Конспект по екології
Найголовнішим джерелом енергії, що визначають тепловий баланс і термічний режим біосфери Землі, є променева енергія Сонця.
Сонце висвітлює і обігріває Землю, поставляючи енергію, яку зелені рослини використовують для синтезу сполук, які забезпечують їх життєдіяльність і споживаних в їжу практично всіма іншими організмами. Крім того, сонячна енергія підтримує кругообіг найважливіших хімічних речовин і є рушійною силою кліматичних і метеорологічних систем, які перерозподіляють тепло і вологу на земній поверхні.
Енергія Сонця випромінюється в космос у вигляді спектра ультрафіолетового, видимого світлового та інфрачервоного випромінювання та інших форм променевої або електромагнітної енергії.
Поверхні Землі досягають в основному ближнє ультрафіолетове випромінювання, видиме світло і ближнє інфрачервоне випромінювання. Близько 34% променевої енергії Сонця, що досягла поверхні Землі, відразу ж відбивається назад в космос хмарами, пилом та іншими речовинами, що знаходяться в атмосфері, а також власне поверхнею Землі. Переважна частина з залишаються 66% йде на нагрівання атмосфери і суші, випаровування і круговорот води, перетворюється в енергію вітрів. І лише незначна частка цієї енергії (0,5%) вловлюється зеленими рослинами і використовується в процесі фотосинтезу для утворення органічних сполук, необхідних для підтримки життєдіяльності організмів.
Основна частка шкідливого іонізуючого випромінювання Сонця. Особливо ультрафіолетової радіації, поглинається молекулами озону (О3) у верхній частині атмосфери (стратосфері) і водяною парою в нижній частині атмосфери. Без цього екрануючого ефекту більшість сучасних форм життя на Землі не могло б існувати.
Таким чином, все живе на Землі існує за рахунок не забруднюють середовище і практично вічної сонячної енергії, кількість якої щодо постійно і надлишково.
Рослини використовують всього лише 0,5% сонячного світла, що досягає Землі. Навіть якби люди існували виключно за рахунок сонячної енергії, вони б використовували ще меншу частину її. Таким чином, що надходить на Землю сонячної енергії цілком достатньо для задоволення будь-яких мислимих потреб людства. Оскільки вся сонячна енергія в кінцевому рахунку перетворюється в тепло, збільшення її використання для господарських потреб не повинно вплинути на динаміку біосфери. Сонячна енергія - абсолютно чиста енергія, наявна в невичерпному обсязі і за незмінною ціною (безкоштовно). На її надходження не впливають політичне ембарго та економічні труднощі. У той же час, вона занадто розсіяна: щоб вона служила людству, її треба сконцентрувати, і цю перешкоду цілком можна перебороти.
Говорячи про енергію, слід мати на увазі, що енергія - це здатність виконувати роботу або теплообмін між двома об'єктами, що володіють різною температурою. Енергія різниться за якістю або здатності здійснювати корисну роботу. Якість енергії - це міра її ефективності. Енергія високої якості характеризується великим ступенем впорядкованості, або концентрації, а значить, високою здатністю виробляти корисну роботу. Як приклади носіїв таких форм енергії можна привести електрику, кам'яне вугілля, бензин, концентровану сонячну енергію, а також високотемпературне тепло і ін. Енергії низької якості властиві невпорядкованість і мала здатність виробляти корисну роботу. Приклад носія такої енергії - низькотемпературне тепло в повітрі навколо нас, в річці, озері, океані. Наприклад, загальна кількість тепла в Атлантичному океані значно перевищує кількість енергії високої якості в нафтових свердловинах Саудівської Аравії. Але тепло настільки розсіяно в океані, що ми не в змозі його використовувати.
Говорячи про енергію, слід нагадати про два закони природи, яким енергія підпорядковується.
Перший закон термодинаміки (закон збереження енергії): енергія не виникає і не зникає, вона лише переходить з однієї форми в іншу. Закон має на увазі, що в результаті перетворень енергії ніколи не можна отримати її більше, ніж витрачено: вихід енергії завжди дорівнює її витратам; не можна ні з чого отримати щось, за все потрібно платити.
Другий закон термодинаміки: при будь-яких перетвореннях енергії частина її втрачається у вигляді тепла. Це низькотемпературне тепло зазвичай розсіюється в навколишньому середовищі і не здатне виконувати корисну роботу.
