forme de energie
transformările energetice și legile termodinamicii
bugetele de energie fizică
bugetele de energie fixă
resurse
un buget de energie descrie modurile în care energia este transformată dintr-o stare în alta în cadrul unui sistem definit, inclusiv o analiză a intrărilor, ieșirilor și modificărilor cantități stocate. Bugetele energetice ecologice se concentrează pe utilizarea și transformările energiei în biosferă sau componentele acesteia.
radiația electromagnetică solară este aportul major de energie pe Pământ. Această sursă externă de energie ajută la încălzirea planetei, la evaporarea apei, la circulația atmosferei și a oceanelor și la susținerea proceselor ecologice. În cele din urmă, toată energia solară absorbită de pământ este re-radiată înapoi în spațiu, ca radiație electromagnetică cu o lungime de undă mai mare decât ceea ce a fost absorbit inițial. Pământul menține un echilibru energetic practic perfect între intrările și ieșirile de energie electromagnetică.
ecosistemele Pământului depind de radiația solară ca sursă externă de energie difuză care poate fi utilizată de autotrofii fotosintetici, cum ar fi plantele verzi, pentru a sintetiza molecule organice simple, cum ar fi zaharurile din molecule anorganice, cum ar fi dioxidul de carbon și apa. Plantele folosesc energia fixă a acestor compuși organici simpli, plus nutrienți anorganici, pentru a sintetiza o diversitate enormă de substanțe biochimice prin diferite reacții metabolice. Plantele utilizează aceste substanțe biochimice și energia pe care o conțin pentru a-și realiza creșterea și reproducerea. Mai mult, bio-masa vegetală este utilizată direct sau indirect ca hrană de un număr enorm de organisme heterotrofe care sunt incapabile să-și fixeze propria energie. Aceste organisme includ erbivore care mănâncă plante, carnivore care mănâncă animale și detritivore care se hrănesc cu biomasă moartă.
la nivel mondial, utilizarea energiei solare în acest scop ecologic este relativ mică, reprezentând mult mai puțin de 1% din cantitatea primită la suprafața Pământului. Deși aceasta este o parte cantitativă banală a bugetului energetic al Pământului, este în mod clar foarte importantă din punct de vedere calitativ, deoarece aceasta este energia absorbită și fixată biologic care subvenționează toate procesele ecologice.
forme de energie
energia este definită ca abilitatea sau capacitatea potențială a unui corp sau sistem de a face muncă. Energia poate fi măsurată în diferite unități, cum ar fi calorii, definită ca cantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă pură cu un grad Celsius. (Rețineți că caloriile dieteticianului sunt echivalente cu o mie din aceste calorii sau o kilocalorie.) Joule (J) este o altă unitate de energie. Un joule este în general definit ca cantitatea de muncă necesară pentru a ridica o greutate de 1 kg pe 10 cm pe suprafața Pământului. Este echivalent cu 0,24 calorii. În plus, o calorie (calorii mici) este egală cu aproximativ 4.184 J.
energia poate exista în diferite stări, toate fiind interschimbabile prin diferite tipuri de transformări fizice/chimice. Categoriile de bază ale energiei sunt: electromagnetic, cinetic și potențial, dar fiecare dintre acestea poate exista și în diferite stări.
energia electromagnetică este energia fotonilor sau a cuantelor de energie care au proprietăți atât ale particulelor, cât și ale undelor și care se deplasează prin vidul spațiului la o viteză constantă de aproximativ 3,108 metri pe secundă (adică la viteza luminii). Componentele energiei electromagnetice sunt caracterizate pe baza intervalelor de lungime de undă, care ordonate de la cele mai scurte până la cele mai lungi lungimi de undă sunt cunoscute sub numele de: gamma, raze X, ultraviolete, lumină sau vizibilă, infraroșu și radio. Toate corpurile cu o temperatură mai mare de zero absolut (adică -459 de grade F sau zero grade pe scara Kelvin ) emit energie electromagnetică la o rată și o calitate spectrală care este strict determinată de temperatura suprafeței lor. Corpurile relativ fierbinți au rate de emisie mult mai mari, iar radiația lor este dominată de lungimi de undă mai scurte, comparativ cu corpurile mai reci. Soarele are o temperatură de suprafață de aproximativ 11.000 CTF f (6.093 CTF c). Cea mai mare parte a radiației sale se află în gama de lungimi de undă a luminii vizibile (0,4 până la 0,7 centimetri sau micrometri) și infraroșu cu unde mai scurte (0,7 până la 2.0 mmc), în timp ce Pământul are o temperatură a suprafeței de aproximativ 77 MMC (25 MMC), iar radiația sa atinge un maxim în domeniul infraroșu cu unde mai lungi, la aproximativ 10 MMC.
