de a regenera și „pompat“ tulburare, iar aparatul trebuie să se stabilească, consumând energie din alte sisteme.
Când lumina este absorbită de un obiect, este încălzită: energia luminii este transformată în energie termică. Se știe că atât pământul, cât și apa nu absorg în cantități egale energia solară. Ca urmare, există regiuni calde și reci, care este cauza fluxurilor de aer care pot efectua diferite tipuri de operațiuni (motoare roti, ridica apa etc.). Aceasta este, în acest caz, energia luminoasă este transformată în energie termică suprafața pământului și apoi la potențialul, deoarece poate fi transformată în alte forme de energie. Energia necesară pentru a crea un flux de energie cinetică este numită consumată. Cantitatea de energie sub orice formă este întotdeauna proporțională cu cantitatea acelei forme de energie în care trece, deci dacă cunoașteți o valoare, puteți calcula cealaltă. Energia "consumată" nu este într-adevăr consumată, ci intră într-o stare cu o posibilitate redusă de utilizare. De exemplu, benzina, turnat în rezervorul mașinii este uzat, dar energia conținută în ea, nu dispare, ci se transformă în forme care nu sunt potrivite pentru utilizarea în mașină.
Conform celei de-a doua lege a termodinamicii, orice fel de energie se transformă în final într-o formă care este cel puțin adecvată pentru utilizare și este foarte ușor de disipată. În prezent, Pământul se află într-o stare departe de balanța energetică. Are o cantitate mare de energie potențială, temperatura din diferite zone nu este aceeași, iar aceste diferențe sunt susținute de un flux constant de energie.
Trebuie remarcat faptul că toate cunoscute în lumea fenomenelor naturale asociate cu transformarea continuă a energiei fac parte din procesul general care conduce la un echilibru energetic durabil, care este, energia solară lovind pământul, căutând să se transforme în căldură. Numai o mică parte din ea se transformă într-o potențială energie, sintetizată de plante.
Cantitatea principală de energie radiantă este transformată în căldură și depășește biosfera. Restul lumii vii primește potențiala energie chimică creată de plante și de bacterii chemosintetice. De exemplu, animalele absorb cea mai mare parte a energiei chimice absorbite în căldură, iar o parte mai mică a acesteia este transformată în energia chimică potențială a materiei organice nou create. În fiecare etapă a transferului de energie de la un organism la altul, o parte semnificativă a acestuia este disipată sub formă de căldură. În acest caz, cu o reducere generală a energiei disponibile, calitatea energiei rămase poate crește.
Energie caracteristică mediului ecosistemic
Organismele care funcționează pe sau în apropierea suprafeței Pământului primesc energie din radiația solară și radiația termică cu undă lungă - din corpurile din apropiere. Acești factori determină setul de condiții climatice: temperatura, viteza de evaporare a apei, mișcarea masei de aer etc. O mică parte a energiei este folosită în fotosinteză, care oferă componente vii ale ecosistemului. Lumina soarelui cade pe planeta noastră din spațiu cu o energie de 1,98 cal / cm2. pe minut (constanta solara), iar atunci cand trece prin atmosfera este slabita. Într-o după-amiază senină de vară pentru a ajunge la suprafața Pământului nu este mai mare de 67% din energia luminii, și în timpul trecerii prin nor, apa, iar vegetația este scăzut într-o măsură și mai mare. Sosirea energiei solare în stratul autotrofic al ecosistemului pe zi este de la 100 la 800 kcal / cm2. în medie 300-400 kcal / mp cm.
energia totală a fluxului în diferitele straturi ale ecosistemului în funcție de sezon, precum și localizarea acesteia pe glob este supusă unor fluctuații semnificative.
Radiația solară care trece prin atmosferă este atenuată de gazele atmosferice și praf, gradul de atenuare depinde de lungimea de undă a luminii. Radiațiile ultraviolete cu o lungime de undă mai mică de 0,3 microni cu greu trece prin stratul de ozon, care se află la o înălțime de 15-25 km. Din acest strat depinde viața de pe planeta noastră, deoarece radiațiile ultraviolete au un efect nociv asupra organismelor vii. Radiația regiunii optice (lumina vizibilă) este atenuată treptat; Infraroșu radiațiile sunt absorbite în atmosferă în mod inegal - în funcție de lungimea de undă.
