Энергетический баланс биосферы. Изменения энергетического баланса биосферы, связанные с деятельностью человека
Поток энергии на земном шаре имеет три источника:
кинетическая энергия оборота Земли и ее спутника Луны как космических тел. Она проявляется в морских приливах, энергия которых недоступна живым организмам, но может использоваться человеком;
энергия земных недр, которая поддерживается ядерным распадом урана и тория. Эта энергия выделяется в форме геотермического тепла. В вулканических районах она используется для отопления оранжерей и бассейнов;
солнечная энергия, на базе которой осуществляется жизнедеятельность в автотрофных организмов.
На Солнце энергия возникает в результате ядерных превращений. Главное из них - это превращение водорода в гелий через дейтерий. Лучистая энергия Солнца проявляется в амплитуде длины волн от 0,3 до 2,0 мкм. Доля ультрафиолетового излучения в ней невелика. Оно в основном задерживается озоновым экраном планеты. Приток энергии к наружной поверхности атмосферы планеты от Солнца сравнительно постоянный - это так называемая солнечная постоянная, равная 1,93 кал/см2 за 1 мин. Она отклоняется от среднего значения всего лишь на 0,1-0,2%. Но длительных наблюдений по величине солнечной постоянной пока не велось и ее многовековые тенденции не известны.
По неофициальным данным, специалисты считают, что в течение последнего миллиарда лет солнечная постоянная не менялась. Всего к Земле доходит 10,5 x10е кДж/м2 в год лучистой энергии. Но 40% сразу отражается в космическое пространство, а 15% поглощается атмосферой: превращается в тепло, либо расходуется на испарение воды. В атмосфере в основном солнечную радиацию поглощает водяной пар. В океанах эту роль выполняет жидкость (вода), на суше - горные породы и грунт. Большая часть радиации отражается в атмосферу от поверхности льда и снега.
Всю биосферу можно расценивать как единственное природное образование, поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит из одной формы в другую и рассеивается в виде тепла.
Основными преобразователями энергии в биосфере е живые организмы. Они превращают вольную лучистую энергию в химически связанную, которая затем переходит от одних биосферных структур к другим.
При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и теряется в окружающем пространстве. Растения и земная поверхность в среднем в год поглощают 5х106 кДж/м2 энергии. Эта величина различна на разных широтах. Эффективность переноса энергии в живом веществе довольно низкая. При ее переносе от продуцентов до консументов первого порядка она составляет всего 10%, а при переносе от консументов первого порядка до консументов второго порядка - 20%.
Итак, видно, что травоядные животные менее эффективно используют пищу, чем плотоядные. Это во многих случаях связано с химическим составом пищи. В растениях преобладают лигнин и целлюлоза и есть защитные вещества от фитофагов. Завершается поток энергии на редуценты, где энергия или же окончательно рассеивается в виде тепла, либо аккумулируется в мертвой органическом веществе (детрит). Одной из форм длительного сохранения аккумулированной энергии является нефть, уголь и торф.
Поток солнечной энергии, который поступает в биосферы, приводит в действие биохимический круговорот. Как отмечено, в отличие от круговоротов воды и других веществ, поток энергии движется в одном направлении. Если падающий поток солнечной энергии имеет радиальный (вертикальный) направление, то дальнейший его путь имеет преимущественно горизонтальный (латеральный) характер.
Большим энергетическим потенциалом отмечаются латеральные потоки воздушных масс (ветер), которые, проникая в лесные или луговые фитоценозы, расшатывают стволы и стебли, розворушують листовые пластинки или цветы, поднимают и переносят семена, охлаждают нагретый растительное среду, способствуя тем самым дальнейшей трансформации возбужденной механической энергии в тепловую или химическую. Латеральные снежные заносы способствуют накоплению влаги в полезащитных полосах и опушках лесных экосистем, что впоследствии повысит энергию биохимических процессов. Латеральные потоки энергии приливов способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов питания, перемещению корма и отходов. Человечество научилось использовать дополнительную энергию природы, создав современные технологии возобновляемой энергии.
Радиальные и латеральные потоки энергии могут возникать и в результате антропогенной деятельности. Прежде всего это радиальные потоки химических, металлургических, горноперерабатывающая предприятий и тепловых электростанций, которые выносят в атмосферу огромное количество токсичных выбросов.
