vormen van energie
energietransformaties en de wetten van de thermodynamica
fysieke energiebudgetten
begrotingen van vaste energie
hulpbronnen
een energiebudget beschrijft de manieren waarop energie van de ene staat naar de andere wordt getransformeerd binnen een bepaald systeem, inclusief een analyse van inputs, outputs en veranderingen in de opgeslagen hoeveelheden. Ecologische energiebudgetten richten zich op het gebruik en transformaties van energie in de biosfeer of zijn componenten.Elektromagnetische zonnestraling is de belangrijkste toevoer van energie naar de aarde. Deze externe energiebron helpt om de planeet te verwarmen, water te verdampen, de atmosfeer en oceanen te laten circuleren en ecologische processen in stand te houden. Uiteindelijk wordt alle door de aarde geabsorbeerde zonne-energie terug naar de ruimte uitgestraald, als elektromagnetische straling van een langere golflengte dan wat oorspronkelijk werd geabsorbeerd. De aarde handhaaft een vrijwel perfecte Energetische balans tussen in-en uitgangen van elektromagnetische energie.De ecosystemen van de aarde zijn afhankelijk van zonnestraling als een externe bron van diffuse energie die kan worden gebruikt door fotosynthetische autotrofen, zoals groene planten, om eenvoudige organische moleculen zoals suikers te synthetiseren uit anorganische moleculen zoals kooldioxide en water. Planten gebruiken de vaste energie van deze eenvoudige organische verbindingen, Plus anorganische voedingsstoffen, om een enorme diversiteit aan biochemicaliën te synthetiseren door middel van verschillende metabole reacties. Planten gebruiken deze biochemicaliën en de energie die ze bevatten om hun groei en voortplanting te bereiken. Bovendien wordt plantaardige biomassa direct of indirect gebruikt als voedsel door de enorme aantallen heterotrofe organismen die niet in staat zijn om hun eigen energie te fixeren. Deze organismen omvatten planteneters die planten eten, carnivoren die Dieren Eten, en detritivoren die zich voeden met dode biomassa.
wereldwijd is het gebruik van zonne-energie voor dit ecologische doel relatief klein en maakt het veel minder dan 1% uit van de hoeveelheid die aan het aardoppervlak wordt ontvangen. Hoewel dit een kwantitatief triviaal deel van het energiebudget van de aarde is, is het duidelijk kwalitatief erg belangrijk, omdat dit de geabsorbeerde en biologisch gefixeerde energie is die alle ecologische processen subsidieert.
vormen van energie
energie wordt gedefinieerd als het vermogen, of potentiële vermogen, van een lichaam of systeem om werk te verrichten. Energie kan worden gemeten in verschillende eenheden, zoals de calorie, gedefinieerd als de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van één gram zuiver water met één graad Celsius te verhogen. (Merk op dat de calorie van de diëtist gelijk is aan duizend van deze calorieën , of één kilocalorie. De Joule (J) is een andere eenheid van energie. Een joule wordt over het algemeen gedefinieerd als de hoeveelheid werk die nodig is om een gewicht van 1 kg bij 10 cm op het aardoppervlak te tillen. Het is gelijk aan 0,24 calorieën. Bovendien is één calorie (kleine calorie) gelijk aan ongeveer 4.184 J.
energie kan in verschillende toestanden bestaan, die allemaal uitwisselbaar zijn door verschillende soorten fysisch-chemische transformaties. De basiscategorieën van energie zijn:: elektromagnetisch, kinetisch en potentieel, maar elk van deze kan ook bestaan in verschillende staten.
elektromagnetische energie is de energie van fotonen, of kwanta van energie die eigenschappen hebben van zowel deeltjes als golven, en die door het vacuüm van de ruimte reizen met een constante snelheid van ongeveer 3× 108 meter per seconde (dat wil zeggen bij de lichtsnelheid). De componenten van elektromagnetische energie worden gekenmerkt op basis van golflengtebereiken, die besteld van de kortste tot langste golflengten zijn bekend als: gamma, x-ray, ultraviolet, licht of zichtbaar, infrarood, en radio. Alle lichamen met een temperatuur groter dan het absolute nulpunt (dat wil zeggen -459°F, of nul graden op de Kelvin schaal ) zenden elektromagnetische energie uit met een snelheid en spectrale kwaliteit die strikt wordt bepaald door hun oppervlaktetemperatuur. Relatief hete lichamen hebben veel grotere emissieniveaus en hun straling wordt gedomineerd door kortere golflengten, vergeleken met koelere lichamen. De zon heeft een oppervlakte temperatuur van ongeveer 11, 000°F (6, 093°C). De meeste straling is in het golflengtebereik van zichtbaar licht (0,4 tot 0,7 æm of micrometers) en kortere-golf infrarood (0,7 tot 2.0 æm), terwijl de aarde een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 77°F (25°C) en de straling pieken in de langere-golf infrarood bereik op ongeveer 10 æm.Kinetische energie is de energie van dynamische beweging, waarvan er twee basistypen zijn: de energie van bewegende lichamen en die van trillende atomen of moleculen. Hoe later ook bekend als thermische energie, en hoe krachtiger de trilling, hoe groter het warmtegehalte.
potentiële energie kan werken, maar moet daarvoor worden gemobiliseerd. Potentiële energie komt in verschillende vormen voor. Chemische potentiële energie wordt opgeslagen in de inter-atomaire bindingen van moleculen. Deze energie kan worden vrijgemaakt door zogenaamde exotherme reacties, die een netto afgifte van energie hebben. Bijvoorbeeld, wordt de hitte vrijgegeven wanneer de chemisch gereduceerde zwavel van sulfidemineralen tot sulfaat wordt geoxideerd, en wanneer kristallijn natriumchloride in water wordt opgelost. Alle biochemicaliën slaan ook potentiële energie op, gelijk aan 4,6 kilocalorieën per gram koolhydraten, 4,8 kcal/g eiwit en 6,0 tot 9,0 Kcal/g vet.
Gravitatiepotentiaal-energie wordt opgeslagen in Massa die boven een gravitatieaantrekkelijk oppervlak is verheven, zoals wanneer water boven het oppervlak van de oceanen voorkomt, of een object boven het grondoppervlak. Tenzij geblokkeerd, stroomt water spontaan bergafwaarts, en objecten vallen naar beneden als reactie op gradiënten van gravitatiepotentiaal energie. Andere soorten potentiële energie zijn iets minder belangrijk in termen van ecologische energiebudgetten, maar ze omvatten potentiële energieën van samengeperste gassen, elektrische potentiaalgradiënten geassocieerd met spanningsverschillen, en de potentiële energie van materie, die kan vrijkomen door nucleaire reacties.
energietransformaties en de wetten van de thermodynamica
zoals eerder opgemerkt, kan energie worden getransformeerd tussen de verschillende toestanden. Elektromagnetische energie, bijvoorbeeld, kan worden geabsorbeerd door een donker object en omgezet in thermische kinetische energie. Deze actie resulteert in een verhoogde temperatuur van het absorberende lichaam. Een ander voorbeeld: gravitatiepotentiaal van water hoog op een plateau kan worden omgezet in de kinetische energie van bewegend water en warmte bij een waterval, of het kan worden gemobiliseerd door mensen om een turbine te besturen en elektrische energie op te wekken. Ten derde kan elektromagnetische zonnestraling worden geabsorbeerd door het chlorofyl van groene planten, en een deel van de geabsorbeerde energie kan worden omgezet in de chemische potentiële energie van suikers, en de rest omgezet in warmte.
alle transformaties van energie moeten plaatsvinden volgens bepaalde fysische principes, bekend als de wetten van de thermodynamica. Dit zijn universele wetten; wat betekent dat ze altijd waar zijn, ongeacht de omstandigheden. De eerste wet stelt dat energie transformaties kan ondergaan tussen haar verschillende toestanden, maar ze wordt nooit gecreëerd of vernietigd-dus de energie-inhoud van het universum blijft constant. Een gevolg van deze wet voor energiebudgetten is dat er altijd een nulbalans moet zijn tussen de energie-inputs in een systeem, de energie-outputs en elke nettoopslag binnen het systeem.De tweede wet van de thermodynamica stelt dat transformaties van energie alleen spontaan kunnen plaatsvinden onder omstandigheden waarin de entropie van het heelal toeneemt. (Entropie is gerelateerd aan willekeur van de distributies van materie en energie). De Aarde wordt bijvoorbeeld continu bestraald door zonnestraling, meestal van zichtbare en nabij-infrarode golflengten. Een deel van deze energie wordt geabsorbeerd, die het aardoppervlak verwarmt. De planeet koelt zichzelf op verschillende manieren af, maar uiteindelijk wordt dit gedaan door zijn eigen elektromagnetische straling terug naar de ruimte uit te stralen, als langere-Golf infrarode straling. De transformatie van relatief korte-golf zonnestraling in de langere-golf straling uitgezonden door de aarde vertegenwoordigt een degradatie van de kwaliteit van de energie, en een toename van de entropie van het universum.
