Energiformer
energitransformasjoner og termodynamikkens lover
Fysiske energibudsjetter
Faste energibudsjetter
Ressurser
Solelektromagnetisk stråling er den viktigste energien Til Jorden. Denne eksterne energikilden bidrar til å varme opp planeten, fordampe vann, sirkulere atmosfæren og havene, og opprettholde økologiske prosesser. Til slutt blir all solenergi absorbert Av Jorden utstrålet tilbake til rommet, som elektromagnetisk stråling av lengre bølgelengde enn det som opprinnelig ble absorbert. Jorden opprettholder en nesten perfekt energisk balanse mellom innganger og utganger av elektromagnetisk energi.
jordens økosystemer er avhengige av solstråling som en ekstern kilde til diffus energi som kan benyttes av fotosyntetiske autotrofer, som grønne planter, for å syntetisere enkle organiske molekyler som sukker fra uorganiske molekyler som karbondioksid og vann. Planter bruker den faste energien til disse enkle organiske forbindelsene, pluss uorganiske næringsstoffer, for å syntetisere et enormt mangfold av biokjemikalier gjennom ulike metabolske reaksjoner. Planter bruker disse biokjemikaliene og energien de inneholder for å oppnå vekst og reproduksjon. Videre brukes plantebiomasse direkte eller indirekte som mat av det enorme antallet heterotrofe organismer som ikke er i stand til å fikse sin egen energi. Disse organismene omfatter planteetere som spiser planter, rovdyr som spiser dyr, og detritivores som lever av død biomasse.
over Hele Verden er bruken av solenergi for dette økologiske formålet relativt liten, og står for mye mindre enn 1% av mengden mottatt På Jordens overflate. Selv om dette er en kvantitativt triviell del Av Jordens energibudsjett, er det klart svært viktig kvalitativt, fordi dette er den absorberte og biologisk faste energien som subsidierer alle økologiske prosesser.
Energiformer
Energi er definert som evnen, eller potensiell evne, til en kropp eller et system til å utføre arbeid. Energi kan måles i ulike enheter, for eksempel kalori, definert som mengden energi som kreves for å øke temperaturen på ett gram rent vann Med En Grad Celsius. (Merk at diettistens kalori tilsvarer tusen av disse kaloriene, eller en kilokalorie. Joule (J) Er en annen energienhet. En joule er generelt definert som mengden arbeid som kreves for å løfte en vekt på 1 kg med 10 cm på Jordens overflate. Det tilsvarer 0,24 kalorier. I tillegg er en kalori (liten kalori) lik ca 4,184 J.
Energi kan eksistere i forskjellige tilstander, som alle er utskiftbare gjennom ulike typer fysiske/kjemiske transformasjoner. De grunnleggende kategoriene av energi er: elektromagnetisk, kinetisk og potensiell, men hver av disse kan også eksistere i forskjellige tilstander.
Elektromagnetisk energi Er energien til fotoner, eller kvanta av energi som har egenskaper av både partikler og bølger, og som beveger seg gjennom vakuumet i rommet med en konstant hastighet på ca.3× 108 meter per sekund (det vil si ved lysets hastighet). Komponentene i elektromagnetisk energi er karakterisert på grunnlag av bølgelengdeområder, som bestilt fra de korteste til lengste bølgelengder er kjent som: gamma, røntgen, ultrafiolett, lys eller synlig, infrarød og radio. Alle legemer med en temperatur større enn absolutt null (det vil si -459°F eller null grader På Kelvin-skalaen) avgir elektromagnetisk energi med en hastighet og spektralkvalitet som er strengt bestemt av overflatetemperaturen. Relativt varme legemer har mye større utslippshastigheter, og deres stråling domineres av kortere bølgelengder sammenlignet med kjøligere legemer. Solen har en overflatetemperatur på ca. 11 000°F (6 093°C). Mesteparten av strålingen er i bølgelengdeområdet for synlig lys (0,4 til 0,7 æ eller mikrometer) og kortere bølgelengde infrarød (0,7 til 2.0 æ), Mens Jorden har en overflatetemperatur på ca. 77°F (25°C) og dets strålingstopper i det langbølgede infrarøde området på ca.10 æ.
Kinetisk energi Er energien til dynamisk bevegelse, hvorav det er to grunnleggende typer, energien til bevegelige legemer og vibrerende atomer eller molekyler. Den senere er også kjent som termisk energi, og jo mer kraftig vibrasjonen, desto større er varmeinnholdet.
Potensiell energi har kapasitet til å gjøre arbeid, men Det må mobiliseres for å gjøre det. Potensiell energi forekommer i ulike former. Kjemisk potensiell energi lagres i molekylers interatomiske bindinger. Denne energien kan frigjøres av såkalte eksoterme reaksjoner, som har en netto frigjøring av energi. For eksempel frigjøres varme når kjemisk redusert svovel av sulfidmineraler oksyderes til sulfat, og når krystallinsk natriumklorid oppløses i vann. Alle biokjemikalier lagrer også potensiell energi, tilsvarende 4,6 kilokalorier per gram karbohydrat, 4,8 Kcal / g protein og 6,0 til 9,0 Kcal / g fett.
Gravitasjonspotensiell energi lagres i masse som er forhøyet over en gravitasjonelt attraktiv overflate, som når vann oppstår over overflaten av havene, eller et objekt oppstår over bakken. Med mindre hindret, strømmer vannet spontant nedoverbakke, og gjenstander faller nedover som svar på gradienter av gravitasjonspotensiell energi. Andre typer potensiell energi er noe mindre viktig når det gjelder økologiske energibudsjetter, men de inkluderer potensielle energier av komprimerte gasser, elektriske potensielle gradienter forbundet med spenningsforskjeller, og potensiell energi av materie, som kan frigjøres ved kjernereaksjoner.
energitransformasjoner og termodynamikkens lover
som nevnt tidligere, kan energi transformeres blant de forskjellige tilstandene. Elektromagnetisk energi, for eksempel, kan absorberes av et mørkt objekt og omdannes til termisk kinetisk energi. Denne handlingen resulterer i økt temperatur på den absorberende kroppen. Som et annet eksempel kan gravitasjonspotensiell energi av vann høyt på et platå omdannes til den kinetiske energien til å flytte vann og varme ved en foss, eller det kan mobiliseres av mennesker for å drive en turbin og generere elektrisk energi. For det tredje kan solelektromagnetisk stråling absorberes av klorofyll av grønne planter, og noe av den absorberte energien kan omdannes til kjemisk potensiell energi av sukker, og resten omdannes til varme.
alle transformasjoner av energi må skje i henhold til visse fysiske prinsipper, kjent som termodynamikkloven. Dette er universelle lover; noe som betyr at de alltid er sanne, uansett omstendigheter. Den første loven sier at energi kan gjennomgå transformasjoner mellom sine forskjellige stater, men det er aldri opprettet eller ødelagt – så energiinnholdet i universet forblir konstant. En konsekvens av denne loven for energibudsjetter er at det alltid må være en nullbalanse mellom energiinngangene til et system, energiutgangene og eventuell nettlagring i systemet.
den andre loven om termodynamikk sier at transformasjoner av energi bare kan skje spontant under forhold der det er en økning i universets entropi. (Entropi er relatert til tilfeldigheten av fordelingen av materie og energi). For Eksempel blir Jorden kontinuerlig bestrålt av solstråling, hovedsakelig av synlige og nær-infrarøde bølgelengder. En del av denne energien absorberes, som oppvarmer Jordens overflate. Planeten kjøler seg ned på ulike måter, men til syvende og sist gjøres dette ved å utstråle sin egen elektromagnetiske stråling tilbake til rommet, som infrarød stråling med lengre bølger. Omformingen av relativt kortbølget solstråling til den lengre bølgestrålingen som utstråles av Jorden, representerer en nedbrytning av kvaliteten på energien og en økning i universets entropi.
en konsekvens eller sekundær proposisjon av termodynamikkens andre lov er at energitransformasjoner aldri kan være helt effektive, fordi noe av det opprinnelige innholdet av energi må konverteres til varme slik at entropi kan økes. Til syvende og sist er dette grunnen til at ikke mer enn ca 30% av energiinnholdet i bensin kan omdannes til den kinetiske energien til en bevegelig bil. Det er også grunnen til at ikke mer enn 40% av kullens energi kan omdannes til elektrisitet i en moderne generatorstasjon. På samme måte er det øvre grenser for effektiviteten som grønne planter kan fotosyntetisk konvertere synlig stråling til biokjemikalier, selv i økosystemer der økologiske begrensninger knyttet til næringsstoffer, vann og rom er optimalisert.
interessant nok absorberer planter synlig stråling fra solen, og bruker denne relativt spredte energien til å fikse enkle uorganiske molekyler som karbondioksid, vann og andre næringsstoffer til svært komplekse og energitette biokjemikalier. Heterotrofe organismer bruker deretter biokjemikaliene av plantebiomasse til å syntetisere sine egne komplekse biokjemikalier. Lokalt representerer disse forskjellige biologiske syntesene energitransformasjoner som vesentlig reduserer entropi, i stedet for å øke den. Dette skjer fordi relativt spredt solenergi og enkle forbindelser er fokusert på komplekse biokjemikalier av levende organismer.
følger ikke biologiske transformasjoner termodynamikkens andre lov? Dette tilsynelatende fysiske paradokset av livet kan vellykkes rasjonaliseres, ved hjelp av følgende logikk: Den lokaliserte biokonsentrasjonen av negativ entropi kan oppstå fordi det er konstant tilførsel av energi inn i systemet, i form av solstråling. Hvis denne eksterne energikilden ble avsluttet, ville all negativ entropi av organismer og organisk materiale ganske raskt bli spontant forringet, produsere varme og enkle uorganiske molekyler, og dermed øke universets entropi. Dette er grunnen til at liv og økosystemer ikke kan overleve uten kontinuerlig tilførsel av solenergi. Derfor kan biosfæren anses å representere en lokalisert øy, i rom og tid, av negativ entropi, drevet av en ekstern (sol) energikilde. Det er fysiske analoger til disse økologiske forholdene – hvis ekstern energi settes inn i systemet, kan relativt dispergerte molekyler av gasser konsentreres i en beholder, som oppstår når en person blåser energisk for å fylle en ballong med luft. Til slutt spretter ballongen, gassene sprer seg igjen, den opprinnelige energiinngangen omdannes til varme, og universets entropi økes.
Fysiske energibudsjetter
Fysiske energibudsjetter vurderer et bestemt, definert system, og analyserer deretter inngangene til energi, dens ulike transformasjoner og lagre og de eventuelle utgangene. Dette konseptet kan illustreres med henvisning Til jordens energibudsjett.
den viktigste energien Til Jorden oppstår som solelektromagnetisk energi. Ved de ytre grensene av jordens atmosfære er gjennomsnittlig inngangshastighet for solstråling 2,00 kalorier per cm2 per minutt (denne fluxen er kjent som solkonstanten). Omtrent halvparten av denne energiinngangen skjer som synlig stråling, og halvparten som nær-infrarød. Som nevnt tidligere avgir Jorden også sin egen elektromagnetiske stråling, igjen med en hastighet på 2,00 cal / cm2 / min, men med et spektrum som topper seg i den lengre bølgeinfrarød, ved omtrent 10 æ. Fordi frekvensen av energiinngang er lik utgangshastigheten, er det ingen netto lagring av energi, og ingen vesentlig, langsiktig endring I Jordens overflatetemperatur. Derfor Representerer Jorden et null-sum, energi gjennomstrømningssystem. (Faktisk, over geologisk tid har det vært en liten lagring av energi, som forekommer som en opphopning av undersammensatt biomasse som til slutt forvandler geologisk til fossile brensler. Det er også små, langsiktige variasjoner Av Jordens temperaturoverflate som representerer klimaendringer. Imidlertid representerer disse kvantitativt trivielle unntak fra den foregående setningen Om Jorden som et nullsum, gjennomstrømningssystem for energi. Selv om mengden energi som slippes Ut Av Jorden til slutt tilsvarer mengden solstråling som absorberes, er det noen økologisk viktige transformasjoner som oppstår mellom disse to hendelsene.
De viktigste måtene Som Jorden håndterer sine innfallende solstrålinger er:
- omtrent 30% av solenergien reflekteres tilbake til verdensrommet av jordens atmosfære eller overflaten. Denne prosessen er relatert Til Jordens albedo, som er sterkt påvirket av solvinkelen, mengden skydekke og atmosfæriske partikler, og i mindre grad av jordens overflate, spesielt typer og mengde vann (inkludert is) og vegetasjonsdekke.
- Omtrent 25% av hendelsesenergien absorberes av atmosfæriske gasser, damper og partikler, omdannes til varme eller termisk kinetisk energi, og deretter utstråles som infrarød stråling med lengre bølgelengde.
- omtrent 45% av innfallsstrålingen absorberes på Jordens overflate av levende og ikke-levende materialer, og omdannes til termisk energi, og øker temperaturen på de absorberende overflatene. På lengre sikt (det vil si år) og til og med på mellomlang sikt (det vil si dager) er det lite eller ingen nettlagring av varme. Nesten all den absorberte energien blir re-utstrålt av overflaten som langbølget infrarød energi, med en bølgelengde på ca 10 æ.
- noe av den termiske energien i overflatene får vann til å fordampe fra planter og ikke-levende overflater (se evapotranspirasjon), eller det får is eller snø til å smelte.
- på grunn av den ujevne fordelingen av termisk energi på Jordens overflate, driver noen av de absorberte strålene massetransport, fordelingsprosesser, som vind, vannstrømmer og bølger på overflaten av vannlegemer.
- en veldig liten (gjennomsnitt mindre enn 0.1%) men økologisk kritisk del av innkommende solenergi absorberes av klorofyll av planter, og brukes til å drive fotosyntese. Denne fotoautotrofiske fikseringen gjør at noe av solenergien midlertidig kan lagres i biokjemikalens potensielle energi, og å tjene som det energiske grunnlaget for livet på Jorden.
Visse gasser i jordens atmosfære absorberer langbølget infrarød energi av den typen som utstråles av oppvarmet materiale i andre og tredje dissipasjonsmekanismer (oppført ovenfor). Denne absorpsjonen oppvarmer gassene, som deretter gjennomgår en annen re-stråling, og sender ut enda lengre bølgelengde infrarød energi i alle retninger, inkludert tilbake Til Jordens overflate. De viktigste av de såkalte radiativt aktive gassene i atmosfæren er vann og karbondioksid, men sporgassene metan, nitrogenoksid, ozon og klorfluorkarboner er også signifikante. Dette fenomenet, kjent som drivhuseffekten, forstyrrer signifikant strålingshastigheten av jordens overflate.
hvis det ikke var drivhuseffekt, Og Jordens atmosfære var helt gjennomsiktig for langbølget infrarød stråling, ville overflatetemperaturene i gjennomsnitt være ca. 17,6°F (-8°C), altfor kaldt til at biologiske prosesser kunne forekomme. Fordi den naturlig forekommende drivhuseffekten opprettholder Jordens gjennomsnittlige overflatetemperatur ca 60 grader Fahrenheit varmere enn dette, på ca 77°F (25°C), er det en åpenbart viktig faktor i planetens beboelighet. Menneskelig aktivitet har imidlertid resultert i økende atmosfæriske konsentrasjoner av noen av de radiativt aktive gassene, og det er bekymringer for at Dette kan føre Til en intensivering Av Jordens drivhuseffekt. Dette kan føre til global oppvarming, endringer i fordelingen av nedbør og andre klimatiske effekter, og alvorlige økologiske og sosioøkonomiske skader.
Budsjetter for fast energi
Økologisk energi undersøker transformasjonene av fast, biologisk energi i samfunn og økosystemer, spesielt måten biologisk fast energi sendes gjennom matbanen.
for eksempel studier av en naturlig eik-furuskog I delstaten New York fant at vegetasjonen fast solenergi tilsvarer 11.500 kilokalorier per hektar per år (103 Kcal/ha/år). Plantenes respirasjon benyttet imidlertid 6,5× 103 Kcal / ha / år, slik at den faktiske nettoakkumuleringen av energi i økosystemet var 5.0× 103 Kcal/ha / år. De ulike typer heterotrofe organismer i skogen benyttet en annen 3,0× 103 Kcal / ha / år for å støtte deres respirasjon, så nettet
NØKKELBEGREPER
Elektromagnetisk energi – en type energi som involverer fotoner, som har fysiske egenskaper av både partikler og bølger. Elektromagnetisk energi er delt inn i spektrale komponenter, som (bestilt fra lang til kort bølgelengde) inkluderer radio, infrarød, synlig lys, ultrafiolett og kosmisk.
Entropi-måling av en tendens til økt tilfeldighet og lidelse.
akkumulering av biomasse av alle organismer i økosystemet var ekvivalent med 2,0 x 103 Kcal/ha/år.
det foregående er et eksempel på et fast energibudsjett på økosystemnivå. Noen ganger utvikler økologer budsjetter for energi på befolkningsnivå, og til og med for enkeltpersoner. For eksempel, avhengig av miljøforhold og muligheter, kan enkelte planter eller dyr optimalisere sin kondisjon ved å tildele sine energiressurser til ulike aktiviteter, ganske enkelt, til vekst av individet eller til reproduksjon.
biologiske energibudsjetter er imidlertid vanligvis mye mer kompliserte. For eksempel kan en plante forskjellig allokere sin energi til produksjon av lengre stengler og flere blader for å forbedre tilgangen til sollys, eller det kan vokse lengre og flere røtter for å øke tilgangen til jordnæringsstoffer, eller flere blomster og frø for å øke sannsynligheten for vellykket reproduksjon. Det finnes andre mulige tildelingsstrategier, inkludert en kombinasjon av det foregående.
på Samme måte må en bjørn ta beslutninger om tildeling av tid og energi. Det må bestemme aktiviteter knyttet til hvile, enten i løpet av dagen eller lengre sikt dvalemodus, jakt etter plante eller dyr mat, søker en kompis, ta vare på unger, eller bare ha det gøy, som ville bjørner er kjent for å gjøre.
Se Også energioverføring; Næringskjede/web.