energiformer
energitransformationer og termodynamikens love
fysiske energibudgetter
budgetter for fast energi
ressourcer
et energibudget beskriver måderne, hvorpå energi transformeres fra en tilstand til en anden inden for et defineret system, herunder en analyse af input, output og ændringer i energibudgetterne, der er oplagrede mængder. Økologiske energibudgetter fokuserer på brug og transformationer af energi i biosfæren eller dens komponenter.
sol elektromagnetisk stråling er den største input af energi til jorden. Denne eksterne energikilde hjælper med at opvarme planeten, fordampe vand, cirkulere atmosfæren og oceanerne og opretholde økologiske processer. I sidste ende udstråles al den solenergi, der absorberes af jorden, tilbage til rummet som elektromagnetisk stråling med en længere bølgelængde end det, der oprindeligt blev absorberet. Jorden opretholder en næsten perfekt energisk balance mellem input og output af elektromagnetisk energi.
jordens økosystemer er afhængige af solstråling som en ekstern kilde til diffus energi, der kan bruges af fotosyntetiske autotrofer, såsom grønne planter, til at syntetisere enkle organiske molekyler såsom sukkerarter fra uorganiske molekyler såsom kulsyre og vand. Planter bruger den faste energi fra disse enkle organiske forbindelser plus uorganiske næringsstoffer til at syntetisere en enorm mangfoldighed af biokemikalier gennem forskellige metaboliske reaktioner. Planter bruger disse biokemikalier og den energi, de indeholder for at opnå deres vækst og reproduktion. Desuden udnyttes plantebiomasse direkte eller indirekte som mad af det enorme antal heterotrofe organismer, der ikke er i stand til at fastsætte deres egen energi. Disse organismer inkluderer planteædere, der spiser planter, kødædere, der spiser dyr, og detritivorer, der lever af død biomasse.
på verdensplan er brugen af solenergi til dette økologiske formål relativt lille og tegner sig for meget mindre end 1% af det beløb, der modtages på jordens overflade. Selv om dette er en kvantitativt triviel del af Jordens energibudget, er det klart meget vigtigt kvalitativt, fordi det er den absorberede og biologisk faste energi, der subsidierer alle økologiske processer.
energiformer
energi defineres som en krops eller et systems evne eller potentielle evne til at udføre arbejde. Energi kan måles i forskellige enheder, såsom kalorieindhold, defineret som den mængde energi, der kræves for at hæve temperaturen på et gram rent vand med en grad Celsius. (Bemærk, at diætistens kalorieindhold svarer til tusind af disse kalorier eller en kilokalorie.) Joule (J) er en anden enhed af energi. En joule defineres generelt som den mængde arbejde, der kræves for at løfte en vægt på 1 kg med 10 cm på jordoverfladen. Det svarer til 0,24 kalorier. 4.184 J.
energi kan eksistere i forskellige tilstande, som alle kan udskiftes gennem forskellige former for fysiske/kemiske transformationer. De grundlæggende kategorier af energi er: elektromagnetisk, kinetisk og potentiel, men hver af disse kan også eksistere i forskellige tilstande.
elektromagnetisk energi er energien fra fotoner eller kvanta af energi, der har egenskaber for både partikler og bølger, og som bevæger sig gennem rumvakuumet med en konstant hastighed på cirka 3 liter 108 meter i sekundet (det vil sige ved lysets hastighed). Komponenterne i elektromagnetisk energi er karakteriseret på basis af bølgelængdeområder, som bestilt fra de korteste til længste bølgelængder er kendt som: gamma, røntgen, ultraviolet, lys eller synlig, infrarød og radio. Alle kroppe med en temperatur, der er større end absolut nul (det vil sige -459 liter F eller nul grader på Kelvin-skalaen ) udsender elektromagnetisk energi med en hastighed og spektral kvalitet , der strengt bestemmes af deres overfladetemperatur. Relativt varme kroppe har meget større emissionshastigheder, og deres stråling domineres af kortere bølgelængder sammenlignet med køligere kroppe. Solen har en overfladetemperatur på omkring 11.000 liter F (6.093 liter C). Det meste af dets stråling er i bølgelængdeområdet for synligt lys (0,4 til 0,7 liter eller mikrometer) og kortere bølge infrarød (0,7 til 2.0 liter), mens jorden har en overfladetemperatur på omkring 77 liter F (25 liter C) og dens strålingstoppe i det infrarøde område med længere bølge på omkring 10 liter.
kinetisk energi er energien i dynamisk bevægelse, hvoraf der er to grundlæggende typer, energien fra bevægelige legemer og energien fra vibrerende atomer eller molekyler. Den senere er også kendt som termisk energi, og jo mere kraftig vibrationen er, desto større er varmeindholdet.
