エネルギーの形
エネルギー変換と熱力学の法則
物理エネルギー予算
固定エネルギーの予算
資源
エネルギー予算は、入力、出力、および熱力学の変化の分析を含む、いくつかの定義されたシステム内でエネルギーがある状態から別の状態に変換される方法を記述する。保管されている数量。 生態エネルギー予算は、生物圏またはその構成要素におけるエネルギーの使用と変換に焦点を当てています。
太陽の電磁放射は地球へのエネルギーの主要な入力です。 この外部エネルギー源は、惑星を加熱し、水を蒸発させ、大気と海洋を循環させ、生態学的プロセスを維持するのに役立ちます。 最終的には、地球に吸収されたすべての太陽エネルギーは、もともと吸収されたものよりも長い波長の電磁放射として、宇宙に再放射されます。 地球は電磁エネルギーの入力と出力間の事実上完全で精力的なバランスを維持する。
地球の生態系は、二酸化炭素や水などの無機分子から糖などの単純な有機分子を合成するために、緑の植物などの光合成独立栄養生物が利用できる拡散エネルギーの外部源として日射に依存している。 植物は、これらの単純な有機化合物の固定エネルギーと無機栄養素を使用して、様々な代謝反応を介して膨大な多様な生化学物質を合成します。 植物は成長および再生を達成するのに含んでいるエネルギーおよびこれらのbiochemicalsを利用する。 さらに、植物のバイオマスは、自分のエネルギーを固定することができない膨大な数の従属栄養生物によって直接または間接的に食物として利用さ これらの生物には、植物を食べる草食動物、動物を食べる肉食動物、および死んだバイオマスを食べるdetritivoresが含まれます。
世界的には、この生態学的目的のための太陽エネルギーの使用は比較的小さく、地球の表面で受け取った量の1％未満を占めています。 これは地球のエネルギー予算の定量的に些細な部分ですが、これはすべての生態学的プロセスを補助する吸収され、生物学的に固定されたエネルギーで
エネルギーの形態
エネルギーは、身体またはシステムが仕事をする能力、または潜在的な能力として定義されます。 エネルギーは、純粋な水の1グラムの温度を摂氏1度上げるのに必要なエネルギー量として定義されるカロリーなど、さまざまな単位で測定できます。 （栄養士のカロリーは、これらのカロリーの千、または一キロカロリーに相当することに注意してください。 ジュール(J)は別のエネルギー単位である。 一つのジュールは、一般的に地球の表面に1キロ10センチメートルの重量を持ち上げるために必要な作業量として定義されています。 それは0.24カロリーに相当します。
エネルギーは様々な状態で存在することができ、そのすべては様々な種類の物理的/化学的変換によって交換可能である。 エネルギーの基本的なカテゴリは次のとおりです: 電磁気学、運動学、および電位が、これらのそれぞれはまた、様々な状態で存在することができます。
電磁エネルギーは、粒子と波の両方の性質を持ち、約3×108メートル/秒の一定の速度（つまり、光の速度）で空間の真空を通過する光子、またはエネルギーの量 ガンマ、x線、紫外線、光または可視、赤外線、およびラジオ：電磁エネルギーの成分は、最短から最長の波長に順序付けられた波長範囲に基づいて特徴付けら 絶対零度（つまり、-459°F、またはケルビンスケールでゼロ度）よりも大きい温度を持つすべての物体は、その表面温度によって厳密に決定される速度とス 比較的熱い体ははるかに大きな放出速度を有し、その放射はより涼しい体と比較してより短い波長によって支配される。 太陽の表面温度は約11,000°F(6,093°C)である。 その放射のほとんどは、可視光（0.4〜0.7μ mまたはマイクロメートル）および短波赤外線（0.7〜2.地球の表面温度は約77°F(25°C)で、放射ピークは長波赤外域で約10°mである。
運動エネルギーは動的運動のエネルギーであり、そのうちの二つの基本的なタイプ、移動体のエネルギーと振動原子や分子のエネルギーがあります。 後者は熱エネルギーとしても知られており、振動が活発であればあるほど熱content有量が大きくなります。
