Кількість сонячної енергії в екосистемі
Надходить на поверхню планети сонячна енергія витрачається в екосистемі. Кількість цієї енергії дуже велика і складає приблизно 55 ккал на 1 кв.см. на рік. Однак рослини фіксують не більше 1-2% сонячної енергії (а в пустелях і в океані - соті частки відсотка), решта витрачається на нагрівання атмосфери, суші і випаровування. З накопиченої рослинами сонячної енергії порівняно небагато - не більше 7-10% - дістається рослиноїдних тварин, що харчуються живими рослинами. Більшу її частину використовують сімбіотрофи (бактерії і гриби), які отримують харчування з коренів рослин, що виділяють у ґрунт вуглеводи (або живуть безпосередньо в корені), і детритофаги і редуценти, які харчуються відмерлими рослинами.
Для розуміння процесів перетворення енергії в екосистемі корисні закони термодинаміки, які сформульовані фізиками. Перший закон термодинаміки говорить, що енергія не виникає і не зникає, а лише переходить з однієї форми в іншу. Тому енергія в екосистемі не може з'явитися сама собою, а надходить в неї ззовні - від Сонця або в результаті хімічних реакцій неорганічних речовин. У гетеротрофні антропогенні екосистеми енергія надходить від спеціальних енергетичних пристроїв, на яких виходить електрична енергія або готуватися до використання енергія вуглецевих енергоносіїв.
Другий закон термодинаміки. або закон ентропії, має кілька формулювань. Одна з них така: процеси, пов'язані з перетвореннями енергії, можуть відбуватися мимовільно тільки за умови, що енергія переходить з концентрованої форми в розсіяну (деградує). Наприклад, тепло більш нагрітого предмета розсіюється в більш холодному середовищі. Другий закон термодинаміки можна сформулювати і так: оскільки деяка частина енергії завжди розсіюється у вигляді недоступний для використання теплової енергії, ефективність мимовільного перетворення кінетичної енергії в потенційну завжди менше 100%. Ентропія (від грец. Entropia - поворот, перетворення) - міра кількості зв'язаної енергії, яка ставати недоступною для використання. Цей термін використовується і як міра зміни впорядкованості, яка відбувається при деградації енергії.
Другий закон термодинаміки - це закон зниження якості енергії. Він пояснює те, як енергія переходить з однієї форми в іншу. При будь-якому перетворенні енергії деякий її кількість завжди переходить в менш якісну, менш корисну енергію. Відповідно до цього закону рослинами використовується лише частина надходить в екосистему сонячної енергії, решта розсіюється і переходить в теплову, яка витрачається на нагрівання середовища екосистеми. Лише невелика частина поглиненої рослиною сонячної енергії витрачається на продукційний процес. Розсіювання енергії триває при диханні і її передачі гетеротрофних організмів. При переході енергії з першого трофічного рівня (продуцентів) на другий (фітофагів і сімбіотрофов), третій (хижаків першого порядку) і т.д. значну її кількість також розсіюється і знижує свою якість. Саме тому ККД переходу енергії з одного трофічного рівня на інший не перевищує 7-10%.
Тенденція зниження якості поширюється і на ту енергію, яка перейшла з одного трофічного рівня на інший: після смерті організми, в тілі яких вона фіксована, будуть зруйновані редуцентамі і енергія повністю розсіється.
Найважливішою термодинамічної характеристикою організмів, екосистем і біосфери в цілому вважається здатність створювати і підтримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості, тобто стан з низькою ентропією. Низька ентропія досягається постійним і ефективним розсіюванням легко використовуваної енергії. Впорядкованість екосистеми підтримується за рахунок дихання всієї спільноти, яке постійно "відкачує" невпорядкованість. Отже, екосистеми і організми являють собою відкриті нерівноважні термодинамічні системи, постійно обмінюються із зовнішнім середовищем речовиною та енергією, зменшуючи при цьому ентропію всередині себе, але збільшуючи її зовні відповідно до законів термодинаміки.
З цих законів термодинаміки немає винятків, і будь-яка природна або штучна система, що не підкоряється їм, неминуче гине.
Всі різноманітні прояви життя супроводжуються перетвореннями енергії, яка в цьому випадку не створюється і не знищується. Енергія, яку отримує Земля у вигляді світла, врівноважується енергією, що випромінюється з її поверхні в формі невидимого випромінювання. Без перенесення енергії не було б життя на Землі. У разі втрати здатності добувати і зберігати достатню кількість високоякісної енергії людське суспільство стало б закритою системою і, відповідно до другого закону термодинаміки, втратила б впорядкованість.