energia cinetică este energia mișcării dinamice, dintre care există două tipuri de bază, energia corpurilor în mișcare și cea a atomilor sau moleculelor vibrante. Mai târziu este, de asemenea, cunoscut sub numele de energie termică, și cu cât vibrația este mai viguroasă, cu atât conținutul de căldură este mai mare.
energia potențială are capacitatea de a lucra, dar trebuie mobilizată pentru a face acest lucru. Energia potențială apare sub diferite forme. Energia potențială chimică este stocată în legăturile inter-atomice ale moleculelor. Această energie poate fi eliberată prin așa-numitele reacții exoterme, care au o eliberare netă de energie. De exemplu, căldura este eliberată atunci când sulful redus chimic al mineralelor sulfurate este oxidat în sulfat și când clorura de sodiu cristalină este dizolvată în apă. Toate biochimicele stochează, de asemenea, energie potențială, echivalentă cu 4,6 kilocalorii pe gram de carbohidrați, 4,8 Kcal/g de proteine și 6,0 până la 9,0 Kcal/g de grăsime.
energia potențială gravitațională este stocată în masă care este ridicată deasupra unei suprafețe atractive gravitațional, ca atunci când apa apare deasupra suprafeței oceanelor sau orice obiect apare deasupra suprafeței solului. Dacă nu este obstrucționată, apa curge spontan în jos, iar obiectele cad în jos ca răspuns la gradienții energiei potențiale gravitaționale. Alte tipuri de energie potențială sunt oarecum mai puțin importante în ceea ce privește bugetele energetice ecologice, dar includ energiile potențiale ale gazelor comprimate, gradienții potențiali electrici asociați cu diferențele de tensiune și energia potențială a materiei, care poate fi eliberată prin reacții nucleare.
transformările energetice și legile termodinamicii
după cum sa menționat anterior, energia poate fi transformată între diferitele sale stări. Energia electromagnetică, de exemplu, poate fi absorbită de un obiect întunecat și transformată în energie cinetică termică. Această acțiune are ca rezultat o temperatură crescută a corpului absorbant. Ca un alt exemplu, energia potențială gravitațională a apei ridicate pe un platou poate fi transformată în energia cinetică a apei și căldurii în mișcare la o cascadă sau poate fi mobilizată de oameni pentru a conduce o turbină și a genera energie electrică. În al treilea rând, radiația electromagnetică solară poate fi absorbită de clorofila plantelor verzi, iar o parte din energia absorbită poate fi transformată în energia potențială chimică a zaharurilor, iar restul transformată în căldură.
toate transformările energiei trebuie să aibă loc în conformitate cu anumite principii fizice, cunoscute sub numele de legile termodinamicii. Acestea sunt legi universale; ceea ce înseamnă că ele sunt întotdeauna adevărate, indiferent de circumstanțe. Prima lege afirmă că energia poate suferi transformări între diferitele sale stări, dar nu este niciodată creată și nici distrusă—astfel încât conținutul energetic al universului rămâne constant. O consecință a acestei legi pentru bugetele energetice este că trebuie să existe întotdeauna un echilibru zero între intrările de energie ale unui sistem, ieșirile de energie și orice stocare netă în cadrul sistemului.
a doua lege a termodinamicii afirmă că transformările energiei pot avea loc numai spontan în condiții în care există o creștere a entropiei universului. (Entropia este legată de aleatoritatea distribuțiilor de materie și energie). De exemplu, Pământul este iradiat continuu de radiația solară, în mare parte de lungimi de undă vizibile și aproape infraroșii. O parte din această energie este absorbită, care încălzește suprafața Pământului. Planeta se răcește în diferite moduri, dar în cele din urmă acest lucru se face prin radierea propriei radiații electromagnetice înapoi în spațiu, ca radiație infraroșie cu unde mai lungi. Transformarea radiației solare cu unde relativ scurte în radiația cu unde mai lungi emisă de pământ reprezintă o degradare a calității energiei și o creștere a entropiei universului.
un corolar sau propoziție secundară a celei de-a doua legi a termodinamicii este că transformările energetice nu pot fi niciodată complet eficiente, deoarece o parte din conținutul inițial de energie trebuie convertit în căldură, astfel încât entropia să poată fi crescută. În cele din urmă, acesta este motivul pentru care nu mai mult de aproximativ 30% din conținutul de energie al benzinei poate fi transformat în energia cinetică a unui automobil în mișcare. Este, de asemenea, motivul pentru care nu mai mult de aproximativ 40% din energia cărbunelui poate fi transformată în energie electrică într-o stație generatoare modernă. În mod similar, există limite superioare ale eficienței prin care plantele verzi pot converti fotosintetic radiațiile vizibile în substanțe biochimice, chiar și în ecosisteme în care constrângerile ecologice legate de nutrienți, apă și spațiu sunt optimizate.
interesant este că plantele absorb radiațiile vizibile emise de soare și folosesc această energie relativ dispersată pentru a fixa molecule anorganice simple, cum ar fi dioxidul de carbon, apa și alți nutrienți în substanțe biochimice foarte complexe și dense din punct de vedere energetic. Organismele heterotrofe folosesc apoi biochimicele biomasei vegetale pentru a-și sintetiza propriile biochimice complexe. La nivel local, aceste diverse sinteze biologice reprezintă transformări energetice care scad substanțial entropia, mai degrabă decât o măresc. Acest lucru se întâmplă deoarece energia solară relativ dispersată și compușii simpli sunt concentrați în biochimicele complexe ale organismelor vii.
transformările biologice nu respectă a doua lege a termodinamicii? Acest paradox fizic aparent al vieții poate fi raționalizat cu succes, folosind următoarea logică: Bio-concentrarea localizată a entropiei negative poate apărea deoarece există o intrare constantă de energie în sistem, sub formă de radiație solară. Dacă această sursă externă de energie a fost terminată, atunci toată entropia negativă a organismelor și a materiei organice ar fi mai degrabă rapid degradată spontan, producând căldură și molecule anorganice simple, mărind astfel entropia universului. Acesta este motivul pentru care viața și ecosistemele nu pot supraviețui fără intrări continue de energie solară. Prin urmare, biosfera poate fi considerată a reprezenta o insulă localizată, în spațiu și timp, de entropie negativă, alimentată de o sursă externă (solară) de energie. Există analogi fizici cu aceste circumstanțe ecologice-dacă energia externă este introdusă în sistem, moleculele relativ dispersate de gaze pot fi concentrate într-un recipient, așa cum se întâmplă atunci când o persoană suflă energic pentru a umple un balon cu aer. În cele din urmă, totuși, balonul apare, gazele se re-dispersează, intrarea inițială de energie este transformată în căldură și entropia universului este crescută.
bugetele de energie fizică
bugetele de energie fizică iau în considerare un anumit sistem definit și apoi analizează intrările de energie, diferitele sale transformări și depozite și eventualele ieșiri. Acest concept poate fi ilustrat prin referire la bugetul energetic al Pământului.
intrarea majoră a energiei pe Pământ are loc ca energie electromagnetică solară. La limitele exterioare ale atmosferei Pământului, rata medie de intrare a radiației solare este de 2,00 calorii pe cm2 pe minut (acest flux este cunoscut sub numele de Constanta solară). Aproximativ jumătate din această intrare de energie apare ca radiație vizibilă și jumătate ca infraroșu apropiat. După cum sa menționat anterior, Pământul emite, de asemenea, propria radiație electromagnetică, din nou la o rată de 2,00 cal/cm2/min, dar cu un spectru care atinge vârfurile în infraroșu cu unde mai lungi, la aproximativ 10 milimetri cubi. Deoarece rata de intrare a energiei este egală cu rata de ieșire, nu există stocare netă de energie și nici o schimbare substanțială, pe termen lung, a temperaturii suprafeței Pământului. Prin urmare, Pământul reprezintă un sistem de curgere a energiei cu sumă nulă. (De fapt, de-a lungul timpului geologic a existat o mică stocare de energie, care a avut loc ca o acumulare de biomasă sub-compusă care în cele din urmă se transformă geologic în combustibili fosili. Există, de asemenea, variații minore, pe termen lung, ale suprafeței de temperatură a Pământului, care reprezintă schimbările climatice. Cu toate acestea, acestea reprezintă excepții cantitativ banale de la afirmația precedentă despre Pământ ca sumă nulă, sistem de curgere a energiei.) Deși cantitatea de energie emisă de pământ este în cele din urmă egală cu cantitatea de radiație solară care este absorbită, există unele transformări importante din punct de vedere ecologic care au loc între aceste două evenimente.
cele mai importante moduri prin care Pământul se ocupă de radiațiile solare incidente sunt:
- o medie de aproximativ 30% din energia solară incidentă este reflectată înapoi în spațiul cosmic de atmosfera Pământului sau de suprafața sa. Acest proces este legat de Albedo-ul Pământului, care este puternic influențat de unghiul solar, cantitățile de acoperire a norilor și particulele atmosferice și, într-o măsură mai mică, de caracterul suprafeței Pământului, în special tipurile și cantitatea de apă (inclusiv gheața) și acoperirea vegetației.
- aproximativ 25% din energia incidentă este absorbită de gazele atmosferice, vaporii și particulele, convertite în căldură sau energie cinetică termică și apoi re-radiate ca radiații infraroșii cu lungime de undă mai lungă.
- aproximativ 45% din radiația incidentă este absorbită la suprafața Pământului de materiale vii și ne-vii și este transformată în energie termică, crescând temperatura suprafețelor absorbante. Pe termen lung (adică ani) și chiar pe termen mediu (adică zile) există o stocare netă a căldurii puțin sau deloc. Practic, toată energia absorbită este re-radiată de suprafață ca energie infraroșie cu undă lungă, cu un vârf de lungime de undă de aproximativ 10 MMC.
- o parte din energia termică a suprafețelor face ca apa să se evapore de pe plante și de pe suprafețele ne-vii (vezi intrarea pe evapotranspirație) sau provoacă topirea gheții sau a zăpezii.
- din cauza distribuției inegale a energiei termice pe suprafața Pământului, o parte din radiația absorbită conduce transportul în masă, procesele de distribuție, cum ar fi vânturile, curenții de apă și valurile de pe suprafața corpurilor de apă.
- un foarte mic (cu o medie mai mică de 0.1%), dar porțiunea critică din punct de vedere ecologic a energiei solare primite este absorbită de clorofila plantelor și este utilizată pentru a conduce fotosinteza. Această fixare fotoautotrofică permite ca o parte din energia solară să fie stocată temporar în energia potențială a biochimicelor și să servească drept bază energetică a vieții pe Pământ.
anumite gaze din atmosfera Pământului absorb energia infraroșie cu undă lungă de tipul celei care este radiată de materia încălzită în mecanismele de disipare a doua și a treia (enumerate mai sus). Această absorbție încălzește gazele, care apoi suferă o altă re-radiație, emițând energie infraroșie și mai lungă în toate direcțiile, inclusiv înapoi la suprafața Pământului. Cele mai importante dintre așa-numitele gaze active radiativ din atmosferă sunt apa și dioxidul de carbon, dar gazele urme metan, oxid de azot, ozon și clorofluorocarburi sunt, de asemenea, semnificative. Acest fenomen, cunoscut sub numele de efect de seră, interferează semnificativ cu rata de răcire radiativă a suprafeței Pământului.
dacă nu ar exista efect de seră, iar atmosfera Pământului ar fi complet transparentă la radiațiile infraroșii cu unde lungi, temperaturile de suprafață ar avea o medie de aproximativ 17,6 inkt (-8 Int.c), mult prea rece pentru ca procesele biologice să aibă loc. Deoarece efectul de seră natural menține temperatura medie a suprafeței Pământului cu aproximativ 60 de grade Fahrenheit mai caldă decât aceasta, la aproximativ 77 de grade F (25 de grade C), este un factor evident important în habitabilitatea planetei. Cu toate acestea, activitățile umane au dus la creșterea concentrațiilor atmosferice ale unora dintre gazele active radiativ și există îngrijorări că acest lucru ar putea provoca o intensificare a efectului de seră al Pământului. Acest lucru ar putea duce la încălzirea globală, schimbări în distribuția precipitațiilor și alte efecte climatice și daune ecologice și socioeconomice severe.
bugetele energiei fixe
energia ecologică examinează transformările energiei fixe, biologice în cadrul comunităților și ecosistemelor, în special modul în care energia fixă biologic este trecută prin rețeaua alimentară.
de exemplu, studiile unei păduri naturale de stejar-pin din statul New York au constatat că vegetația a fixat energia solară echivalentă cu 11.500 kilocalorii pe hectar pe an (103 Kcal/ha/an). Cu toate acestea, respirația plantelor a utilizat 6,5 103 kcal/ha/an, astfel încât acumularea netă reală de energie în ecosistem a fost de 5.0 int.103 Kcal/ha/an. Diferitele tipuri de organisme heterotrofe din pădure au folosit un alt 3.0 103 kcal/ha / an pentru a— și susține respirația, astfel încât
termeni cheie
energie electromagnetică-un tip de energie, care implică fotoni, care au proprietăți fizice atât ale particulelor, cât și ale undelor. Energia electromagnetică este împărțită în componente spectrale, care (ordonate de la lungime de undă lungă la scurtă) includ radio, infraroșu, lumină vizibilă, ultraviolet și cosmic.
entropie— măsurarea unei tendințe spre Randomizare și dezordine crescute.
acumularea de biomasă de către toate organismele ecosistemului a fost echivalentă cu 2,0 x 103 Kcal/ha/an.
precedentul este un exemplu de buget de energie fixă la nivel de ecosistem. Uneori, ecologiștii dezvoltă bugete de energie la nivelul populației și chiar pentru indivizi. De exemplu, în funcție de circumstanțele și oportunitățile de mediu, plantele sau animalele individuale își pot optimiza capacitatea prin alocarea resurselor energetice în diverse activități, cel mai simplu, în creșterea individului sau în reproducere.
cu toate acestea, bugetele energetice biologice sunt de obicei mult mai complicate. De exemplu, o plantă își poate aloca în mod diferit energia în producerea de tulpini mai lungi și mai multe frunze pentru a-și îmbunătăți accesul la lumina soarelui sau ar putea crește rădăcini mai lungi și mai multe pentru a-și crește accesul la nutrienții solului sau mai multe flori și semințe pentru a crește probabilitatea reproducerii cu succes. Există și alte strategii de alocare posibile, inclusiv o combinație a celor precedente.
în mod similar, un urs trebuie să ia decizii cu privire la alocarea timpului și a energiei sale. Trebuie să decidă asupra activităților asociate cu odihna, fie în timpul zilei, fie hibernarea pe termen lung, vânătoarea de alimente vegetale sau animale, căutarea unui partener, îngrijirea puiilor sau doar distracția, așa cum se știe că fac urșii sălbatici.
a se vedea, de asemenea, transferul de energie; lanțul alimentar/web.