ポテンシャルエネルギーは仕事をする能力を持っているが、そうするために動員されなければならない。 ポテンシャルエネルギーは様々な形で起こる。 化学ポテンシャルエネルギーは、分子の原子間結合に貯蔵される。 このエネルギーは、エネルギーの正味の放出を有する、いわゆる発熱反応によって解放することができる。 例えば、化学的に還元された硫化物鉱物の硫黄が硫酸塩に酸化されたとき、および結晶性塩化ナトリウムが水に溶解されたときに熱が放出される。 すべての生化学物質はまた、炭水化物のグラム当たり4.6キロカロリー、タンパク質の4.8Kcal/g、および脂肪の6.0から9.0Kcal/gに相当する潜在的なエネル
重力ポテンシャルエネルギーは、水が海洋の表面の上に発生した場合や、物体が地表の上に発生した場合のように、重力的に魅力的な表面の上に上昇 妨害されない限り、水は自発的に下り坂を流れ、重力ポテンシャルエネルギーの勾配に応答して物体は下に落ちる。 他のタイプのポテンシャルエネルギーは、生態学的エネルギー予算の面ではやや重要ではないが、圧縮ガスのポテンシャルエネルギー、電圧差に関連する電位勾配、核反応によって放出される物質のポテンシャルエネルギーなどが含まれる。
エネルギー変換と熱力学の法則
先に述べたように、エネルギーは様々な状態の間で変換することができます。 例えば、電磁エネルギーは、暗い物体に吸収され、熱運動エネルギーに変換することができる。 この作用は、吸収体の温度を上昇させる。 別の例として、高原の高い水の重力ポテンシャルエネルギーは、滝で水と熱を動かす運動エネルギーに変換することができ、またはそれはタービンを駆動し、電気エネルギーを生成するために人間によって動員することができます。 第三に、太陽電磁放射は緑色植物のクロロフィルによって吸収され、吸収されたエネルギーの一部は糖の化学ポテンシャルエネルギーに変換され、残りは熱に変換される。
すべてのエネルギー変換は、熱力学の法則として知られている特定の物理的原理に従って行わなければなりません。 これらは普遍的な法律である;それは状況にもかかわらず常に真実であることを意味する。 最初の法則は、エネルギーは様々な状態の間で変換を受けることができると述べていますが、それは決して創造されたり破壊されたりしないので、宇宙の エネルギー予算のためのこの法則の結果は、システムへのエネルギー入力、エネルギー出力、およびシステム内の正味ストレージの間に常にゼロバランスが
熱力学第二法則は、エネルギーの変換は、宇宙のエントロピーが増加する条件の下でのみ自発的に起こると述べている。 （エントロピーは、物質とエネルギーの分布のランダム性に関連しています）。 例えば、地球は、主に可視および近赤外波長の太陽放射によって連続的に照射される。 このエネルギーの一部が吸収され、地球の表面が加熱されます。 惑星は様々な方法で自分自身を冷却しますが、最終的にはこれは、長波赤外線として、宇宙に戻って独自の電磁放射を放射することによって行われます。 比較的短波の太陽放射が地球から放出される長波の放射に変換されることは、エネルギーの質の低下と宇宙のエントロピーの増加を表しています。
熱力学第二法則の結果的、または二次的な命題は、エントロピーを増加させるためにエネルギーの初期成分の一部を熱に変換しなければならないため、エネル 最終的には、これが、ガソリンのエネルギー含有量の約30％以下を移動する自動車の運動エネルギーに変換することができない理由である。 それはまた、石炭のエネルギーの約40％以下が現代の発電所で電気に変換されることができない理由でもあります。 同様に、栄養素、水、および空間に関連する生態学的制約が最適化されている生態系においても、緑色植物が光合成的に可視放射線を生化学的に変換
興味深いことに、植物は太陽から放出される可視光線を吸収し、この比較的分散したエネルギーを使用して、二酸化炭素、水、その他の栄養素などの単純な無機分子を非常に複雑でエネルギー密度の高い生化学物質に固定します。 従属栄養生物は、植物バイオマスの生化学物質を使用して、独自の複雑な生化学物質を合成します。 局所的には、これらの様々な生物学的合成は、エントロピーを増加させるのではなく、実質的に減少させるエネルギー変換を表す。 これは、比較的分散した太陽エネルギーと単純な化合物が、生物の複雑な生化学物質に集中しているために発生します。
生物学的変換は熱力学の第二法則に従わないのか？ このような生命の物理的なパラドックスは、次の論理を使用して合理化することができます: 負のエントロピーの局在化された生物濃縮は、太陽放射の形でシステムへのエネルギーの一定の入力があるために起こり得る。 この外部エネルギー源が終了すると、生物や有機物の負のエントロピーはすべて自発的に分解され、熱や単純な無機分子が生成され、宇宙のエントロピーが増加する。 これが、生命と生態系が太陽エネルギーの継続的な入力なしで生き残ることができない理由です。 したがって、生物圏は、外部（太陽）エネルギー源によって燃料を供給された負のエントロピーの、空間と時間における局所的な島を表すと考えることがで これらの生態学的状況には物理的な類似点があります—外部エネルギーがシステムに入ると、比較的分散したガス分子を容器に集中させることがで しかし、最終的には、バルーンがポップし、ガスが再分散し、元のエネルギー入力が熱に変換され、宇宙のエントロピーが増加します。
物理エネルギー予算
物理エネルギー予算は、特定の定義されたシステムを考慮し、エネルギーの入力、その様々な変換と貯蔵、および最終的な出力を分析 この概念は、地球のエネルギー収支を参照することによって説明することができます。
地球へのエネルギーの主要な入力は、太陽の電磁エネルギーとして発生します。 地球の大気の外側の限界では、太陽放射の平均入力速度は毎分cm2あたり2.00カロリーです（このフラックスは太陽定数として知られています）。 このエネルギー入力の約半分は可視光線として、半分は近赤外線として発生します。 先に述べたように、地球はまた、2.00cal/cm2/minの速度で、しかし約10μ mで、長波赤外線でピークスペクトルを持つ、独自の電磁放射を放出します。 エネルギー入力の速度は出力の速度に等しいため、エネルギーの正味の貯蔵はなく、地球の表面温度に実質的な長期的な変化はありません。 従って、地球はゼロ和、エネルギー流れによるシステムを表す。 （実際には、地質学的な時間の経過とともに、最終的に地質学的に化石燃料に変換される、構成されていないバイオマスの蓄積として発生する、エネル 気候変動を表す地球の温度の表面のマイナーな、長期的な変化もあります。 しかし、これらは、エネルギーのゼロ和、フロースルーシステムとしての地球についての前述の声明に対する定量的に些細な例外を表しています。）地球から放出されるエネルギーの量は、最終的に吸収される太陽放射の量に等しいが、これら二つのイベントの間に発生するいくつかの生態学的に重
地球が入射した太陽放射を扱う最も重要な方法は次のとおりです:
- 入射した太陽エネルギーの平均約30％は、地球の大気またはその表面によって宇宙空間に反射されます。 この過程は地球のアルベドに関連しており、これは太陽角、雲量、大気中の微粒子の量によって強く影響され、地球の表面の性質、特に水（氷を含む）の種類と量、植生の被覆によってより少ない程度に影響される。
- 入射エネルギーの約25%は大気中のガス、蒸気、微粒子に吸収され、熱または熱運動エネルギーに変換された後、長波長の赤外線として再放射されます。
- 入射した放射線の約45％は、生きている物質と非生きている物質によって地球の表面で吸収され、熱エネルギーに変換され、吸収面の温度が上昇します。 長期的には（つまり、年）、さらには中期的には（つまり、日）熱のほとんど、あるいはまったく正味のストレージがあります。 吸収されたエネルギーの事実上すべては約10μ mの波長のピークが付いている長波の赤外線エネルギーとして表面によって、再放射されます。
- 表面の熱エネルギーの一部は、植物や非生きている表面から水を蒸発させる（蒸発散のエントリを参照）、または氷や雪を溶かす原因となります。
- 地球の表面上の熱エネルギーの不均一な分布のために、吸収された放射の一部は、水体の表面上の風、水流、波などの大量輸送、分布過程を駆動します。
- 非常に小さい（平均0未満。1%)しかし入って来る太陽エネルギーの生態学的に重大な部分は植物のクロロフィルによって吸収され、光合性を運転するのに使用されています。 この光独立栄養固定は、太陽エネルギーの一部を生化学物質の潜在エネルギーに一時的に貯蔵し、地球上の生命のエネルギッシュな基礎として機能させる。
地球大気中の特定のガスは、第二および第三の散逸機構（上記）で加熱された物質によって放射されるタイプの長波赤外線エネルギーを吸収する。 この吸収はガスを加熱し、ガスは別の再放射を受け、地球の表面に戻ることを含むすべての方向にさらに長波長の赤外線エネルギーを放出する。 大気中のいわゆる放射活性ガスの中で最も重要なのは水と二酸化炭素ですが、微量ガスのメタン、亜酸化窒素、オゾン、クロロフルオロカーボンも重要で 温室効果として知られているこの現象は、地球表面の放射冷却速度を著しく妨害する。
温室効果がなく、地球の大気が長波赤外放射に対して完全に透明である場合、表面温度は平均約17.6°F(-8°C)であり、生物学的プロセスが起こ 自然に発生する温室効果は、地球の平均表面温度を約60度華氏これよりも暖かく、約77°F（25°C）で維持するため、惑星の居住性において明らかに重要 しかし、人間の活動は、放射活性ガスのいくつかの大気中の濃度を増加させる結果となっており、これは地球の温室効果の強化を引き起こす可能性が これは、地球温暖化、降雨やその他の気候影響の分布の変化、および深刻な生態学的および社会経済的損害につながる可能性があります。
固定エネルギーの予算
生態エネルギー学は、コミュニティや生態系内の固定された生物学的エネルギーの変換、特に生物学的に固定されたエネルギーが食物網を通過する方法を調べている。
例えば、ニューヨーク州の天然樫松林の研究では、植生は年間ヘクタール当たり11,500キロカロリー（103Kcal/ha/yr）に相当する太陽エネルギーを固定していることが分 しかし、植物の呼吸は6.5×103Kcal/ha/yrを利用しているため、生態系における実際の正味のエネルギー蓄積は5であった。0×103Kcal/ha/yr. 森林内の様々な種類の従属栄養生物は、呼吸をサポートするために別の3.0×103Kcal/ha/yrを利用していたため、正味
主要用語
電磁エネルギー—粒子と波の両方の物理的性質を持つ光子を含むエネルギーの一種である。 電磁エネルギーは、（長波長から短波長に順序付けられた）ラジオ、赤外線、可視光、紫外線、および宇宙を含むスペクトル成分に分割されます。
エントロピー—増加したランダム性と無秩序への傾向の測定。
生態系のすべての生物によるバイオマスの蓄積は、2.0x103Kcal/ha/yrに相当しました。
上記は、生態系レベルでの固定エネルギー予算の例です。 時には、生態学者は、人口のレベルで、さらには個人のためのエネルギーの予算を開発しています。 例えば、環境の状況や機会に応じて、個々の植物や動物は、エネルギー資源を様々な活動、最も簡単には、個人の成長または生殖に割り当てることによって、そ
しかし、生物学的エネルギー予算は通常、はるかに複雑です。 例えば、植物は、日光へのアクセスを改善するために、より長い茎とより多くの葉の生産にそのエネルギーを様々に割り当てることができ、または土壌栄養素へのアクセスを増加させるために、より長く、より多くの根を成長させることができ、またはより多くの花と種子が成功した生殖の確率を増加させることができる。 上記のいくつかの組み合わせを含む他の可能な配分戦略があります。
同様に、クマは時間とエネルギーの配分について決定を下す必要があります。 それは、野生のクマが行うことが知られているように、日中または長期的な冬眠、植物や動物の食品のための狩猟、仲間を求めて、カブスの世話をして、ま
エネルギー移動;食物連鎖/webも参照。