Екологія вивчає зв'язок між світлом і екологічними системами, а також способи перетворення енергії всередині системи. Отже, відносини між рослинами-продуцентами і тваринами-консументами, між хижаком і жертвою, не кажучи вже про чисельність і видовий склад організмів в кожному місці проживання, лімітуються і управляються потоком енергії, що перетворюється з її концентрованих форм в розсіяні. Всі системи, як живі, так і неживі (наприклад, автомобіль), регулюються одними і тими ж законами термодинаміки. Різниця полягає в тому, що живі системи, використовуючи частину наявної всередині них доступною енергії, здатні самовідновлюватися і "відкачувати" невпорядкованість, а машини доводиться лагодити, витрачаючи енергію з інших систем.
При поглинанні світла будь-яким предметом він нагрівається: світлова енергія перетворюється в теплову. Відомо, що і суша, і вода не в однакових кількостях поглинають сонячну енергію. В результаті виникають теплі і холодні області, що є причиною повітряних потоків, які можуть виконувати різного виду роботу (обертати електродвигуни, піднімати воду і т.д.). Тобто в цьому випадку енергія світла перетворюється в теплову енергію земної поверхні, а потім в потенційну, так як її можна перетворити в інші форми енергії. Енергія, необхідна для створення потоку кінетичної енергії, називається витраченої. Кількість енергії в будь-якій формі завжди пропорційна кількості тієї форми енергії, в яку вона переходить, тому, знаючи одну величину, можна розрахувати іншу. "Спожита" енергія насправді не витрачається, а переходить в стан з малою можливістю використання. Наприклад, бензин, залитий в бак автомобіля, витрачається, але енергія, укладена в ньому, не зникає, а перетворюється в форми, які не придатні для використання в автомобілі.
Згідно з другим законом термодинаміки будь-який вид енергії в кінцевому рахунку переходить в форму, найменш придатну для використання і найбільш легко розсіюється. В даний час Земля знаходиться в стані, далекому від енергетичної рівноваги. Вона має великий запас потенційної енергії, температура її в різних областях неоднакова, і ці відмінності підтримуються постійним припливом енергії.
Слід зазначити, що всі відомі на Землі природні явища, пов'язані з безперервним перетворенням енергії, являють собою частини загального процесу, який веде до сталого енергетичного рівноваги, тобто сонячна енергія, потрапивши на Землю, прагне перетворитися в теплову. Тільки невелика її частина перетворюється в потенційну енергію, синтезовану рослинами.
Основна кількість променевої енергії перетворюється в тепло і йде за межі біосфери. Решта живий світ отримує потенційну хімічну енергію, створену рослинами і хемосінтезірующімі бактеріями. Наприклад, тварини більшу частину поглиненої хімічної енергії переводять в тепло, а меншу її частину перетворюють в хімічну потенційну енергію новоствореного органічної речовини. На кожному етапі передачі енергії від одного організму до іншого значна її частина розсіюється у вигляді тепла. В цьому випадку при загальному зниженні доступною енергії якість залишилася може підвищитися.
Енергетична характеристика середовища екосистеми
Організми, які функціонують на поверхні Землі або поблизу неї, отримують енергію від сонячного випромінювання і довгохвильове теплове випромінювання - від прилеглих тел. Обидва ці фактори визначають сукупність кліматичних умов: температуру, швидкість випаровування води, рух повітряних мас і т.д. Мала частина енергії використовується у фотосинтезі, що забезпечує живі компоненти екосистеми. Сонячне світло падає на нашу планету з космосу з енергією 1,98 кал / кв.см. в хвилину (сонячна постійна), а при проходженні через атмосферу послаблюється. У ясний літній полудень до поверхні Землі доходить не більше 67% енергії світла, а при проходженні через хмари, воду і рослинність вона зменшується в ще більшому ступені. Надходження сонячної енергії до автотрофне шару екосистеми за день становить від 100 до 800 ккал / кв.см. в середньому 300-400 ккал / кв.см.
Енергія загального потоку випромінювання в різних ярусах екосистеми в залежності від сезону року, а також її розташування на земній кулі схильна до значних коливань.
Сонячне випромінювання, проходячи через атмосферу, послаблюється атмосферними газами і пилом, причому ступінь ослаблення залежить від довжини хвилі світла. Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі менше 0,3 мкм майже не проходить через озоновий шар, який знаходиться на висоті 15-25 км. Від цього шару залежить життя на нашій планеті, так як ультрафіолетове випромінювання має згубну дію на живі організми. Випромінювання оптичної області (видиме світло) послаблюється поступово; інфрачервоне випромінювання поглинається в атмосфері неоднаково - в залежності від довжини хвилі.
Промениста енергія, яка досягає поверхні Землі в ясний день, складається приблизно на 10% з ультрафіолетового випромінювання, на 45% з видимого світла і на 45% - з інфрачервоного випромінювання (Reifscnyder. Lull, 1965). Найменше при проходженні через атмосферу і воду послаблюється видиме світло, який бере безпосередню участь у процесі фотосинтезу. Він називається фотосинтетично активною радіацією (ФАР).
Важливе значення для всього живого на Землі має теплове випромінювання (крім променевої енергії). Тепло випромінюють всі поверхні і тіла, що мають температуру вище абсолютного нуля. (Слід зазначити, що теплове випромінювання властиво не тільки окремих елементах екосистеми - грунті, рослинам, воді і т.д. але і хмарам, які привносять додаткову кількість енергії на поверхню Землі.) Тепло поширюється безперешкодно і у всіх напрямках, промениста ж енергія має чітку спрямованість і надходить тільки вдень. Тому кількість теплової енергії, яку отримують рослини, може в кілька разів перевищувати направлене випромінювання Сонця. Необхідно також врахувати, що теплова енергія поглинається більш повно, ніж сонячне випромінювання.
Велике значення для існування організмів і ефективного використання навколишнього середовища має їх пристосованість до добових коливань температури, які в більшій мірі залежать від кількості води і наявності рослинності. Наприклад, в пустелях денний потік енергії в багато разів перевищує нічний, а в глибоководних зонах океану або в глибині тропічного лісу він протягом доби практично не змінюється. Отже, маса води і біомаса лісу згладжують коливання енергетичних характеристик, ніж оберігають живі організми від стресів.
В екосистемах умови існування організмів визначаються загальним потоком випромінювання. Однак для продуктивності екосистеми і для кругообігу біогенних елементів більш важливе значення має сумарний пряме сонячне випромінювання, тобто сонячна енергія, яку зелені рослини отримують за одиницю часу. Цей потік первинної енергії пускає в хід всі біологічні системи. Велика частина біосфери постійно отримує енергію, рівну 300-400 ккал / кв.м на добу, або 1,1 - 1,5 млн ккал / кв.м в рік (див. Нижче розсіювання по по Ю.Одума).
Розсіювання енергії сонячного випромінювання (по Ю.Одума, 1975)
Витрата енергії і відсоток від річного надходження в біосферу
Пряме перетворення в тепло 46,0
Випаровування, опади 23,0
Вітер, хвилі, течії 0,2
Енергія припливів становить близько 0,0017% сонячної енергії, тепло Землі - близько 0,5%.
Особливо важливе значення має так звана чиста радіація на поверхні Землі - різниця між сумарним потоком променевої енергії і відбитої поверхнею Землі. Річний чистий радіація між 40 'північної широти і 40' південної широти становить над океанами 1млн ккал / кв.м в рік, а над континентами - 0,6 млн ккал / кв.м в рік. Така величезна кількість енергії витрачається на випаровування води, освіту теплових потоків повітря і розсіюється у вигляді тепла в світовий простір. Можна сказати, що в цілому Земля знаходиться в стані приблизного енергетичної рівноваги. Тому будь-який процес, що уповільнює вихід світлової енергії в космос, призводить до підвищення температури в біосфері.
З усієї кількості сонячної енергії, що надходить в біосферу, приблизно 70% перетворюється в тепло і витрачається на випаровування і інші процеси і тільки близько 1% переходить безпосередньо в їжу і іншу біомасу. Не слід вважати, що більша частина енергії втрачається даремно: вона підтримує певні температурні умови на нашій планеті, пускає в хід системи погоди і круговорот води, необхідні для життя. Енергія припливів і внутрішнього тепла Землі в окремих регіонах може бути корисна, однак в тепловому балансі вона невелика. Багато теплової енергії зосереджено глибоко в надрах Землі, але вона майже недоступна і тому практично не використовується.