Energiebudgets

Energieformen

Energietransformationen und die Gesetze der Thermodynamik

Physikalische Energiebudgets

Budgets für feste Energie

Ressourcen

Ein Energiebudget beschreibt die Art und Weise, wie Energie innerhalb eines definierten Systems von einem Zustand in einen anderen umgewandelt wird, einschließlich einer Analyse von Ein- und Ausgängen und Änderungen in der gelagerte Mengen. Ökologische Energiebudgets konzentrieren sich auf die Nutzung und Umwandlung von Energie in der Biosphäre oder ihren Komponenten.

Solare elektromagnetische Strahlung ist der Haupteintrag von Energie auf die Erde. Diese externe Energiequelle hilft, den Planeten zu erwärmen, Wasser zu verdampfen, die Atmosphäre und die Ozeane zu zirkulieren und ökologische Prozesse aufrechtzuerhalten. Letztendlich wird die gesamte von der Erde absorbierte Sonnenenergie als elektromagnetische Strahlung mit einer längeren Wellenlänge als ursprünglich absorbiert in den Weltraum zurückgestrahlt. Die Erde hält ein nahezu perfektes energetisches Gleichgewicht zwischen Ein- und Ausgängen elektromagnetischer Energie aufrecht.

Die Ökosysteme der Erde sind auf Sonnenstrahlung als externe Quelle diffuser Energie angewiesen, die von photosynthetischen Autotrophen wie grünen Pflanzen genutzt werden kann, um einfache organische Moleküle wie Zucker aus anorganischen Molekülen wie Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren. Pflanzen nutzen die feste Energie dieser einfachen organischen Verbindungen sowie anorganischer Nährstoffe, um eine enorme Vielfalt an Biochemikalien durch verschiedene Stoffwechselreaktionen zu synthetisieren. Pflanzen nutzen diese Biochemikalien und die Energie, die sie enthalten, um ihr Wachstum und ihre Fortpflanzung zu erreichen. Darüber hinaus wird die pflanzliche Biomasse direkt oder indirekt von der enormen Anzahl heterotropher Organismen, die nicht in der Lage sind, ihre eigene Energie zu binden, als Nahrung genutzt. Zu diesen Organismen gehören Pflanzenfresser, die Pflanzen fressen, Fleischfresser, die Tiere fressen, und Detritivoren, die sich von toter Biomasse ernähren.

Weltweit ist die Nutzung von Sonnenenergie für diesen ökologischen Zweck relativ gering und macht viel weniger als 1% der an der Erdoberfläche aufgenommenen Menge aus. Obwohl dies ein quantitativ trivialer Teil des Energiehaushalts der Erde ist, ist er qualitativ eindeutig sehr wichtig, da dies die absorbierte und biologisch fixierte Energie ist, die alle ökologischen Prozesse subventioniert.

Energieformen

Energie ist definiert als die Fähigkeit oder potentielle Fähigkeit eines Körpers oder Systems, Arbeit zu verrichten. Energie kann in verschiedenen Einheiten gemessen werden, z. B. in Kalorien, definiert als die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von einem Gramm reinem Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen. (Beachten Sie, dass die Kalorie des Ernährungsberaters eintausend dieser Kalorien oder einer Kilokalorie entspricht.) Das Joule (J) ist eine andere Energieeinheit. Ein Joule ist allgemein definiert als die Menge an Arbeit, die erforderlich ist, um ein Gewicht von 1 kg um 10 cm auf der Erdoberfläche zu heben. Es entspricht 0,24 Kalorien. Darüber hinaus entspricht eine Kalorie (kleine Kalorie) etwa 4,184 J.

Energie kann in verschiedenen Zuständen existieren, die alle durch verschiedene Arten von physikalischen / chemischen Umwandlungen austauschbar sind. Die grundlegenden Kategorien von Energie sind: elektromagnetisch, kinetisch und potentiell, aber jeder von ihnen kann auch in verschiedenen Zuständen existieren.

Elektromagnetische Energie ist die Energie von Photonen oder Energiequanten, die Eigenschaften von Teilchen und Wellen haben und sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von ungefähr 3 × 108 Metern pro Sekunde (dh mit Lichtgeschwindigkeit) durch das Vakuum des Weltraums bewegen. Die Komponenten der elektromagnetischen Energie werden auf der Grundlage von Wellenlängenbereichen charakterisiert, die von den kürzesten bis zu den längsten Wellenlängen geordnet sind: Gamma, Röntgen, Ultraviolett, Licht oder sichtbar, Infrarot und Radio. Alle Körper mit einer Temperatur größer als der absolute Nullpunkt (dh -459 ° F oder Null Grad auf der Kelvin-Skala ) emittieren elektromagnetische Energie mit einer Rate und spektralen Qualität, die streng durch ihre Oberflächentemperatur bestimmt wird. Relativ heiße Körper haben viel größere Emissionsraten und ihre Strahlung wird im Vergleich zu kühleren Körpern von kürzeren Wellenlängen dominiert. Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von etwa 11.000 ° F (6.093 ° C). Der größte Teil seiner Strahlung liegt im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (0,4 bis 0,7 æm oder Mikrometer) und des kurzwelligen Infrarots (0,7 bis 2.0 æm), während die Erde eine Oberflächentemperatur von etwa 77 ° F (25 ° C) hat und ihre Strahlungsspitzen im längerwelligen Infrarotbereich bei etwa 10 æm liegen.

Kinetische Energie ist die Energie dynamischer Bewegung, von der es zwei Grundtypen gibt, die Energie bewegter Körper und die Energie vibrierender Atome oder Moleküle. Je später wird auch als thermische Energie bezeichnet, und je stärker die Vibration ist, desto größer ist der Wärmegehalt.

Potentielle Energie hat die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, aber sie muss mobilisiert werden, um dies zu tun. Potentielle Energie kommt in verschiedenen Formen vor. Chemische potentielle Energie wird in den interatomaren Bindungen von Molekülen gespeichert. Diese Energie kann durch sogenannte exotherme Reaktionen freigesetzt werden, die eine Nettofreisetzung von Energie haben. Zum Beispiel wird Wärme freigesetzt, wenn der chemisch reduzierte Schwefel von Sulfidmineralien zu Sulfat oxidiert wird und wenn kristallines Natriumchlorid in Wasser gelöst wird. Alle Biochemikalien speichern auch potentielle Energie, was 4,6 Kilokalorien pro Gramm Kohlenhydrate, 4,8 Kcal / g Protein und 6,0 bis 9,0 Kcal / g Fett entspricht.

Potentielle Gravitationsenergie wird in Masse gespeichert, die über eine gravitativ attraktive Oberfläche erhöht ist, wie wenn Wasser über der Oberfläche der Ozeane auftritt oder irgendein Objekt über der Bodenoberfläche auftritt. Wenn es nicht behindert wird, fließt Wasser spontan bergab, und Objekte fallen als Reaktion auf Gradienten der potentiellen Gravitationsenergie nach unten. Andere Arten von potentieller Energie sind in Bezug auf ökologische Energiebudgets etwas weniger wichtig, aber sie umfassen potentielle Energien von komprimierten Gasen, elektrische Potentialgradienten, die mit Spannungsdifferenzen verbunden sind, und die potentielle Energie von Materie, die durch Kernreaktionen freigesetzt werden kann.

Energietransformationen und die Gesetze der Thermodynamik

Wie bereits erwähnt, kann Energie in ihren verschiedenen Zuständen umgewandelt werden. Elektromagnetische Energie kann beispielsweise von einem dunklen Objekt absorbiert und in thermische kinetische Energie umgewandelt werden. Diese Wirkung führt zu einer erhöhten Temperatur des Absorptionskörpers. Als ein weiteres Beispiel kann die potentielle Gravitationsenergie von Wasser hoch auf einem Plateau in die kinetische Energie von bewegtem Wasser und Wärme an einem Wasserfall umgewandelt werden, oder sie kann von Menschen mobilisiert werden, um eine Turbine anzutreiben und elektrische Energie zu erzeugen. Drittens kann solare elektromagnetische Strahlung vom Chlorophyll grüner Pflanzen absorbiert werden, und ein Teil der absorbierten Energie kann in die chemische potentielle Energie von Zuckern und der Rest in Wärme umgewandelt werden.

Alle Umwandlungen von Energie müssen nach bestimmten physikalischen Prinzipien erfolgen, die als Gesetze der Thermodynamik bekannt sind. Dies sind universelle Gesetze; was bedeutet, dass sie immer wahr sind, unabhängig von den Umständen. Das erste Gesetz besagt, dass Energie in ihren verschiedenen Zuständen Transformationen durchlaufen kann, aber niemals erzeugt oder zerstört wird — so bleibt der Energiegehalt des Universums konstant. Eine Konsequenz dieses Gesetzes für Energiehaushalte ist, dass es immer ein Gleichgewicht von Null zwischen den Energieeingängen in ein System, den Energieausgängen und den Nettospeichern innerhalb des Systems geben muss.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energieumwandlungen nur spontan unter Bedingungen auftreten können, unter denen die Entropie des Universums zunimmt. (Entropie hängt mit der Zufälligkeit der Verteilungen von Materie und Energie zusammen). Zum Beispiel wird die Erde kontinuierlich von Sonnenstrahlung bestrahlt, meist von sichtbaren und nahen Infrarotwellenlängen. Ein Teil dieser Energie wird absorbiert, wodurch die Erdoberfläche erwärmt wird. Der Planet kühlt sich auf verschiedene Arten ab, aber letztendlich geschieht dies, indem er seine eigene elektromagnetische Strahlung als längerwellige Infrarotstrahlung in den Weltraum zurückstrahlt. Die Umwandlung von relativ kurzwelliger Sonnenstrahlung in die von der Erde emittierte längerwellige Strahlung stellt eine Verschlechterung der Energiequalität und eine Zunahme der Entropie des Universums dar.

Eine Folge- oder Sekundäraussage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist, dass Energieumwandlungen niemals vollständig effizient sein können, da ein Teil des anfänglichen Energiegehalts in Wärme umgewandelt werden muss, damit die Entropie erhöht werden kann. Letztendlich ist dies der Grund, warum nicht mehr als etwa 30% des Energiegehalts von Benzin in die kinetische Energie eines sich bewegenden Automobils umgewandelt werden können. Dies ist auch der Grund, warum in einem modernen Kraftwerk nicht mehr als etwa 40% der Energie von Kohle in Strom umgewandelt werden können. Ebenso gibt es Obergrenzen für die Effizienz, mit der grüne Pflanzen sichtbare Strahlung photosynthetisch in Biochemikalien umwandeln können, selbst in Ökosystemen, in denen ökologische Einschränkungen in Bezug auf Nährstoffe, Wasser und Raum optimiert sind.

Interessanterweise absorbieren Pflanzen die von der Sonne emittierte sichtbare Strahlung und nutzen diese relativ zerstreute Energie, um einfache anorganische Moleküle wie Kohlendioxid, Wasser und andere Nährstoffe in sehr komplexe und energiedichte Biochemikalien zu fixieren. Heterotrophe Organismen nutzen dann die Biochemikalien pflanzlicher Biomasse, um ihre eigenen komplexen Biochemikalien zu synthetisieren. Lokal stellen diese verschiedenen biologischen Synthesen Energieumwandlungen dar, die die Entropie wesentlich verringern, anstatt sie zu erhöhen. Dies geschieht, weil relativ dispergierte Sonnenenergie und einfache Verbindungen in die komplexen Biochemikalien lebender Organismen fokussiert werden.

Gehorchen biologische Transformationen nicht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik? Dieses scheinbare physikalische Paradoxon des Lebens kann mit der folgenden Logik erfolgreich rationalisiert werden: Die lokale Biokonzentration negativer Entropie kann auftreten, weil ständig Energie in Form von Sonnenstrahlung in das System eingespeist wird. Wenn diese externe Energiequelle beendet würde, würde die gesamte negative Entropie von Organismen und organischer Materie ziemlich schnell spontan abgebaut, wodurch Wärme und einfache anorganische Moleküle erzeugt würden und dadurch die Entropie des Universums erhöht würde. Aus diesem Grund können Leben und Ökosysteme ohne kontinuierliche Zufuhr von Sonnenenergie nicht überleben. Daher kann die Biosphäre als eine lokalisierte Insel mit negativer Entropie in Raum und Zeit angesehen werden, die von einer externen (solaren) Energiequelle gespeist wird. Es gibt physikalische Analoga zu diesen ökologischen Umständen – wenn externe Energie in das System eingebracht wird, können relativ dispergierte Gasmoleküle in einem Behälter konzentriert werden, wie dies der Fall ist, wenn eine Person energisch bläst, um einen Ballon mit Luft zu füllen. Schließlich jedoch knallt der Ballon, die Gase verteilen sich wieder, der ursprüngliche Energieeintrag wird in Wärme umgewandelt und die Entropie des Universums wird erhöht.

Physikalische Energiebudgets

Physikalische Energiebudgets betrachten ein bestimmtes, definiertes System und analysieren dann die Energieeinträge, ihre verschiedenen Umwandlungen und Speicher und die eventuellen Ausgänge. Dieses Konzept kann anhand des Energiehaushalts der Erde veranschaulicht werden.

Der größte Energieeintrag in die Erde erfolgt als solare elektromagnetische Energie. An den äußeren Grenzen der Erdatmosphäre beträgt die durchschnittliche Einkopplungsrate der Sonnenstrahlung 2,00 Kalorien pro cm2 pro Minute (dieser Fluss wird als Sonnenkonstante bezeichnet). Etwa die Hälfte dieses Energieeintrags erfolgt als sichtbare Strahlung und die Hälfte als nahes Infrarot. Wie bereits erwähnt, emittiert die Erde auch ihre eigene elektromagnetische Strahlung, wiederum mit einer Rate von 2,00 cal / cm2 / min, jedoch mit einem Spektrum, das im längerwelligen Infrarot bei etwa 10 µm seinen Höhepunkt erreicht. Da die Rate des Energieeintrags gleich der Rate des Ausgangs ist, gibt es keine Nettospeicherung von Energie und keine wesentliche, längerfristige Änderung der Erdoberflächentemperatur. Daher stellt die Erde ein Nullsummen-Energieflusssystem dar. (Tatsächlich gab es im Laufe der geologischen Zeit eine kleine Energiespeicherung, die als Ansammlung von unterkomponierter Biomasse auftrat, die sich schließlich geologisch in fossile Brennstoffe umwandelt. Es gibt auch geringfügige, längerfristige Variationen der Erdoberfläche, die den Klimawandel darstellen. Diese stellen jedoch quantitativ triviale Ausnahmen von der vorhergehenden Aussage über die Erde als Nullsummen-Durchflusssystem für Energie dar. Obwohl die von der Erde emittierte Energiemenge letztendlich der absorbierten Sonnenstrahlung entspricht, gibt es einige ökologisch wichtige Transformationen zwischen diesen beiden Ereignissen.

Die wichtigsten Arten, wie die Erde mit ihrer einfallenden Sonnenstrahlung umgeht, sind:

• Im Durchschnitt werden etwa 30% der einfallenden Sonnenenergie von der Erdatmosphäre oder ihrer Oberfläche in den Weltraum reflektiert. Dieser Prozess hängt mit der Albedo der Erde zusammen, die stark vom Sonnenwinkel, den Mengen an Wolkendecke und atmosphärischen Partikeln und in geringerem Maße vom Charakter der Erdoberfläche beeinflusst wird, insbesondere von der Art und Menge des Wassers (einschließlich Eis) und der Vegetationsbedeckung.
• Etwa 25% der einfallenden Energie wird von atmosphärischen Gasen, Dämpfen und Partikeln absorbiert, in Wärme oder thermische kinetische Energie umgewandelt und dann als längerwellige Infrarotstrahlung wieder abgestrahlt.
• Etwa 45% der einfallenden Strahlung wird an der Erdoberfläche von lebenden und nicht lebenden Materialien absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die Temperatur der absorbierenden Oberflächen erhöht wird. Längerfristig (also Jahre) und sogar mittelfristig (also Tage) gibt es wenig oder gar keine Nettowärmespeicherung. Praktisch die gesamte absorbierte Energie wird von der Oberfläche als langwellige Infrarotenergie mit einem Wellenlängenpeak von etwa 10 µm wieder abgestrahlt.
• Ein Teil der Wärmeenergie von Oberflächen bewirkt, dass Wasser von pflanzlichen und nicht lebenden Oberflächen verdampft (siehe Eintrag zur Evapotranspiration) oder Eis oder Schnee schmilzt.
• Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Wärmeenergie auf der Erdoberfläche treibt ein Teil der absorbierten Strahlung Massentransport- und Verteilungsprozesse wie Winde, Wasserströmungen und Wellen auf der Oberfläche von Gewässern an.
• Eine sehr kleine (durchschnittlich weniger als 0.1%), aber ökologisch kritischer Teil der einfallenden Sonnenenergie wird vom Chlorophyll der Pflanzen absorbiert und zur Photosynthese genutzt. Diese photoautotrophe Fixierung ermöglicht es, einen Teil der Sonnenenergie vorübergehend in der potentiellen Energie von Biochemikalien zu speichern und als energetische Grundlage für das Leben auf der Erde zu dienen.

Bestimmte Gase in der Erdatmosphäre absorbieren langwellige Infrarotenergie, wie sie von erhitzter Materie im zweiten und dritten Dissipationsmechanismus (oben aufgeführt) abgestrahlt wird. Diese Absorption erwärmt die Gase, die dann einer weiteren Rückstrahlung unterzogen werden und noch längerwellige Infrarotenergie in alle Richtungen emittieren, einschließlich zurück zur Erdoberfläche. Die wichtigsten der sogenannten strahlungsaktiven Gase in der Atmosphäre sind Wasser und Kohlendioxid, aber auch die Spurengase Methan, Lachgas, Ozon und Fluorchlorkohlenwasserstoffe sind von Bedeutung. Dieses Phänomen, das als Treibhauseffekt bekannt ist, beeinträchtigt die Geschwindigkeit der Strahlungskühlung der Erdoberfläche erheblich.

Wenn es keinen Treibhauseffekt gäbe und die Erdatmosphäre für langwellige Infrarotstrahlung vollständig transparent wäre, würden die Oberflächentemperaturen durchschnittlich etwa 17,6 ° F (-8 ° C) betragen, viel zu kalt für biologische Prozesse. Da der natürlich vorkommende Treibhauseffekt die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde bei etwa 77 ° F (25 ° C) um etwa 60 Grad Fahrenheit wärmer hält, ist dies ein offensichtlich wichtiger Faktor für die Bewohnbarkeit des Planeten. Menschliche Aktivitäten haben jedoch zu einer Erhöhung der atmosphärischen Konzentrationen einiger der strahlungsaktiven Gase geführt, und es gibt Bedenken, dass dies zu einer Intensivierung des Treibhauseffekts der Erde führen könnte. Dies könnte zur globalen Erwärmung, zu Veränderungen der Niederschlagsverteilung und anderen klimatischen Auswirkungen sowie zu schweren ökologischen und sozioökonomischen Schäden führen.

Transformationen fester Energie

Die ökologische Energetik untersucht die Transformationen fester, biologischer Energie in Gemeinschaften und Ökosystemen, insbesondere die Art und Weise, wie biologisch fixierte Energie durch das Nahrungsnetz geleitet wird.

Studien an einem natürlichen Eichen-Kiefernwald im Bundesstaat New York ergaben beispielsweise, dass die Vegetation Sonnenenergie erzeugt, die 11.500 Kilokalorien pro Hektar und Jahr (103 Kcal / ha / Jahr) entspricht. Die Pflanzenatmung verbrauchte jedoch 6,5 × 103 Kcal / ha / Jahr, so dass die tatsächliche Nettoakkumulation von Energie im Ökosystem 5 betrug.0× 103 Kcal/ha/Jahr. Die verschiedenen Arten von heterotrophen Organismen im Wald nutzten weitere 3,0 × 103 Kcal / ha / Jahr, um ihre Atmung zu unterstützen, so dass das Netz

SCHLÜSSELBEGRIFFE

Elektromagnetische Energie — Eine Art von Energie, an der Photonen beteiligt sind, die physikalische Eigenschaften sowohl von Teilchen als auch von Wellen haben. Elektromagnetische Energie wird in spektrale Komponenten unterteilt, die (geordnet von langer bis kurzer Wellenlänge) Radio, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett und Kosmisch umfassen.

Entropie – Die Messung einer Tendenz zu erhöhter Zufälligkeit und Unordnung.

Die Anhäufung von Biomasse durch alle Organismen des Ökosystems entsprach 2,0 x 103 Kcal/ha/Jahr.

Das Vorhergehende ist ein Beispiel für ein festes Energiebudget auf Ökosystemebene. Manchmal entwickeln Ökologen Energiebudgets auf der Ebene der Bevölkerung und sogar für Einzelpersonen. Zum Beispiel können einzelne Pflanzen oder Tiere je nach Umweltbedingungen und -möglichkeiten ihre Fitness optimieren, indem sie ihre Energieressourcen in verschiedene Aktivitäten einteilen, am einfachsten in das Wachstum des Individuums oder in die Fortpflanzung.

Biologische Energiebudgets sind jedoch typischerweise viel komplizierter. Zum Beispiel kann eine Pflanze ihre Energie in die Produktion von längeren Stielen und mehr Blättern einteilen, um ihren Zugang zu Sonnenlicht zu verbessern, oder sie könnte länger und mehr Wurzeln wachsen, um ihren Zugang zu Bodennährstoffen zu erhöhen, oder mehr Blumen und Samen, um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Reproduktion zu erhöhen. Es gibt andere mögliche Allokationsstrategien, einschließlich einer Kombination der vorhergehenden.

In ähnlicher Weise muss ein Bär Entscheidungen über die Verteilung seiner Zeit und Energie treffen. Es muss sich für Aktivitäten entscheiden, die mit Ruhe verbunden sind, entweder tagsüber oder längerfristig Winterschlaf halten, nach pflanzlichen oder tierischen Nahrungsmitteln suchen, einen Partner suchen, sich um die Jungen kümmern oder einfach nur Spaß haben, wie es wilde Bären tun.

Siehe auch Energieübertragung; Nahrungskette/Web.