een uitvloeisel van de tweede wet van de thermodynamica is dat energietransformaties nooit volledig efficiënt kunnen zijn, omdat een deel van de initiële inhoud van energie moet worden omgezet in warmte zodat de entropie kan worden verhoogd. Uiteindelijk is dit de reden waarom niet meer dan ongeveer 30% van de energie-inhoud van benzine kan worden omgezet in de kinetische energie van een rijdende auto. Het is ook de reden waarom niet meer dan ongeveer 40% van de energie van steenkool in een moderne elektriciteitscentrale kan worden omgezet in elektriciteit. Ook zijn er bovengrenzen aan de efficiëntie waarmee groene planten fotosynthetisch zichtbare straling kunnen omzetten in biochemicaliën, zelfs in ecosystemen waarin ecologische beperkingen met betrekking tot nutriënten, water en ruimte worden geoptimaliseerd.Interessant is dat planten zichtbare straling van de zon absorberen en deze relatief verspreide energie gebruiken om eenvoudige anorganische moleculen zoals kooldioxide, water en andere nutriënten te fixeren in zeer complexe en energiedichte biochemicaliën. Heterotrofe organismen gebruiken dan de biochemicaliën van plantaardige biomassa om hun eigen complexe biochemicaliën te synthetiseren. Lokaal vertegenwoordigen deze verschillende biologische syntheses energietransformaties die de entropie aanzienlijk verminderen, in plaats van te verhogen. Dit komt voor omdat relatief verspreide zonne-energie en eenvoudige samenstellingen in de complexe biochemicaliën van het leven organismen worden geconcentreerd.Zijn biologische transformaties niet in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica? Deze schijnbare fysieke paradox van het leven kan met succes worden gerationaliseerd, met behulp van de volgende logica: De gelokaliseerde bio-Concentratie van negatieve entropie kan optreden omdat er een constante input van energie in het systeem, in de vorm van zonnestraling. Als deze externe energiebron werd beëindigd, dan zou alle negatieve entropie van organismen en organische materie vrij snel spontaan worden afgebroken, waardoor warmte en eenvoudige anorganische moleculen worden geproduceerd, en daarmee de entropie van het universum wordt verhoogd. Dit is de reden waarom leven en ecosystemen niet kunnen overleven zonder voortdurende input van zonne-energie. Daarom kan de biosfeer worden beschouwd als een gelokaliseerd eiland, in ruimte en tijd, van negatieve entropie, gevoed door een externe (zonne) energiebron. Er zijn fysische analogen aan deze ecologische omstandigheden-als externe energie in het systeem wordt gebracht, kunnen relatief verspreide moleculen van gassen worden geconcentreerd in een container, zoals gebeurt wanneer een persoon energetisch blaast om een ballon met lucht te vullen. Uiteindelijk, echter, de ballon knalt, de gassen her-dispergeren, de oorspronkelijke energie-input wordt omgezet in warmte, en de entropie van het universum wordt verhoogd.
fysieke energiebudgetten
fysieke energiebudgetten beschouwen een bepaald, gedefinieerd systeem en analyseren vervolgens de input van energie, de verschillende transformaties en opslagplaatsen, en de uiteindelijke output. Dit concept kan worden geïllustreerd aan de hand van het energiebudget van de aarde.
de belangrijkste toevoer van energie naar de aarde vindt plaats als elektromagnetische zonne-energie. Aan de buitengrens van de atmosfeer van de aarde is de gemiddelde Invoersnelheid van zonnestraling 2,00 calorieën per cm2 per minuut (deze flux staat bekend als de zonneconstante). Ongeveer de helft van deze energie-input komt voor als zichtbare straling, en de helft als nabij-infrarood. Zoals eerder opgemerkt, de aarde zendt ook zijn eigen elektromagnetische straling, opnieuw met een snelheid van 2,00 cal / cm2 / min, maar met een spectrum dat pieken in de langere-golf infrarood, op ongeveer 10 æm. Omdat de snelheid van de energie-input gelijk is aan de snelheid van de output, is er geen netto-opslag van energie, en geen substantiële, langere termijn verandering in de oppervlaktetemperatuur van de aarde. Daarom vertegenwoordigt de aarde een zero-Som, energie flow-through systeem. (Eigenlijk, in de loop van de geologische tijd is er een kleine opslag van energie, die zich voordoet als een accumulatie van onder-samengestelde biomassa die uiteindelijk geologisch transformeert in fossiele brandstoffen. Er zijn ook kleine, langere termijn variaties van het aardoppervlak temperatuur die klimaatverandering vertegenwoordigen. Deze vormen echter kwantitatieve triviale uitzonderingen op de voorgaande uitspraak over de aarde als een nulsom, doorstroomsysteem voor energie. Hoewel de hoeveelheid energie die door de Aarde wordt uitgestoten uiteindelijk gelijk is aan de hoeveelheid zonnestraling die wordt geabsorbeerd, zijn er enkele ecologisch belangrijke transformaties die plaatsvinden tussen deze twee gebeurtenissen.
de belangrijkste manieren waarop de aarde omgaat met haar invallende zonnestralen zijn::
- gemiddeld wordt ongeveer 30% van de invallende zonne-energie gereflecteerd naar de ruimte door de atmosfeer of het oppervlak van de aarde. Dit proces houdt verband met de albedo van de aarde, die sterk wordt beïnvloed door de Zonnehoek, de hoeveelheden bewolking en atmosferische deeltjes, en in mindere mate door het karakter van het aardoppervlak, met name de soorten en hoeveelheid water (inclusief ijs) en vegetatiebedekking.
- ongeveer 25% van de invallende energie wordt geabsorbeerd door atmosferische gassen, dampen en deeltjes, omgezet in warmte of thermische kinetische energie en vervolgens opnieuw uitgestraald als infrarode straling met een langere golflengte.
- ongeveer 45% van de invallende straling wordt aan het aardoppervlak geabsorbeerd door levende en niet-levende materialen en omgezet in thermische energie, waardoor de temperatuur van de absorberende oppervlakken toeneemt. Over de langere termijn (dat wil zeggen jaren) en zelfs de middellange termijn (dat wil zeggen dagen) is er weinig of geen netto opslag van warmte. Vrijwel alle van de geabsorbeerde energie wordt opnieuw uitgestraald door het oppervlak als lange-golf infrarood energie, met een golflengte piek van ongeveer 10 æm.
- een deel van de thermische energie van oppervlakken zorgt ervoor dat water verdampt van planten en niet-levende oppervlakken (zie vermelding over verdamping), of het zorgt ervoor dat ijs of sneeuw smelten.
- vanwege de ongelijke verdeling van thermische energie op het aardoppervlak drijft een deel van de geabsorbeerde straling massatransport, distributieprocessen aan, zoals wind, waterstromingen en golven op het oppervlak van waterlichamen.
- een zeer klein (gemiddeld minder dan 0.1%), maar ecologisch kritisch deel van de binnenkomende zonne-energie wordt geabsorbeerd door het chlorofyl van planten, en wordt gebruikt om fotosynthese aan te drijven. Deze fotoautotrofe fixatie maakt het mogelijk dat een deel van de zonne-energie tijdelijk wordt opgeslagen in de potentiële energie van biochemicaliën en als energetische basis van het leven op aarde dient.
bepaalde gassen in de atmosfeer van de aarde absorberen lange-golf infrarode energie van het type dat wordt uitgestraald door verhitte materie in het tweede en derde dissipatiemechanisme (hierboven genoemd). Deze absorptie verwarmt de gassen, die vervolgens een nieuwe straling ondergaan, die nog langere-golflengte infrarode energie uitzendt in alle richtingen, inclusief terug naar het aardoppervlak. De belangrijkste van de zogenaamde radiatief actieve gassen in de atmosfeer zijn water en kooldioxide, maar de spoorgassen methaan, distikstofoxide, ozon en chloorfluorkoolstoffen zijn ook significant. Dit fenomeen, bekend als het broeikaseffect, interfereert aanzienlijk met de snelheid van stralingskoeling van het aardoppervlak.
als er geen broeikaseffect was en de atmosfeer van de aarde volledig transparant was voor lange-golf infrarode straling, zouden de oppervlaktetemperaturen gemiddeld ongeveer 17,6°F (-8°C) zijn, veel te koud voor biologische processen. Omdat het natuurlijk voorkomende broeikaseffect de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde ongeveer 60 graden Fahrenheit warmer houdt dan dit, op ongeveer 77 ° F (25°C), is het duidelijk een belangrijke factor in de bewoonbaarheid van de planeet. Menselijke activiteiten hebben echter geleid tot een toename van de atmosferische concentraties van sommige van de stralingsactieve gassen, en er bestaat bezorgdheid dat dit zou kunnen leiden tot een intensivering van het broeikaseffect van de aarde. Dit kan leiden tot opwarming van de aarde, veranderingen in de verdeling van regenval en andere klimatologische Effecten, en ernstige ecologische en sociaaleconomische schade.
budgetten van vaste energie
Ecological energetics onderzoekt de transformaties van vaste, biologische energie binnen gemeenschappen en ecosystemen, in het bijzonder de manier waarop biologisch vaste energie door het voedselweb wordt doorgegeven.
bijvoorbeeld, studies van een natuurlijk eikenbos in de staat New York toonden aan dat de vegetatie zonne-energie gelijk stelde aan 11.500 kilocalorieën per hectare per jaar (103 Kcal/ha/jaar). Echter, plantenademhaling gebruikt 6,5× 103 Kcal / ha / jaar, zodat de werkelijke netto accumulatie van energie in het ecosysteem was 5.0× 103 Kcal / ha/jaar. De verschillende soorten heterotrofe organismen in het bos gebruikten nog eens 3,0 × 103 Kcal / ha / jaar om hun ademhaling te ondersteunen, dus het net
sleuteltermen
elektromagnetische energie-een soort energie, waarbij fotonen betrokken zijn, die fysische eigenschappen hebben van zowel deeltjes als golven. Elektromagnetische energie is verdeeld in spectrale componenten, die (geordend van lange tot korte golflengte) radio, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet en kosmisch omvatten.
entropie-het meten van een neiging tot toegenomen willekeur en wanorde.
accumulatie van biomassa door alle organismen van het ecosysteem was gelijk aan 2,0 x 103 Kcal/ha/jaar.
het voorgaande is een voorbeeld van een vast energiebudget op ecosysteemniveau. Soms ontwikkelen ecologen budgetten van energie op het niveau van de bevolking, en zelfs voor individuen. Zo kunnen individuele planten of dieren, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden en de mogelijkheden, hun conditie optimaliseren door hun energiebronnen te besteden aan verschillende activiteiten, het meest eenvoudig, aan de groei van het individu of aan de voortplanting.
de budgetten voor biologische energie zijn echter doorgaans veel ingewikkelder. Bijvoorbeeld, een plant kan zijn energie op verschillende manieren besteden aan de productie van langere stengels en meer Bladeren om de toegang tot zonlicht te verbeteren, of het kan langer en meer wortels groeien om de toegang tot voedingsstoffen in de bodem te vergroten, of meer bloemen en zaden om de kans op een succesvolle voortplanting te vergroten. Er zijn andere mogelijke allocatiestrategieën, waaronder een combinatie van de voorgaande.
evenzo moet een beer besluiten over de toewijzing van zijn tijd en energie. Het moet beslissen over activiteiten in verband met rusten, hetzij tijdens de dag of langere termijn winterslaap, jacht op planten-of dierlijk voedsel, op zoek naar een partner, het verzorgen van de welpen, of gewoon plezier, zoals wilde beren zijn bekend om te doen.
zie ook energieoverdracht; voedselketen / web.