Энергия в экосистемах

Для функционирования любой экосистемы необходимы:

Солнечная либо другая энергия.

Элементы питания в виде неорганических и органических компонентов, содержащихся в почвах, воде, донных отложениях.

Автотрофные и гетеротрофные организмы, осуществляющие процесс концентрации энергии, образования органического вещества и перераспределение его в биосфере Земли.

В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным биомам экосистем, которые всегда могут повторно использоваться, энергия может быть использована только один раз. Экосистемы — открытые биологические системы, и односторонний приток энергии определяется действием законов термодинамики.

Первый закон термодинамики гласит, что «энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена». Пример, в экосистемах солнечная энергия переходит в потенциальную энергию, создаваемых органических веществ.

Второй закон термодинамики: «Не существует ни одного процесса, связанного с превращениями или перераспределения энергии без потерь некоторой части энергии». Это означает, что не существует процессов, идущих со стопроцентной эффективностью, часть энергии обязательно рассеивается в форме тепла.

Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце, и поток энергии превышает 20млн.Эдж (1018Дж).

Из за шарообразности Земли, к границе атмосферы приходит только ¼ этого потока. К поверхности Земли поступает 1,54 ЭДж (7%). Из этого количества отражается от поверхности 30%, превращается в тепло 46%, идет на испарение и выпадение осадков (участвует в круговороте воды) 23%, фотосинтез 0,8%, участвует в перемещении ветровых и водных масс 0,2%.

Для сравнения, собственное тепло Земли 0,5% от солнечной энергии, энергия приливов и отливов 0,0017%.

Вся продуктивность всех экосистем в перерасчете на энергию составляет менее 1% от солнечной. Величина падающей на землю энергии 1,54ЭДж, в 5 раз превышает все годовое производство энергии на всех электростанциях и в 5,5 раз энергию всех энергетических полезных ископаемых, доступных для человечества и накопленных в течении как минимум 100млн.лет.

На границе земной атмосферы с космосом количество солнечной энергии практически постоянно, она определяется величиной 1,98 калорий/см² в минуту, и называется «солнечной постоянной».

Незначительное использование солнечной энергии в фотосинтезе обусловлено причинами:

1) Проходя через атмосферу, излучение ослабляется атмосферными газами и пылью.

Степень ослабления зависит от длины волны:

Через озоновый слой почти не проходят УФ лучи с длиной волны 320-390 нм(10 в -9 м).

При прохождении через плотные облака и воду меньше всего ослабляется видимый свет, из-за его отражения и преломления фотосинтез может идти и в пасмурную погоду

Лучистая энергия, достигающая земной поверхности в ясный день, состоит на 1-10% из УФ лучей, 45-49% видимый свет, 45-49% инфракрасное излучение. Величина фотосинтетически активной радиации ФАР составляет 45%.

Растительность сильнее всего поглощает синие и красные лучи (480 нм, 720 нм), гораздо слабее поглощаются зеленые, желтые, оранжевые.

Изменение общего потока солнечного излучения зависят от:

Географического расположения экосистемы (от полюса к тропикам поток возрастает).

От экспозиции склона (южный склон получает больше радиации, чем северный).

От рельефа местности (в холмистых и гористых областях солнечной энергии приходит меньше, чем на равнине).

Каждый биотоп, входящий в экосистему, характеризуется:

Световым режимом — продолжительностью светового дня и темновой фазы.

Интенсивностью радиации (Дж/см² в мин.).

Величиной Альбедо, равной отношению (в %) отраженной энергии к падающей. Величина Альбедо зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности:

Земля в целом 28%;

Город зимой 20-25%;

Пастбище 20%;

Пустыня 30%;

Ледники и снежники 70-90%;

Водная поверхность 6-30%.

Один из основных принципов функционирования экосистем гласит: «Экосистемы существуют за счет, не загрязняющей среду и практически вечной, солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно». Солнечная энергия является одним из важнейших экологических факторов, определяющих существование живых организмов; с одной стороны — он служит первичным источником энергии, с другой — прямое воздействие света на живые клетки губительно.

Поток энергии, приходящей к поверхности Земли, представляет совокупность видимого света, инфракрасных лучей, радиоизлучения, УФ излучения, рентгеновского и иных излучений. Это отражено в шкале электромагнитных волн: