former av energi
energitransformationer och termodynamikens lagar
fysiska energibudgetar
budgetar för fast energi
resurser
en energibudget beskriver hur energi omvandlas från ett tillstånd till ett annat inom ett visst definierat system, inklusive en analys av input, output och förändringar i energisystemet lagrade kvantiteter. Ekologiska energibudgetar fokuserar på användning och omvandling av energi i biosfären eller dess komponenter.
Sol elektromagnetisk strålning är den viktigaste inmatningen av energi till jorden. Denna externa energikälla hjälper till att värma planeten, förånga vatten, cirkulera atmosfären och oceanerna och upprätthålla ekologiska processer. I slutändan strålas all solenergi som absorberas av jorden tillbaka till rymden, som elektromagnetisk strålning med en längre våglängd än vad som ursprungligen absorberades. Jorden upprätthåller en praktiskt taget perfekt energisk balans mellan in-och utgångar av elektromagnetisk energi.
jordens ekosystem är beroende av solstrålning som en extern källa till diffus energi som kan utnyttjas av fotosyntetiska autotrofer, såsom gröna växter, för att syntetisera enkla organiska molekyler som sockerarter från oorganiska molekyler som koldioxid och vatten. Växter använder den fasta energin hos dessa enkla organiska föreningar, plus oorganiska näringsämnen, för att syntetisera en enorm mångfald av biokemikalier genom olika metaboliska reaktioner. Växter använder dessa biokemikalier och den energi de innehåller för att uppnå sin tillväxt och reproduktion. Dessutom används växtbiomassa direkt eller indirekt som mat av det enorma antalet heterotrofa organismer som inte kan fixa sin egen energi. Dessa organismer inkluderar växtätare som äter växter, köttätare som äter djur och detritivorer som matar på död biomassa.
över hela världen är användningen av solenergi för detta ekologiska ändamål relativt liten och står för mycket mindre än 1% av den mängd som mottas vid jordens yta. Även om detta är en kvantitativt trivial del av jordens energibudget, är det helt klart mycket viktigt kvalitativt, eftersom det här är den absorberade och biologiskt fasta energin som subventionerar alla ekologiska processer.
former av energi
energi definieras som förmågan, eller potentiell förmåga, hos en kropp eller ett system att utföra arbete. Energi kan mätas i olika enheter, såsom kalori, definierad som den mängd energi som krävs för att höja temperaturen på ett gram rent vatten med en grad Celsius. (Observera att dietistens kalori motsvarar tusen av dessa kalorier , eller en kilokalori. Joule (J) är en annan energienhet. En joule definieras generellt som den mängd arbete som krävs för att lyfta en vikt på 1 kg med 10 cm på jordens yta. Det motsvarar 0,24 kalorier. Dessutom är en kalori (liten kalori) lika med ca 4.184 J.
energi kan existera i olika tillstånd, som alla är utbytbara genom olika slags fysiska/kemiska omvandlingar. De grundläggande kategorierna av energi är: elektromagnetisk, kinetisk och potentiell, men var och en av dessa kan också existera i olika tillstånd.
elektromagnetisk energi är energin hos fotoner, eller kvanta energi som har egenskaper hos både partiklar och vågor, och som färdas genom rymdens vakuum med en konstant hastighet på cirka 3 msk 108 meter per sekund (det vill säga med ljusets hastighet). Komponenterna för elektromagnetisk energi kännetecknas på grundval av våglängdsområden, som beställs från de kortaste till längsta våglängderna är kända som: gamma, röntgen, ultraviolett, ljus eller synligt, infrarött och radio. Alla kroppar med en temperatur som är större än absolut noll (det vill säga -459 f f eller noll grader på Kelvin-skalan ) avger elektromagnetisk energi med en hastighet och spektralkvalitet som strikt bestäms av deras yttemperatur. Relativt heta kroppar har mycket större utsläppshastigheter och deras strålning domineras av kortare våglängder jämfört med svalare kroppar. Solen har en yttemperatur på cirka 11 000 kg F (6 093 kg C). Det mesta av dess strålning ligger i våglängdsområdet för synligt ljus (0,4 till 0,7 oz.m eller mikrometer) och kortare våg infraröd (0,7 till 2.0 okt), medan jorden har en yttemperatur på ca 77 okt F (25 okt C) och dess strålningstoppar i det längre vågiga infraröda området vid ca 10 okt.
kinetisk energi är energin för dynamisk rörelse, av vilken det finns två grundläggande typer, energin hos rörliga kroppar och den hos vibrerande atomer eller molekyler. Den senare är också känd som termisk energi, och ju kraftigare vibrationen är, desto större är värmeinnehållet.
potentiell energi har kapacitet att utföra arbete, men det måste mobiliseras för att göra det. Potentiell energi förekommer i olika former. Kemisk potentiell energi lagras i molekylernas interatomiska bindningar. Denna energi kan frigöras genom så kallade exoterma reaktioner, som har en nettoutsläpp av energi. Till exempel frigörs värme när det kemiskt reducerade svavlet av sulfidmineraler oxideras till sulfat och när kristallin natriumklorid löses i vatten. Alla biokemikalier lagrar också potentiell energi, motsvarande 4,6 kilokalorier per gram kolhydrat, 4,8 Kcal/g protein och 6,0 till 9,0 Kcal/g fett.
gravitationspotential energi lagras i massa som är förhöjd över någon gravitationellt attraktiv yta, som när vatten inträffar ovanför oceanens yta eller något föremål inträffar ovanför markytan. Om inte hindras strömmar vatten spontant nedförsbacke och föremål faller nedåt som svar på gradienter av gravitationspotentialenergi. Andra typer av potentiell energi är något mindre viktiga när det gäller ekologiska energibudgetar, men de inkluderar potentiella energier av komprimerade gaser, elektriska potentialgradienter associerade med spänningsskillnader och materiens potentiella energi, som kan frigöras genom kärnreaktioner.
energitransformationer och termodynamikens lagar
som tidigare nämnts kan energi transformeras mellan dess olika tillstånd. Elektromagnetisk energi kan till exempel absorberas av ett mörkt föremål och omvandlas till termisk kinetisk energi. Denna åtgärd resulterar i en ökad temperatur hos den absorberande kroppen. Som ett annat exempel kan gravitationspotentialenergi av vatten högt på en platå omvandlas till den kinetiska energin hos rörligt vatten och värme vid ett vattenfall, eller det kan mobiliseras av människor för att driva en turbin och generera elektrisk energi. För det tredje kan solelektromagnetisk strålning absorberas av klorofyll av gröna växter, och en del av den absorberade energin kan omvandlas till den kemiska potentiella energin hos sockerarter och resten omvandlas till värme.
alla omvandlingar av energi måste ske enligt vissa fysiska principer, kända som termodynamikens lagar. Dessa är universella lagar; vilket innebär att de alltid är sanna, oavsett omständigheter. Den första lagen säger att energi kan genomgå omvandlingar mellan sina olika stater, men det skapas aldrig eller förstörs—så universums energiinnehåll förblir konstant. En konsekvens av denna lag för energibudgetar är att det alltid måste finnas en nollbalans mellan energiinsatserna till ett system, energiutgångarna och eventuell nätlagring i systemet.
termodynamikens andra lag säger att omvandlingar av energi endast kan ske spontant under förhållanden där det finns en ökning av universums entropi. (Entropi är relaterad till slumpmässighet i fördelningen av materia och energi). Till exempel bestrålas jorden kontinuerligt av solstrålning, mestadels av synliga och nära infraröda våglängder. En del av denna energi absorberas, vilket värmer jordens yta. Planeten kyler sig på olika sätt, men i slutändan görs detta genom att utstråla sin egen elektromagnetiska strålning tillbaka till rymden, som längre våg infraröd strålning. Omvandlingen av relativt kortvågig solstrålning till den längre vågstrålningen som emitteras av jorden representerar en försämring av energikvaliteten och en ökning av universums entropi.
en följd eller sekundär proposition av termodynamikens andra lag är att energitransformationer aldrig kan vara helt effektiva, eftersom en del av det ursprungliga innehållet i energi måste omvandlas till värme så att entropi kan ökas. I slutändan är detta anledningen till att inte mer än cirka 30% av bensinens energiinnehåll kan omvandlas till den rörliga bilens kinetiska energi. Det är också anledningen till att inte mer än cirka 40% av kolens energi kan omvandlas till el i en modern produktionsstation. På samma sätt finns det övre gränser för effektiviteten genom vilken gröna växter fotosyntetiskt kan omvandla synlig strålning till biokemikalier, även i ekosystem där ekologiska begränsningar relaterade till näringsämnen, vatten och utrymme optimeras.
intressant nog absorberar växter synlig strålning från solen och använder denna relativt dispergerade energi för att fixa enkla oorganiska molekyler som koldioxid, vatten och andra näringsämnen i mycket komplexa och energitäta biokemikalier. Heterotrofa organismer använder sedan biokemikalierna av växtbiomassa för att syntetisera sina egna komplexa biokemikalier. Lokalt representerar dessa olika biologiska synteser energitransformationer som väsentligt minskar entropin, snarare än att öka den. Detta inträffar eftersom relativt dispergerad solenergi och enkla föreningar fokuseras i de komplexa biokemikalierna hos levande organismer.
följer inte biologiska omvandlingar termodynamikens andra lag? Denna till synes fysiska paradox i livet kan framgångsrikt rationaliseras med hjälp av följande logik: Den lokaliserade biokoncentrationen av negativ entropi kan uppstå eftersom det finns en konstant inmatning av energi i systemet, i form av solstrålning. Om denna externa energikälla avslutades, skulle all negativ entropi av organismer och organiskt material ganska snabbt försämras spontant, producera värme och enkla oorganiska molekyler och därigenom öka entropin i universum. Det är därför liv och ekosystem inte kan överleva utan kontinuerliga insatser av solenergi. Därför kan biosfären anses representera en lokal ö, i rymden och tiden, av negativ entropi, som drivs av en extern (Sol) energikälla. Det finns fysiska analoger till dessa ekologiska omständigheter-om extern energi sätts in i systemet kan relativt dispergerade molekyler av gaser koncentreras i en behållare, som uppstår när en person blåser energiskt för att fylla en ballong med luft. Så småningom dyker dock ballongen upp, gaserna sprids igen, den ursprungliga energitillförseln omvandlas till värme och universums entropi ökas.
fysiska energibudgetar
fysiska energibudgetar överväga ett visst definierat system och analysera sedan energiinsatserna, dess olika omvandlingar och lager och eventuella utgångar. Detta koncept kan illustreras med hänvisning till jordens energibudget.
den största inmatningen av energi till jorden sker som solelektromagnetisk energi. Vid de yttre gränserna för jordens atmosfär är den genomsnittliga inmatningen av solstrålning 2,00 kalorier per cm2 per minut (detta flöde kallas solkonstanten). Ungefär hälften av denna energiinmatning sker som synlig strålning och hälften så nära infraröd. Som tidigare nämnts avger jorden också sin egen elektromagnetiska strålning, igen med en hastighet av 2,00 cal/cm2/min, men med ett spektrum som toppar i den längre vågens infraröda, vid ca 10 occurm. Eftersom hastigheten på energitillförseln är lika med produktionshastigheten, finns det ingen nettolagring av energi och ingen väsentlig, långsiktig förändring av jordens yttemperatur. Därför representerar jorden ett nollsumma, energiflödessystem. (I själva verket har det under geologisk tid skett en liten lagring av energi, som uppstår som en ackumulering av underkomponerad biomassa som så småningom omvandlar geologiskt till fossila bränslen. Det finns också mindre, långsiktiga variationer av jordens temperaturyta som representerar klimatförändringar. Dessa representerar emellertid kvantitativt triviala undantag från föregående uttalande om jorden som ett nollsumma, genomströmningssystem för energi.) Även om mängden energi som emitteras av jorden så småningom motsvarar mängden solstrålning som absorberas, finns det några ekologiskt viktiga omvandlingar som uppstår mellan dessa två händelser.
de viktigaste sätten på vilka jorden hanterar sina infallande solstrålningar är:
- i genomsnitt reflekteras cirka 30% av den infallande solenergin tillbaka till yttre rymden av jordens atmosfär eller dess yta. Denna process är relaterad till jordens albedo, som starkt påverkas av solvinkeln, mängden Molntäcke och atmosfäriska partiklar, och i mindre grad av jordens yta, särskilt typerna och mängden vatten (inklusive IS) och vegetationskåpa.
- cirka 25% av den infallande energin absorberas av atmosfäriska gaser, ångor och partiklar, omvandlas till värme eller termisk kinetisk energi och utstrålas sedan som infraröd strålning med längre våglängd.
- cirka 45% av den infallande strålningen absorberas vid jordens yta av levande och icke-levande material och omvandlas till termisk energi, vilket ökar temperaturen på de absorberande ytorna. På längre sikt (det vill säga år) och till och med på medellång sikt (det vill säga dagar) finns det liten eller ingen nätlagring av värme. Praktiskt taget alla av den absorberade energin åter utstrålas av ytan som långvågig infraröd energi, med en våglängd topp på ca 10 oc.m.
- en del av ytornas termiska energi gör att vatten avdunstar från växt-och icke-levande ytor (se inträde på evapotranspiration), eller det får IS eller snö att smälta.
- på grund av den ojämna fördelningen av termisk energi på jordens yta driver en del av den absorberade strålningen masstransport, fördelningsprocesser, såsom vindar, vattenströmmar och vågor på vattenkropparnas yta.
- en mycket liten (i genomsnitt mindre än 0.1%) men ekologiskt kritisk del av den inkommande solenergin absorberas av klorofyll av växter och används för att driva fotosyntes. Denna fotoautotrofa fixering gör att en del av solenergin tillfälligt kan lagras i biokemisk potentiell energi och fungera som den energiska grunden för livet på jorden.
vissa gaser i jordens atmosfär absorberar långvågig infraröd energi av den typ som utstrålas av uppvärmd materia i andra och tredje spridningsmekanismerna (listade ovan). Denna absorption värmer gaserna, som sedan genomgår en annan återstrålning, som avger ännu längre våglängd infraröd energi i alla riktningar, inklusive tillbaka till jordens yta. Den viktigaste av de så kallade radiativt aktiva gaserna i atmosfären är vatten och koldioxid, men spårgaserna metan, kväveoxid, ozon och klorfluorkolväten är också signifikanta. Detta fenomen, som kallas växthuseffekten, stör väsentligt hastigheten för strålningskylning av jordens yta.
om det inte fanns någon växthuseffekt, och jordens atmosfär var helt transparent för långvågig infraröd strålning, skulle yttemperaturerna i genomsnitt cirka 17,6 kg f (-8 kg C), alldeles för kallt för biologiska processer att inträffa. Eftersom den naturligt förekommande växthuseffekten upprätthåller jordens genomsnittliga yttemperatur ca 60 grader Fahrenheit varmare än detta, vid ca 77 kg F (25 kg C), är det en uppenbarligen viktig faktor för planetens bebobarhet. Men mänskliga aktiviteter har resulterat i ökande atmosfäriska koncentrationer av några av de radiativt aktiva gaserna, och det finns oro för att detta kan orsaka en intensifiering av jordens växthuseffekt. Detta kan leda till global uppvärmning, förändringar i fördelningen av nederbörd och andra klimateffekter och allvarliga ekologiska och socioekonomiska skador.
budgetar för fast energi
ekologisk Energetik undersöker transformationerna av fast, biologisk energi inom samhällen och ekosystem, i synnerhet hur biologiskt fast energi passerar genom livsmedelsbanan.
till exempel fann studier av en naturlig ekskog i delstaten New York att vegetationen fixade solenergi motsvarande 11 500 kilokalorier per hektar per år (103 Kcal/ha/år). Växtandningen utnyttjade dock 6,5 kcal 103 kcal/ha/år, så att den faktiska nettoansamlingen av energi i ekosystemet var 5.0 msk 103 Kcal/ha / år. De olika typerna av heterotrofa organismer i skogen utnyttjade ytterligare 3,0 103 kcal/ha/år för att stödja deras andning, så nätet
nyckeltermer
elektromagnetisk energi— en typ av energi som involverar fotoner, som har fysikaliska egenskaper hos både partiklar och vågor. Elektromagnetisk energi är uppdelad i spektralkomponenter, som (beställda från lång till kort våglängd) inkluderar radio, infraröd, synligt ljus, ultraviolett och kosmiskt.
entropi-mätningen av en tendens till ökad slumpmässighet och störning.
ackumulering av biomassa av alla organismer i ekosystemet motsvarade 2,0 x 103 Kcal/ha/år.
föregående är ett exempel på en fast energibudget på ekosystemnivå. Ibland utvecklar ekologer energibudgetar på befolkningsnivåerna, och även för individer. Till exempel, beroende på miljöförhållanden och möjligheter, kan enskilda växter eller djur optimera sin kondition genom att fördela sina energiresurser till olika aktiviteter, helt enkelt, till individens tillväxt eller till reproduktion.
men biologiska energibudgetar är vanligtvis mycket mer komplicerade. Till exempel kan en växt på olika sätt fördela sin energi till produktion av längre stjälkar och fler blad för att förbättra tillgången till solljus, eller det kan växa längre och fler rötter för att öka tillgången till jordnäringsämnen, eller fler blommor och frön för att öka sannolikheten för framgångsrik reproduktion. Det finns andra möjliga allokeringsstrategier, inklusive en kombination av föregående.
på samma sätt måste en björn fatta beslut om fördelningen av sin tid och energi. Det måste besluta om aktiviteter i samband med vila, antingen under dagen eller på längre sikt viloläge, jakt på växt-eller djurfoder, söka en kompis, ta hand om ungarna eller bara ha kul, som vilda björnar är kända för att göra.
Se även energiöverföring; livsmedelskedjan / webben.