При згорянні бензину високоякісної хімічної енергії в двигуні автомобіля в механічну і електричну енергію перетворюється близько 1%, решта 99% у вигляді марного тепла розсіюються в навколишньому середовищі і, в кінцевому рахунку, губляться в космічному просторі. У лампі розжарювання 5% електричної енергії перетворюється в корисне світлове випромінювання, а 95% у вигляді тепла розсіюється в навколишньому середовищі. Відповідно до першого закону термодинаміки, енергія ніколи не скінчиться, оскільки вона не може ні виникати, ні зникати. Але згідно з другим законом термодинаміки, загальна кількість концентрованої високоякісної енергії, яку ми можемо отримати з усіх джерел, постійно скорочується, перетворюючись в низькоякісну енергію. Ми не тільки не можемо отримати щось з нічого, ми не в змозі порушити вирівнювання якості енергії.
Велика частина неотражённой земною поверхнею сонячної радіації, відповідно до другого закону термодинаміки, перетворюється в низькотемпературну теплову енергію (випромінювання «далекого» ІК діапазону) і випромінюється назад в космічний простір; кількість енергії, що повертається в космос у вигляді тепла, залежить від наявності в атмосфері молекул води, діоксиду вуглецю, метану, оксиду азоту, озону та деяких форм твердих частинок. Ці речовини, діючи на зразок виборчого фільтра, дозволяють деяким високоякісним формам променевої енергії Сонця пройти крізь атмосферу до земної поверхні і в той же час затримують і поглинають (і повторно випромінюють назад) частина виникає потоку низькоякісного теплового випромінювання Землі.
Однією з найважливіших характеристик стану термодинамічної системи є ентропія (перетворення - <греч.>) - відношення кількості теплоти, введеного в систему або відведеного від неї, до термодинамічної температури: dS = dQ / T. Можна стверджувати, що ентропія характеризує кількість енергії в системі, недоступною для здійснення роботи, т. Е. Недоступною для використання. Система має низьку ентропією, якщо в ній відбувається безперервне розсіювання впорядкованої енергії та перетворення її в інший, менш упорядкований вигляд, наприклад, перетворення енергії світла або їжі в теплову енергію. Тому часто ентропію визначають як міру невпорядкованості системи. Найважливішою особливістю організмів є їх здатність створювати і підтримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості, т. Е. Стан з низькою ентропією.
Будь-яке нагріте тіло, в тому числі і живе, буде віддавати тепло до тих пір, поки його температура не зрівняється з температурою навколишнього середовища. В кінцевому рахунку енергія будь-якого тіла може бути розсіяна в теплової формі, після чого настає стан термодинамічної рівноваги, і будь-які енергетичні процеси стають неможливими, т. Е. Система приходить в стан максимальної ентропії або мінімальної впорядкованості.
Для того щоб ентропія організм не зростала в результаті безперервного розсіювання енергії шляхом її перетворення з форм з високим ступенем впорядкованості (наприклад, хімічної енергії їжі) в теплову форму з мінімальним ступенем впорядкованості, організм повинен безперервно накопичувати впорядковану енергію ззовні, т. Е. Як би витягувати ззовні "впорядкованість" або негативну ентропію.
Живі організми витягають негативну ентропію з їжі, використовуючи впорядкованість її хімічної енергії. Для того щоб екологічні системи і біосфера в цілому мали можливість брати з навколишнього середовища негативну ентропію, необхідна енергетична дотація, яка в дійсності і виходить у вигляді дармовий сонячної енергії. Рослини в процесі автотрофного харчування - фотосинтезу створюють органічну речовину з підвищеним рівнем впорядкованості його хімічних зв'язків, що і зумовлює зменшення ентропії. Травоїдні тварини поїдають рослини, яких, в свою чергу, поїдають хижаки і т. Д.
Таким чином, життя можна розглядати як процес безперервного вилучення деякої фізичної системою енергії з навколишнього середовища, перетворення і розсіювання цієї енергії при передачі її від однієї ланки до іншого.
Забезпечуючи низький рівень ентропії, організми перешкоджають прагненню системи до термодинамічної рівноваги і тим самим підтримують своє життя.
У стан термодинамічної рівноваги організм або екосистема може перейти лише в разі їх загибелі, коли переривається упорядкований потік енергії.
Вплив господарською діяльністю людини на навколишнє середовище в кінцевому підсумку зводиться до підвищення невпорядкованості (підвищення ентропії) екосистем. І якщо таке підвищення ентропії перевищить певний рівень, який екосистема не здатна компенсувати, то, очевидно, стає неминучою необоротна деградація даної екосистеми.
Рекомендуємо прочитати:
Конспект по екології