Energia radiantă care ajunge la suprafața pământului pe o zi clar este de aproximativ 10% din radiația UV, 45% din lumina vizibilă și 45% - a radiației infraroșii (Reifscnyder Lull, 1965.). Mai puțin probabil, atunci când trece prin atmosferă și apă, lumina vizibilă se diminuează, ceea ce are un rol direct în procesul de fotosinteză. Se numește radiație fotosintetic activă (PHA).
Important pentru toate lucrurile vii de pe Pământ este radiația termică (cu excepția energiei radiante). Căldura emite toate suprafețele și corpurile care au o temperatură peste zero absolută. (Trebuie remarcat faptul că caracteristica de radiație termică nu numai elementele individuale ale ecosistemului. - sol, plante, apă, etc., dar norii care se adaugă o cantitate suplimentară de energie de pe suprafața pământului) de căldură propagă liber în toate direcțiile, energia radiantă are același o direcție clară și vine numai în timpul zilei. Prin urmare, cantitatea de energie termică, care se obține plante pot fi de mai multe ori radiația solară direcționată. De asemenea, trebuie avută în vedere că energia termică este absorbită mai mult decât radiația solară.
O importanță deosebită pentru existența organismelor și utilizarea eficientă a mediului este adaptarea lor la fluctuațiile de temperatură diurnă, care depind în mare măsură de cantitatea de apă și de prezența vegetației. De exemplu, în deșerturi, fluxul zilnic de energie este de multe ori mai mare decât în noapte, iar în zonele de adâncime ale oceanului sau adânc în pădurile tropicale, practic nu se schimbă în timpul zilei. În consecință, masa apei și a biomasei forestiere netezesc fluctuațiile caracteristicilor energetice, protejând astfel organismele vii de stres.
În ecosisteme, condițiile pentru existența organismelor sunt determinate de fluxul total de radiații. Cu toate acestea, pentru productivitatea ecosistemului și pentru ciclul elementelor biogene, radiația solară directă totală, adică energia solară pe care o primesc plantele verzi pe unitate de timp, este mai importantă. Acest flux de energie primară activează toate sistemele biologice. Cea mai mare parte a biosferei primește în mod constant o energie egală cu 300-400 kcal / mp M pe zi, sau 1,1-1,5 milioane kcal / m2 M / an (vezi dispersia inferioară conform lui Yu Odomu).
Disiparea energiei radiației solare (conform lui Yu.Odumu, 1975)
Cheltuielile cu energia și procentul de intrări biomedicale anuale
Conversia directă la căldură 46.0
Evaporare, precipitare 23,0
Vânt, valuri, curenți 0.2
Energia mareelor este de aproximativ 0,0017% din energia solară, căldura Pământului este de aproximativ 0,5%.
Deosebit de important este așa-numita radiația netă pe suprafața pământului - diferența dintre fluxul total al energiei radiante reflectate și de suprafața pământului. radiație netă anuală între 40 „latitudine nordică și 40“ latitudine sudică oceanelor este de peste 1 milion de kcal / mp pe an, și peste continente - 0600000 kcal / mp pe an. O astfel de cantitate mare de energie este consumat în evaporarea apei, formarea curenților de aer și termice disipată sub formă de căldură în spațiu. Putem spune că Pământul în ansamblu se află într-o stare de echilibru energetic aproximativ. Prin urmare, orice proces, care încetinește producția de energie luminoasă în spațiu, având ca rezultat o creștere a temperaturii în biosferă.
Din cantitatea totală de energie solară care intră în biosferă, aproximativ 70% sunt transformate în căldură și consumate prin evaporare și alte procese, iar doar aproximativ 1% se alimentează direct cu alimentele și alte tipuri de biomasă. Nu trebuie să presupunem că cea mai mare parte a energiei se pierde în zadar: menține anumite condiții de temperatură pe planeta noastră, activează sistemele meteorologice și ciclul de apă necesar pentru viață. Energia mareelor și a căldurii interne a Pământului în unele regiuni poate fi utilă, dar în echilibrul de căldură nu este mare. O mulțime de energie termică este concentrată adânc în inimile Pământului, dar este aproape inaccesibilă și, prin urmare, practic nu este utilizată.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: