energiaformák
energiaátalakítások és a termodinamika törvényei
fizikai energia költségvetések
rögzített energia költségvetései
erőforrások
az energia költségvetés leírja azokat a módszereket, amelyekkel az energia átalakul az egyik állapotból a másikba egy meghatározott rendszeren belül, beleértve a bemenetek, kimenetek és a változások elemzését tárolt mennyiségek. Az ökológiai energia költségvetése az energia felhasználására és átalakítására összpontosít a bioszférában vagy annak összetevőiben.
a Nap elektromágneses sugárzása a Föld fő energiabevitele. Ez a külső energiaforrás segíti a bolygó melegítését, a víz elpárologtatását, a légkör és az óceánok keringését és az ökológiai folyamatok fenntartását. Végül a Föld által elnyelt összes napenergia visszasugárzik az űrbe, mint az eredetileg elnyeltnél hosszabb hullámhosszú elektromágneses sugárzás. A föld gyakorlatilag tökéletes energetikai egyensúlyt tart fenn az elektromágneses energia bemenete és kimenete között.
a Föld ökoszisztémái a napsugárzástól függenek, mint a diffúz energia külső forrása, amelyet a fotoszintetikus autotrófok, például a zöld növények felhasználhatnak egyszerű szerves molekulák, például cukrok szintetizálására szervetlen molekulákból, például szén-dioxidból és vízből. A növények ezen egyszerű szerves vegyületek rögzített energiáját, valamint a szervetlen tápanyagokat használják a biokémiai anyagok hatalmas sokféleségének szintetizálására különféle anyagcsere-reakciók révén. A növények felhasználják ezeket a biokémiai anyagokat és az általuk tartalmazott energiát növekedésük és szaporodásuk megvalósításához. Sőt, a növényi biotömeget közvetlenül vagy közvetve táplálékként hasznosítják a hatalmas számú heterotróf organizmus, amelyek képtelenek rögzíteni saját energiájukat. Ezek az organizmusok közé tartoznak a növényevők, amelyek növényeket esznek, húsevők, amelyek állatokat esznek, és detritivorok, amelyek elhalt biomasszával táplálkoznak.
világszerte a napenergia felhasználása erre az ökológiai célra viszonylag kicsi, a Föld felszínén kapott mennyiség jóval kevesebb, mint 1% – át teszi ki. Bár ez mennyiségileg triviális része a Föld energiaköltségvetésének, nyilvánvalóan nagyon fontos minőségileg, mert ez az elnyelt és biológiailag rögzített energia, amely támogatja az összes ökológiai folyamatot.
energiaformák
az energia a test vagy a rendszer munkaképességének vagy potenciális képességének meghatározása. Az energiát különféle egységekben lehet mérni, például a kalóriában, amelyet egy gramm tiszta víz hőmérsékletének egy Celsius-fokkal történő emeléséhez szükséges energiamennyiségként határozunk meg. (Vegye figyelembe , hogy a dietetikus kalóriája egyenértékű ezer ilyen kalóriával, vagy egy kilokalóriával.) A Joule (J) egy másik energiaegység. Az egyik joule-t általában úgy definiálják, mint az 1 kg-os súly 10 cm-es felemeléséhez szükséges munka mennyiségét a Föld felszínén. Ez 0,24 kalóriának felel meg. Ezenkívül egy kalória (kis kalória) körülbelül 4,184 J.
az energia különböző állapotokban létezhet, amelyek mindegyike felcserélhető különféle fizikai/kémiai átalakulások révén. Az energia alapvető kategóriái: elektromágneses, kinetikus és potenciális, de ezek mindegyike különböző állapotokban is létezhet.
az elektromágneses energia a fotonok vagy energiakvantumok energiája, amelyek mind a részecskék, mind a hullámok tulajdonságaival rendelkeznek, és amelyek a tér vákuumában állandó sebességgel haladnak körülbelül 3 608 méter másodpercenként (azaz fénysebességgel). Az elektromágneses energia összetevőit hullámhossz-tartományok alapján jellemzik, amelyek a legrövidebbtől a leghosszabb hullámhosszig rendeződnek: gamma, röntgen, ultraibolya, fény vagy látható, infravörös és rádió. Minden olyan test, amelynek hőmérséklete meghaladja az abszolút nullát (azaz -459 ft , vagy nulla fok a Kelvin-skálán), elektromágneses energiát bocsát ki olyan sebességgel és spektrális minőségben, amelyet szigorúan a felületi hőmérséklet határoz meg. A viszonylag forró testek sokkal nagyobb emissziós sebességgel rendelkeznek, sugárzásukat rövidebb hullámhosszak uralják, összehasonlítva a hűvösebb testekkel. A nap felületi hőmérséklete körülbelül 11 000 Ft (6 093 Ft). Sugárzásának nagy része a látható fény (0,4-0,7 km vagy mikrométer) és a rövidebb hullámú infravörös (0,7-2) hullámhossztartományába esik.A Föld felszíni hőmérséklete kb. 77 fő (25 fő), sugárzási csúcsa a hosszabb hullámú infravörös tartományban kb. 10 fő.
a kinetikus energia a dinamikus mozgás energiája, amelynek két alapvető típusa van, a mozgó testek energiája, valamint a rezgő atomok vagy molekulák energiája. A későbbi hőenergiának is nevezik, és minél erősebb a rezgés, annál nagyobb a hőtartalom.
a potenciális energia képes dolgozni, de ehhez mobilizálni kell. A potenciális energia különböző formákban fordul elő. A kémiai potenciális energiát a molekulák atomközi kötései tárolják. Ezt az energiát úgynevezett exoterm reakciók szabadíthatják fel, amelyek nettó energiakibocsátással rendelkeznek. Például hő szabadul fel, amikor a szulfid ásványi anyagok kémiailag redukált kénjét szulfáttá oxidálják, és amikor a kristályos nátrium-kloridot vízben oldják. Minden biokémiai anyag potenciális energiát is tárol, ami 4,6 kilokalóriának felel meg gramm szénhidrátonként, 4,8 Kcal/g fehérje és 6,0-9,0 Kcal/g zsír.
a gravitációs potenciális energiát olyan tömegben tárolják, amely valamilyen gravitációsan vonzó felület fölé emelkedik, például amikor víz fordul elő az óceánok felszíne felett, vagy bármilyen tárgy fordul elő a talaj felszíne felett. Hacsak nem akadályozzák, a víz spontán lefelé áramlik, és a tárgyak lefelé esnek a gravitációs potenciális energia gradienseire reagálva. A potenciális energia más típusai valamivel kevésbé fontosak az ökológiai energia költségvetése szempontjából, de magukban foglalják a sűrített gázok potenciális energiáit, a feszültségkülönbségekhez kapcsolódó elektromos potenciálgradienseket, valamint az anyag potenciális energiáját, amelyet nukleáris reakciók szabadíthatnak fel.
Energiaváltozások és a termodinamika törvényei
amint azt korábban megjegyeztük, az energia különböző állapotai között átalakulhat. Az elektromágneses energiát például egy sötét tárgy elnyelheti, és átalakíthatja termikus kinetikus energiává. Ez a művelet az abszorbeáló test megnövekedett hőmérsékletét eredményezi. Egy másik példa, a fennsíkon magas víz gravitációs potenciális energiája átalakítható a mozgó víz és a vízesés mozgási energiájává, vagy az emberek mobilizálhatják egy turbina meghajtására és elektromos energia előállítására. Harmadszor, a Nap elektromágneses sugárzását elnyelheti a zöld növények klorofillja, és az elnyelt energia egy része átalakítható a cukrok kémiai potenciális energiájává, a többi pedig hővé.
az energia minden átalakulásának bizonyos fizikai elvek szerint kell történnie, amelyeket a termodinamika törvényeinek neveznek. Ezek egyetemes törvények; ami azt jelenti, hogy mindig igazak, a körülményektől függetlenül. Az első törvény kimondja, hogy az energia átalakulásokon mehet keresztül a különféle állapotai között, de soha nem jön létre vagy pusztul el—tehát az univerzum energiatartalma állandó marad. Ennek az energiaköltségvetésre vonatkozó törvénynek az a következménye, hogy mindig nulla egyensúlynak kell lennie a rendszer energiabevitelei, az energiatermelések és a rendszeren belüli nettó tárolás között.
a termodinamika második törvénye kimondja, hogy az energia átalakulása csak spontán módon fordulhat elő olyan körülmények között, amelyekben az univerzum entrópiája növekszik. (Az entrópia összefügg az anyag és az energia eloszlásának véletlenszerűségével). Például a földet folyamatosan besugározza a napsugárzás, többnyire látható és közeli infravörös hullámhosszon. Ennek az energiának egy része felszívódik, ami felmelegíti a Föld felszínét. A bolygó különféle módon hűti magát, de végül ez úgy történik, hogy saját elektromágneses sugárzását sugározza vissza az űrbe, mint hosszabb hullámú infravörös sugárzást. A viszonylag rövid hullámú napsugárzás átalakulása a Föld által kibocsátott hosszabb hullámú sugárzássá az energia minőségének romlását és az univerzum entrópiájának növekedését jelenti.
a termodinamika második törvényének következménye vagy másodlagos javaslata az, hogy az energiaátalakítások soha nem lehetnek teljesen hatékonyak, mert a kezdeti energiatartalom egy részét hővé kell alakítani, hogy az entrópia növelhető legyen. Végső soron ez az oka annak, hogy a benzin energiatartalmának legfeljebb 30% – át lehet átalakítani egy mozgó autó kinetikus energiájává. Ez az oka annak is, hogy a szén energiájának legfeljebb 40% – a átalakítható villamos energiává egy modern termelőállomáson. Hasonlóképpen, vannak felső határai annak a hatékonyságnak, amellyel a zöld növények fotoszintetikusan képesek a látható sugárzást biokémiai anyagokká alakítani, még azokban az ökoszisztémákban is, amelyekben a tápanyagokkal, a vízzel és a térrel kapcsolatos ökológiai korlátok optimalizáltak.
érdekes módon a növények elnyelik a nap által kibocsátott látható sugárzást, és ezt a viszonylag szétszórt energiát egyszerű szervetlen molekulák, például szén-dioxid, víz és más tápanyagok rögzítésére használják nagyon összetett és energiasűrű biokémiai anyagokká. A heterotróf organizmusok ezután a növényi biomassza biokémiáit használják saját komplex biokémiai anyagaik szintetizálására. Helyileg ezek a különféle biológiai szintézisek olyan energiaátalakulásokat képviselnek, amelyek lényegesen csökkentik az entrópiát, nem pedig növelik azt. Ez azért fordul elő, mert a viszonylag szétszórt napenergia és az egyszerű vegyületek az élő szervezetek komplex biokémiai anyagaiba koncentrálódnak.
a biológiai transzformációk nem felelnek meg a termodinamika második törvényének? Az élet látszólagos fizikai paradoxonja sikeresen racionalizálható a következő logika felhasználásával: A negatív entrópia lokalizált biokoncentrációja azért fordulhat elő, mert állandó energiabevitel van a rendszerbe, napsugárzás formájában. Ha ez a külső energiaforrás megszűnik, akkor az organizmusok és a szerves anyagok negatív entrópiája meglehetősen gyorsan spontán lebomlik, hőt és egyszerű szervetlen molekulákat termel, és ezáltal növeli az univerzum entrópiáját. Ez az oka annak, hogy az élet és az ökoszisztémák nem tudnak fennmaradni a napenergia folyamatos bevitele nélkül. Ezért a bioszféra úgy tekinthető, mint egy lokalizált sziget, térben és időben, negatív entrópiával, amelyet egy külső (napenergia) energiaforrás táplál. Ezeknek az ökológiai körülményeknek fizikai analógjai vannak—ha külső energiát helyeznek a rendszerbe, akkor a viszonylag diszpergált gázmolekulák koncentrálódhatnak egy tartályba, mint akkor, amikor egy személy energikusan fúj, hogy léggömböt töltsön levegővel. Végül azonban a léggömb kipukkad, a gázok újra eloszlanak, az eredeti energiabevitel hővé alakul, és az univerzum entrópiája megnő.
fizikai energia költségvetések
fizikai energia költségvetések tekintsünk meg egy adott, meghatározott rendszert, majd elemezzük az energia bemeneteit, különböző átalakításait és tárolóit, valamint az esetleges kimeneteket. Ezt a fogalmat a Föld energiaköltségvetésére való hivatkozással lehet szemléltetni.
a Föld fő energiabevitele napenergiaként történik elektromágneses energia. A Föld légkörének külső határain a napsugárzás átlagos bemeneti sebessége 2,00 kalória / cm2 percenként (ezt a fluxust napállandónak nevezik). Ennek az energiabevitelnek körülbelül a fele látható sugárzásként, fele pedig közeli infravörös sugárzásként fordul elő. Amint azt korábban megjegyeztük, a Föld saját elektromágneses sugárzását is kibocsátja, ismét 2,00 cal/cm2/perc sebességgel, de a hosszabb hullámú infravörös tartományban csúcsosodó spektrummal, körülbelül 10 MHz-en. Mivel az energiabevitel mértéke megegyezik a kibocsátás sebességével, nincs nettó energiatárolás, és nincs jelentős, hosszabb távú változás a Föld felszíni hőmérsékletében. Ezért a Föld nulla összegű, energiaáramlási rendszert képvisel. (Valójában a geológiai idő alatt volt egy kis energiatárolás, amely alulkomponált biomassza felhalmozódásaként fordul elő, amely végül geológiailag fosszilis tüzelőanyagokká alakul. A Föld hőmérsékletének kisebb, hosszabb távú változásai is vannak, amelyek az éghajlatváltozást képviselik. Ezek azonban kvantitatívan triviális kivételeket jelentenek a Földről, mint nulla összegű, átfolyó energiarendszerről szóló előző állítás alól.) Bár a Föld által kibocsátott energia mennyisége végül megegyezik az elnyelt napsugárzás mennyiségével, van néhány ökológiailag fontos átalakulás e két esemény között.
a legfontosabb módszerek, amelyekkel a föld foglalkozik a beeső napsugárzásokkal:
- a beeső napenergia átlagosan körülbelül 30% – át visszaveri a világűrbe a Föld légköre vagy felszíne. Ez a folyamat kapcsolódik a Föld albedójához, amelyet erősen befolyásol a napszög, a felhőtakaró mennyisége és a légköri részecskék, és kisebb mértékben a Föld felszínének jellege, különösen a víz (beleértve a jeget) és a növényzet borításának típusa és mennyisége.
- a beeső energia körülbelül 25%-át légköri gázok, gőzök és részecskék nyelik el, hővé vagy termikus kinetikus energiává alakítják, majd hosszabb hullámhosszú infravörös sugárzásként újra kisugárzják.
- a beeső sugárzás mintegy 45%-át a Föld felszínén élő és élettelen anyagok nyelik el, és hőenergiává alakítják, növelve az elnyelő felületek hőmérsékletét. Hosszabb távon (azaz években), sőt középtávon (Vagyis napokon) kevés vagy egyáltalán nincs nettó hőtárolás. Gyakorlatilag az összes elnyelt energiát a felület hosszú hullámú infravörös energiaként sugározza újra,a hullámhossz csúcsa körülbelül 10 MHz.
- a felületek hőenergiájának egy része a víz elpárolgását okozza a növényi és élettelen felületekről (lásd az evapotranspirációra vonatkozó bejegyzést), vagy a jég vagy a hó olvadását okozza.
- a Föld felszínén a hőenergia egyenetlen eloszlása miatt az elnyelt sugárzás egy része tömegszállítást, elosztási folyamatokat hajt végre, mint például a szelek, a vízáramok és a hullámok a víztestek felszínén.
- nagyon kicsi (átlagosan kevesebb, mint 0.1%), de a beérkező napenergia ökológiailag kritikus részét elnyeli a növények klorofillja, és a fotoszintézis hajtására használják. Ez a fotoautotróf rögzítés lehetővé teszi a napenergia egy részének ideiglenes tárolását a biokémiai anyagok potenciális energiájában, és a földi élet energetikai alapjaként szolgál.
a Föld légkörében lévő bizonyos gázok elnyelik a második és a harmadik disszipációs mechanizmus során felmelegített anyag által kibocsátott hosszú hullámú infravörös energiát (lásd fent). Ez az abszorpció felmelegíti a gázokat, amelyek ezután újabb sugárzáson mennek keresztül, még hosszabb hullámhosszú infravörös energiát bocsátanak ki minden irányban, beleértve a Föld felszínét is. A légkörben található úgynevezett sugárzóan aktív gázok közül a legfontosabb a víz és a szén-dioxid, de a metán, a dinitrogén-oxid, az ózon és a klór-fluorozott szénhidrogének is jelentősek. Ez az üvegházhatás néven ismert jelenség jelentősen befolyásolja a Föld felszínének sugárzási hűtési sebességét.
ha nem lenne üvegházhatás, és a Föld légköre teljesen átlátszó lenne a hosszú hullámú infravörös sugárzással szemben, a felszíni hőmérséklet átlagosan körülbelül 17,6 Ft (-8 Ft) lenne, ami túl hideg ahhoz, hogy a biológiai folyamatok megtörténjenek. Mivel a természetben előforduló üvegházhatás fenntartja a Föld átlagos felszíni hőmérsékletét körülbelül 60 Fahrenheit fokkal melegebb, mint ez, körülbelül 77 F (25 C), ez nyilvánvalóan fontos tényező a bolygó lakhatóságában. Az emberi tevékenység azonban egyes sugárzóan aktív gázok légköri koncentrációjának növekedését eredményezte, és aggodalomra ad okot, hogy ez a Föld üvegházhatásának fokozódását okozhatja. Ez globális felmelegedéshez, a csapadék eloszlásának változásához és más éghajlati hatásokhoz, valamint súlyos ökológiai és társadalmi-gazdasági károkhoz vezethet.
rögzített energia költségvetése
az ökológiai energetika a rögzített, biológiai energia átalakulását vizsgálja a közösségeken és az ökoszisztémákon belül, különös tekintettel arra, hogy a biológiailag rögzített energia hogyan halad át az élelmiszerhálón.
például egy természetes tölgy-fenyves erdő vizsgálata New York államban azt találta, hogy a növényzet évente 11 500 kilokalóriának felel meg hektáronként (103 Kcal/ha/év). A növényi légzés azonban 6,5 603 kcal/ha/év értéket használt fel, így az ökoszisztémában az energia tényleges nettó felhalmozódása 5 volt.0 603 kcal/ha/év. A különböző típusú heterotróf organizmusok az erdőben további 3,0 603 kcal/ha/Év— t használtak légzésük támogatására, így a háló
kulcsfogalmak
elektromágneses energia-egy olyan típusú energia, amely magában foglalja a fotonokat, amelyek mind a részecskék, mind a hullámok fizikai tulajdonságaival rendelkeznek. Az elektromágneses energia spektrális komponensekre oszlik, amelyek (hosszútól rövid hullámhosszig rendezve) magukban foglalják a rádiót, az infravörös, a látható fényt, az ultraibolya és a kozmikus fényt.
entrópia— a megnövekedett véletlenszerűségre és rendellenességre való hajlam mérése.
a biomassza felhalmozódása az ökoszisztéma összes organizmusában 2,0 x 103 Kcal/ha/év volt.
az előző példa az ökoszisztéma szintjén rögzített energiaköltségvetésre. Néha az ökológusok energiaköltségeket dolgoznak ki a népesség szintjén, sőt az egyének számára is. Például a környezeti körülményektől és lehetőségektől függően az egyes növények vagy állatok optimalizálhatják alkalmasságukat azáltal, hogy energiaforrásaikat különféle tevékenységekre, legegyszerűbben az egyén növekedésére vagy szaporodására fordítják.
a biológiai energia költségvetése azonban általában sokkal bonyolultabb. Például egy növény különféle módon fordíthatja energiáját hosszabb szárak és több levél előállítására, hogy javítsa a napfényhez való hozzáférését, vagy hosszabb és több gyökeret növeszthet, hogy növelje a talaj tápanyagaihoz való hozzáférését, vagy több virágot és magot, hogy növelje a sikeres szaporodás valószínűségét. Vannak más lehetséges allokációs stratégiák is, beleértve az előzőek valamilyen kombinációját.
Hasonlóképpen, a medvének döntenie kell az ideje és energiája elosztásáról. El kell döntenie a pihenéssel kapcsolatos tevékenységekről, akár napközben, akár hosszabb távú hibernálásról, növényi vagy állati ételek vadászatáról, Társ kereséséről, a kölykök gondozásáról vagy csak szórakozásról, ahogy a vadmedvékről ismert.
Lásd még: energiaátvitel; Élelmiszerlánc/web.