Далее они уже латеральными воздушными потоками (часто трансконтинентальными) переносятся на большие расстояния и опять таки радиальными потоками опускаются на земную поверхность. Эти потоки механической энергии является транспортом для химической энергии, которая проявляет себя в биологических процессах конкретных наземных и водных биогеоценозов.
Крупные города и индустриальные центры являются мощными источниками латеральных тепловых потоков, которые перемещаются от ядра города к его окраинам. Часто вместе с тепловыми потоками перемещаются латераля поллютантов, в основном автотранспортные выбросы, а также пыль. В крупных городах наблюдается рассеивание тепловой энергии (энтропия), которая ведет к ксерофилизации атмосферного и грунтового воздуха и алкализации (ощелачивание) городских почв. Эти латеральные тепловые и поллютантов-загрязняющие потоки энергии меняют растительный и животный мир природных ландшафтов, создают новую живом веществе городов, которая пока слабо изучена. Антропогенная энергия (механическая, тепловая, химическая) может концентрироваться в отдельных природных экосистемах, повышая их производительность (агроэкосистемы), или же, при неумелом включении этой энергии в естественный поток, приводить к их деградации.
Учитывая, что энергия - общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем - как сконструированных человеком, так и природных, Ю. Одум (1986) предлагает принять энергию за основу для "первичной" классификации экосистем. Итак, по уровню поступления энергии в экосистеме их разделяют на четыре группы:
• природные, которыми движет Солнце;
• природные, которыми движут Солнце и другие природные источники;
• подвижные Солнцем и субсидируемые человеком;
• индустриально-городские, содержащихся топливом (добытым из полезных ископаемых, другими органическими или ядерными источниками).
Приведенные Ю. Одум примеры объясняют особенности функционирования этих систем, которые можно было бы отнести по иерархическому рангу к биогеоценотичних комплексов и даже биомов. В параметры биологической системы не укладывается индустриально-городская экосистема, которая является одной из разновидностей социально-экономических систем. Остановимся лишь на индустриально-городской экосистеме, которую Ю. Одум в одной работе называет "венцом" достижений человечества, в другой - его "опухолью". Города по мере роста цен на топливо, вероятно, станут больше интересоваться использованием солнечной энергии. Возможно, возникнет новый тип экосистемы города, какой будет двигать Солнце с вспомогательной энергией топлива.
Поток энергии на земном шаре имеет три источника:
кинетическая энергия оборота Земли и ее спутника Луны как космических тел. Она проявляется в морских приливах, энергия которых недоступна живым организмам, но может использоваться человеком;
энергия земных недр, которая поддерживается ядерным распадом урана и тория. Эта энергия выделяется в форме геотермического тепла. В вулканических районах она используется для отопления оранжерей и бассейнов;
солнечная энергия, на базе которой осуществляется жизнедеятельность в автотрофных организмов.
На Солнце энергия возникает в результате ядерных превращений. Главное из них - это превращение водорода в гелий через дейтерий. Лучистая энергия Солнца проявляется в амплитуде длины волн от 0,3 до 2,0 мкм. Доля ультрафиолетового излучения в ней невелика. Оно в основном задерживается озоновым экраном планеты. Приток энергии к наружной поверхности атмосферы планеты от Солнца сравнительно постоянный - это так называемая солнечная постоянная, равная 1,93 кал/см2 за 1 мин. Она отклоняется от среднего значения всего лишь на 0,1-0,2%. Но длительных наблюдений по величине солнечной постоянной пока не велось и ее многовековые тенденции не известны.
По неофициальным данным, специалисты считают, что в течение последнего миллиарда лет солнечная постоянная не менялась. Всего к Земле доходит 10,5 x10е кДж/м2 в год лучистой энергии. Но 40% сразу отражается в космическое пространство, а 15% поглощается атмосферой: превращается в тепло, либо расходуется на испарение воды. В атмосфере в основном солнечную радиацию поглощает водяной пар. В океанах эту роль выполняет жидкость (вода), на суше - горные породы и грунт. Большая часть радиации отражается в атмосферу от поверхности льда и снега.
Всю биосферу можно расценивать как единственное природное образование, поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит из одной формы в другую и рассеивается в виде тепла.
Основными преобразователями энергии в биосфере е живые организмы. Они превращают вольную лучистую энергию в химически связанную, которая затем переходит от одних биосферных структур к другим.
При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и теряется в окружающем пространстве. Растения и земная поверхность в среднем в год поглощают 5х106 кДж/м2 энергии. Эта величина различна на разных широтах. Эффективность переноса энергии в живом веществе довольно низкая. При ее переносе от продуцентов до консументов первого порядка она составляет всего 10%, а при переносе от консументов первого порядка до консументов второго порядка - 20%.
Итак, видно, что травоядные животные менее эффективно используют пищу, чем плотоядные. Это во многих случаях связано с химическим составом пищи. В растениях преобладают лигнин и целлюлоза и есть защитные вещества от фитофагов. Завершается поток энергии на редуценты, где энергия или же окончательно рассеивается в виде тепла, либо аккумулируется в мертвой органическом веществе (детрит). Одной из форм длительного сохранения аккумулированной энергии является нефть, уголь и торф.
Поток солнечной энергии, который поступает в биосферы, приводит в действие биохимический круговорот. Как отмечено, в отличие от круговоротов воды и других веществ, поток энергии движется в одном направлении. Если падающий поток солнечной энергии имеет радиальный (вертикальный) направление, то дальнейший его путь имеет преимущественно горизонтальный (латеральный) характер.
Большим энергетическим потенциалом отмечаются латеральные потоки воздушных масс (ветер), которые, проникая в лесные или луговые фитоценозы, расшатывают стволы и стебли, розворушують листовые пластинки или цветы, поднимают и переносят семена, охлаждают нагретый растительное среду, способствуя тем самым дальнейшей трансформации возбужденной механической энергии в тепловую или химическую. Латеральные снежные заносы способствуют накоплению влаги в полезащитных полосах и опушках лесных экосистем, что впоследствии повысит энергию биохимических процессов. Латеральные потоки энергии приливов способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов питания, перемещению корма и отходов. Человечество научилось использовать дополнительную энергию природы, создав современные технологии возобновляемой энергии.
Радиальные и латеральные потоки энергии могут возникать и в результате антропогенной деятельности. Прежде всего это радиальные потоки химических, металлургических, горноперерабатывающая предприятий и тепловых электростанций, которые выносят в атмосферу огромное количество токсичных выбросов.
Далее они уже латеральными воздушными потоками (часто трансконтинентальными) переносятся на большие расстояния и опять таки радиальными потоками опускаются на земную поверхность. Эти потоки механической энергии является транспортом для химической энергии, которая проявляет себя в биологических процессах конкретных наземных и водных биогеоценозов.
Крупные города и индустриальные центры являются мощными источниками латеральных тепловых потоков, которые перемещаются от ядра города к его окраинам. Часто вместе с тепловыми потоками перемещаются латераля поллютантов, в основном автотранспортные выбросы, а также пыль. В крупных городах наблюдается рассеивание тепловой энергии (энтропия), которая ведет к ксерофилизации атмосферного и грунтового воздуха и алкализации (ощелачивание) городских почв. Эти латеральные тепловые и поллютантов-загрязняющие потоки энергии меняют растительный и животный мир природных ландшафтов, создают новую живом веществе городов, которая пока слабо изучена. Антропогенная энергия (механическая, тепловая, химическая) может концентрироваться в отдельных природных экосистемах, повышая их производительность (агроэкосистемы), или же, при неумелом включении этой энергии в естественный поток, приводить к их деградации.
Учитывая, что энергия - общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем - как сконструированных человеком, так и природных, Ю. Одум (1986) предлагает принять энергию за основу для "первичной" классификации экосистем. Итак, по уровню поступления энергии в экосистеме их разделяют на четыре группы:
• природные, которыми движет Солнце;
• природные, которыми движут Солнце и другие природные источники;
• подвижные Солнцем и субсидируемые человеком;
• индустриально-городские, содержащихся топливом (добытым из полезных ископаемых, другими органическими или ядерными источниками).
Приведенные Ю. Одум примеры объясняют особенности функционирования этих систем, которые можно было бы отнести по иерархическому рангу к биогеоценотичних комплексов и даже биомов. В параметры биологической системы не укладывается индустриально-городская экосистема, которая является одной из разновидностей социально-экономических систем. Остановимся лишь на индустриально-городской экосистеме, которую Ю. Одум в одной работе называет "венцом" достижений человечества, в другой - его "опухолью". Города по мере роста цен на топливо, вероятно, станут больше интересоваться использованием солнечной энергии. Возможно, возникнет новый тип экосистемы города, какой будет двигать Солнце с вспомогательной энергией топлива.