potentiel energi har kapacitet til at udføre arbejde, men den skal mobiliseres for at gøre det. Potentiel energi forekommer i forskellige former. Kemisk potentiel energi lagres i molekylernes interatomiske bindinger. Denne energi kan frigøres ved såkaldte eksoterme reaktioner, som har en nettofrigivelse af energi. For eksempel frigives varme, når det kemisk reducerede svovl af sulfidmineraler iltes til sulfat, og når krystallinsk natriumchlorid opløses i vand. Alle biokemikalier lagrer også potentiel energi svarende til 4,6 kilokalorier pr.gram kulhydrat, 4,8 Kcal/g protein og 6,0 til 9,0 Kcal/g fedt.
gravitationel potentiel energi opbevares i masse, der er forhøjet over en gravitationelt attraktiv overflade, som når vand forekommer over havets overflade, eller ethvert objekt forekommer over jordoverfladen. Medmindre det er blokeret, strømmer vand spontant ned ad bakke, og genstande falder nedad som reaktion på gradienter af gravitationspotentiel energi. Andre typer potentiel energi er noget mindre vigtige med hensyn til økologiske energibudgetter, men de inkluderer potentielle energier af komprimerede gasser, elektriske potentielle gradienter forbundet med spændingsforskelle og den potentielle energi af stof, som kan frigives ved nukleare reaktioner.
energitransformationer og termodynamikens love
som tidligere nævnt kan energi transformeres blandt dens forskellige tilstande. Elektromagnetisk energi kan for eksempel absorberes af en mørk genstand og omdannes til termisk kinetisk energi. Denne handling resulterer i en øget temperatur i det absorberende legeme. Som et andet eksempel kan gravitationspotentiel energi af vand højt på et plateau omdannes til den kinetiske energi ved at flytte vand og varme ved et vandfald, eller det kan mobiliseres af mennesker til at drive en turbine og generere elektrisk energi. For det tredje kan solelektromagnetisk stråling absorberes af klorofylen fra grønne planter, og noget af den absorberede energi kan omdannes til sukkerers kemiske potentielle energi, og resten omdannes til varme.
alle transformationer af energi skal ske i henhold til visse fysiske principper, kendt som termodynamikens love. Dette er universelle love; hvilket betyder, at de altid er sande, uanset omstændighederne. Den første lov siger, at energi kan gennemgå transformationer blandt dens forskellige stater, men den er aldrig skabt eller ødelagt—så universets energiindhold forbliver konstant. En konsekvens af denne lov for energibudgetter er, at der altid skal være en nulbalance mellem energiindgangene til et system, energiudgangene og enhver nettolagring i systemet.
termodynamikens anden lov siger, at transformationer af energi kun kan forekomme spontant under forhold, hvor der er en stigning i universets entropi. (Entropi er relateret til tilfældighed af fordelingen af stof og energi). For eksempel bestråles jorden kontinuerligt af solstråling, hovedsagelig af synlige og næsten infrarøde bølgelængder. Noget af denne energi absorberes, som opvarmer jordens overflade. Planeten køler sig selv på forskellige måder, men i sidste ende gøres dette ved at udstråle sin egen elektromagnetiske stråling tilbage til rummet, som infrarød stråling med længere bølge. Omdannelsen af relativt kortbølget solstråling til den længere bølgestråling, der udsendes af jorden, repræsenterer en forringelse af energikvaliteten og en stigning i universets entropi.
en følge eller sekundær proposition af termodynamikens anden lov er, at energitransformationer aldrig kan være helt effektive, fordi noget af det oprindelige indhold af energi skal omdannes til varme, så entropi kan øges. I sidste ende er dette grunden til, at ikke mere end omkring 30% af energiindholdet i bensin kan omdannes til den kinetiske energi i en bevægende bil. Det er også grunden til, at ikke mere end 40% af kulenergien kan omdannes til elektricitet i en moderne produktionsstation. Tilsvarende er der øvre grænser for effektiviteten, hvormed grønne planter fotosyntetisk kan omdanne synlig stråling til biokemikalier, selv i økosystemer, hvor økologiske begrænsninger relateret til næringsstoffer, vand og rum optimeres.
interessant nok absorberer planter synlig stråling udsendt af solen og bruger denne relativt spredte energi til at fikse enkle uorganiske molekyler som kulsyre, vand og andre næringsstoffer i meget komplekse og energitætte biokemikalier. Heterotrofe organismer bruger derefter biokemikalierne i plantebiomasse til at syntetisere deres egne komplekse biokemikalier. Lokalt repræsenterer disse forskellige biologiske synteser energitransformationer, der væsentligt reducerer entropi snarere end at øge den. Dette sker, fordi relativt spredt solenergi og enkle forbindelser er fokuseret på de komplekse biokemikalier af levende organismer.
overholder biologiske transformationer ikke termodynamikens anden lov? Dette tilsyneladende fysiske paradoks i livet kan med succes rationaliseres ved hjælp af følgende logik: Den lokaliserede biokoncentration af negativ entropi kan forekomme, fordi der er en konstant tilførsel af energi til systemet i form af solstråling. Hvis denne eksterne energikilde blev opsagt, ville al den negative entropi af organismer og organisk materiale snarere hurtigt nedbrydes spontant og producere varme og enkle uorganiske molekyler og derved øge universets entropi. Derfor kan liv og økosystemer ikke overleve uden løbende input af solenergi. Derfor kan biosfæren anses for at repræsentere en lokaliseret ø i rum og tid med negativ entropi, drevet af en ekstern (sol) energikilde. Der er fysiske analoger til disse økologiske omstændigheder-hvis ekstern energi sættes i systemet, kan relativt dispergerede molekyler af gasser koncentreres i en beholder, som det sker, når en person blæser energisk for at fylde en ballon med luft. Til sidst springer ballonen imidlertid, gasserne spredes igen, den oprindelige energiindgang omdannes til varme, og universets entropi øges.
fysiske energibudgetter
fysiske energibudgetter overvej et bestemt, defineret system, og analyser derefter input af energi, dets forskellige transformationer og lagre og de eventuelle output. Dette koncept kan illustreres med henvisning til jordens energibudget.
den største tilførsel af energi til Jorden forekommer som solelektromagnetisk energi. Ved de ydre grænser for Jordens atmosfære er den gennemsnitlige Indgangshastighed for solstråling 2,00 kalorier pr. cm2 pr. Cirka halvdelen af denne energiindgang forekommer som synlig stråling og halvdelen som næsten infrarød. Som tidligere nævnt udsender jorden også sin egen elektromagnetiske stråling, igen med en hastighed på 2,00 cal/cm2/min, men med et spektrum, der topper i infrarød med længere bølge, omkring 10 liter. Fordi hastigheden af energiindgang er lig med udgangshastigheden, er der ingen nettolagring af energi og ingen væsentlig, langsigtet ændring i Jordens overfladetemperatur. Derfor repræsenterer jorden et nul-sum, energistrømningssystem. (Faktisk har der over geologisk tid været en lille lagring af energi, der forekommer som en ophobning af underkomponeret biomasse, der til sidst omdannes geologisk til fossile brændstoffer. Der er også mindre, langsigtede variationer af Jordens temperaturoverflade, der repræsenterer klimaændringer. Disse repræsenterer imidlertid kvantitativt trivielle undtagelser fra den foregående Erklæring om Jorden som et nul-sum, gennemstrømningssystem for energi.) Selvom mængden af energi, der udsendes af jorden, til sidst svarer til mængden af solstråling, der absorberes, er der nogle økologisk vigtige transformationer, der forekommer mellem disse to begivenheder.
de vigtigste måder, hvorpå jorden beskæftiger sig med dens indfaldende solstrålinger, er:
- 30% af den indfaldende solenergi reflekteres tilbage til det ydre rum af Jordens atmosfære eller dens overflade. Denne proces er relateret til Jordens albedo, som er stærkt påvirket af solvinklen, mængderne af skydække og atmosfæriske partikler og i mindre grad af karakteren af jordens overflade, især typer og mængde vand (inklusive is) og vegetationsdækning.
- cirka 25% af den indfaldende energi absorberes af atmosfæriske gasser, dampe og partikler, omdannes til varme eller termisk kinetisk energi og udstråles derefter igen som infrarød stråling med længere bølgelængde.
- cirka 45% af den indfaldende stråling absorberes på jordens overflade af levende og ikke-levende materialer og omdannes til termisk energi, hvilket øger temperaturen på de absorberende overflader. På længere sigt (det vil sige år) og endda på mellemlang sigt (det vil sige dage) er der ringe eller ingen nettolagring af varme. Næsten al den absorberede energi udstråles igen af overfladen som langbølget infrarød energi med en bølgelængdetop på omkring 10 liter.
- noget af overfladernes termiske energi får vand til at fordampe fra plante-og ikke-levende overflader (se indgang på evapotranspiration), eller det får IS eller sne til at smelte.
- på grund af den ujævne fordeling af termisk energi på jordens overflade driver nogle af den absorberede stråling massetransport, fordelingsprocesser, såsom vind, vandstrømme og bølger på overfladen af vandområder.
- en meget lille (gennemsnit mindre end 0.1%) men økologisk kritisk del af den indkommende solenergi absorberes af klorofyl af planter, og bruges til at drive fotosyntese. Denne fotoautotrofiske fiksering tillader, at noget af solenergien midlertidigt opbevares i den potentielle energi fra biokemikalier og tjener som det energiske grundlag for livet på jorden.
visse gasser i Jordens atmosfære absorberer langbølget infrarød energi af den type, der udstråles af opvarmet stof i den anden og tredje spredningsmekanisme (anført ovenfor). Denne absorption opvarmer gasserne, som derefter gennemgår en anden genstråling og udsender endnu længere bølgelængde infrarød energi i alle retninger, inklusive tilbage til jordens overflade. De vigtigste af de såkaldte radiativt aktive gasser i atmosfæren er vand og kulsyre, men sporgasserne metan, lattergas, osomon og chlorfluorcarboner er også signifikante. Dette fænomen, kendt som drivhuseffekten, forstyrrer signifikant hastigheden af strålingsafkøling af jordens overflade.
hvis der ikke var nogen drivhuseffekt, og Jordens atmosfære var fuldt gennemsigtig for langbølget infrarød stråling, ville overfladetemperaturerne i gennemsnit være omkring 17,6 liter F (-8 liter C), alt for koldt til biologiske processer at forekomme. Fordi den naturligt forekommende drivhuseffekt opretholder jordens gennemsnitlige overfladetemperatur omkring 60 grader Fahrenheit varmere end dette, ved omkring 77 liter F (25 liter C), er det en åbenlyst vigtig faktor i planetens beboelighed. Imidlertid har menneskelige aktiviteter resulteret i stigende atmosfæriske koncentrationer af nogle af de radiativt aktive gasser, og der er bekymring for, at dette kan medføre en intensivering af Jordens drivhuseffekt. Dette kan føre til global opvarmning, ændringer i fordelingen af nedbør og andre klimatiske virkninger og alvorlige økologiske og socioøkonomiske skader.
budgetter for fast energi
økologisk energi undersøger transformationerne af fast, biologisk energi inden for samfund og økosystemer, især den måde, hvorpå biologisk fast energi ledes gennem fødevarenettet.
for eksempel fandt undersøgelser af en naturlig eg-fyrreskov i staten Ny York, at vegetationen fik solenergi svarende til 11.500 kilokalorier pr. Imidlertid udnyttede plantens respiration 6,5 liter 103 Kcal/ha/år, således at den faktiske nettoakkumulering af energi i økosystemet var 5.0 til 103 Kcal/ha/år. De forskellige typer heterotrofe organismer i skoven udnyttede yderligere 3,0 liter 103 Kcal/ha/år til at understøtte deres åndedræt, så nettet
nøglebegreber
elektromagnetisk energi— en type energi, der involverer fotoner, som har fysiske egenskaber af både partikler og bølger. Elektromagnetisk energi er opdelt i spektrale komponenter, som (bestilt fra lang til kort bølgelængde) inkluderer radio, infrarødt, synligt lys, ultraviolet og kosmisk.
entropi— måling af en tendens til øget tilfældighed og lidelse.
akkumulering af biomasse af alle organismer i økosystemet svarede til 2,0 gange 103 Kcal/ha/år.
det foregående er et eksempel på et fast energibudget på økosystemniveau. Nogle gange udvikler økologer budgetter for energi på befolkningsniveauer og endda for enkeltpersoner. Afhængigt af miljømæssige forhold og muligheder kan individuelle planter eller dyr for eksempel optimere deres egnethed ved at tildele deres energiressourcer til forskellige aktiviteter, mest enkelt, til individets vækst eller til reproduktion.
imidlertid er biologiske energibudgetter typisk meget mere komplicerede. For eksempel kan en plante forskelligt allokere sin energi til produktion af længere stængler og flere blade for at forbedre adgangen til sollys, eller den kan vokse længere og flere rødder for at øge adgangen til jordens næringsstoffer eller flere blomster og frø for at øge sandsynligheden for vellykket reproduktion. Der er andre mulige tildelingsstrategier, herunder en kombination af det foregående.
tilsvarende skal en bjørn træffe beslutninger om fordelingen af sin tid og energi. Det skal beslutte aktiviteter i forbindelse med hvile, enten i løbet af dagen eller på længere sigt dvaletilstand, jagt efter plante-eller dyrefoder, Søger en kammerat, tager sig af ungerne, eller bare have det sjovt, som vilde bjørne er kendt for at gøre.
Se også energioverførsel; fødekæde.