Энергетические характеристики среды

Энергетические характеристики среды: Определения Организмы, живущие на земной поверхности или вблизи

Энергетические характеристики среды

  Определения
Организмы, живущие на земной поверхности или вблизи нее, подвергаются воздействию потока энергии, состоящего из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от близлежащих тел.

Оба эти фактора определяют климатические уело- вин среды (температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и воды), но лишь малая часть солнечного излучения используется в фотосинтезе, обеспечивающем энергией живые компоненты экосистемы.

На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал-см-2 «мин-1 (так называемая солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он экспоненциально ослабляется; в ясный летний полдень до поверхности Земли может дойти не более 67% его энергии, т. е. 1,34 кал • см-2 ¦ мин-1 (Gates, 1965).

Проходя через облачный покров, воду и растительность, солнечный свет еще больше ослабляется, и в нем значительно изменяется распределение энергии по разным участкам спектра. Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день обычно варьирует от 100 до 800 кал «см-2, в среднем составляя около 300—400 кал*см~2 (3000— 4000 ккал*м~2).

Эти данные относятся к умеренной зоне, в том числе к США (Reifsnyder, Lull, 1965). Суточный поток тепловой энергии в экосистеме (или поток, полученный за сутки организмами, на которые падает солнечный свет) может быть в несколько раз больше или же значительно меньше притока солнечного излучения.

Изменения общего потока излучения в разных ярусах экосистемы, а также его колебания в зависимости от сезона и местоположения экосистемы на земном шаре весьма значительны и распределение отдельных организмов связано с этими изменениями. Объяснения На рис. 3.

2 спектр солнечного излучения, не искаженного земной: атмосферой, поступающего с постоянной скоростью 2 кал на I см2 в I мин (±3,5%), сравнивается со спектрами I) солнечного- излучения, действительно достигающего уровня моря в ясный день, 2) света, прошедшего через сплошную облачность, и 3) света, прошедшего через растительный полог.

Каждая кривая — это» энергия, падающая на горизонтальную поверхность. В холмистых или гористых местностях южные склоны получают больше, а северные — значительно меньше солнечного излучения, чем получала бы горизонтальная поверхность; это обусловливает значительные различия в местных климатах (микроклиматах) и растительности.

Проходя через атмосферу, излучение экспоненциально ослабляется атмосферными газами и пылью. Степень этого ослабления: зависит от длины волны (частоты) света. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм почти не проходит через озоновый слой, имеющийся в атмосфере на высоте около 25 км,, и это очень удачно, поскольку такое излучение летально для незащищенной протоплазмы.

Излучение в оптической области
Рис. 3.2. Спектры не измененного атмосферой солнечного излучения (I; 2,00 кал-см~2-мин-1), солнечного излучения на уровне моря в ясный день (II: 1.34 кал-см_2-мин_1), солнечного света, прошедшего через сплошную облачность (III), солнечного света, прошедшего через dojioi растительности (IV)1 и света чистого голубого неба (V). (Gates, 1965.

) (видимый свет) ослабляется равномерно, а инфракрасное излучение поглощается в атмосфере неодинаково в зависимости от длины волны. Лучистая энергия, достигающая земной поверхности в ясный день, состоит примерно на 10% из ультрафиолетового излучения, на 43% —из видимого света и на 45% —из инфракрасного излучения (Reifsnyder, Lull, 1965).

Меньше всего при прохождении через плотные облака и воду ослабляется видимый свет. Следовательно, фотосинтез (нуждающийся именно в видимом свете) может идти и в пасмурные дни, и под слоем чистой воды некоторой толщины.

Растительность сильно поглощает си- зие и красные лучи, а также дальнее инфракрасное излучение; зеленый свет поглощается не так сильно, ближнее инфракрасное излучение — очень слабо.

Так как зеленые лучи и ближнее инфракрасное излучение отражаются растительностью, эти области спектра используются при дистанционных измерениях и фотографировании с самолетов и спутников для выявления распреде- 8 Заказ M 1383 ления растительности в природе, состояния сельскохозяйственных культур, для обнаружения заболевших растений и т. д.

Тенистая прохлада создается в лесу благодаря тому, что листва над головой поглощает много видимого и дальнего инфракрасного излучения. Синий и красный свет (0,4-0,5 и 0,6-0,7 мкм соответственно) поглощаются особенно сильно хлорофиллом, а энергия дальнего инфракрасного излучения — водой, содержащейся в листьях, и окружающими их водяными парами.

Таким образом, зеленые растения эффективно поглощают синий и красный свет, наиболее важный для фотосинтеза. Как бы отбрасывая ближнее инфракрасное излучение, несущее основную часть солнечной тепловой энергии, листья наземных растений избегают опасного перегрева. Кроме того, листья охлаждаются за счет испарения, а водные растения, разумеется, охлаждаются водой.

Свет как лимитирующий и контролирующий фактор рассматривается в гл. 5. Другой энергетический компонент среды обитания — тепловое излучение. Оно исходит от всех поверхностей и тел, температура которых выше абсолютного нуля. Это не только почва, вода и растения, но и облака, излучающие вниз, на экосистемы, значительные количества тепловой энергии.

Например, зимняя облачная ночь нередко оказывается теплее безоблачной. «Парниковый эффект» переизлучения и задержки тепла, о котором уже было упомянуто, будет рассмотрен в гл. 4 в связи с вопросом о влиянии СО2 на климат.

Потоки длинноволнового излучения, разумеется, распространяются беспрестанно и во всех направлениях, а солнечный компонент имеет четкую направленность и поступает только днем.

Следовательно, количество тепловой энергии, получаемой со всех сторон за сутки летом животным на открытом пространстве или листом растения, может в несколько раз превышать направленное прямо вниз излучение Солнца [в случае, рассмотренном Гейтсом (Gates, 1963), это соответственно 1660 и 670 кал-см~2].

Кроме того, тепловая энергия поглощается биомассой полнее, чем солнечное излучение. Большое экологическое значение имеют суточные колебания.

В таких биотопах, как пустыни или высокогорные тундры, дневной поток энергии во много раз больше ночного, а в глубоководных зонах океана, в глубине тропического леса (и, конечно, в пещерах) общий поток излучения может на протяжении суток оставаться практически постоянным. Таким образом, масса воды и биомасса леса сглаживают колебания энергетических характеристик среды и этим делают условия менее стрессовыми для живого — еще один пример смягчения действия вредных факторов на уровне экосистемы (см. гл. 2, разд. 4). Условия существования организмов определяются общим потоком излучения, но для продуктивности экосистемы и для кру говорота биогенных элементов в ней важнее всего суммарное прямое солнечное излучение, попадающее на автотрофный ярус экосистемы, т. е. солнечная энергия, получаемая зелеными растениями за недели, месяцы, за весь год. Этот приток первичной энергии приводит в действие все биологические системы. В табл. 3.2 указаны средние дневные количества солнечного излучения, получаемого пятью географическими областями США. Как явствует из сравнения влажного Юго-Востока с аридным Юго- Западом, количество излучения зависит, кроме широты местности и времени года, от облачного покрова. В диапазон от 100 до 800 кал-см~2 в сутки, очевидно, уложатся почти все районы земного шара в любой сезон, кроме полярных и сухих тропических областей, где биологическая продуктивность все равно сильно ограничена жесткими условиями среды. Итак, большая часть биосферы получает ежедневно около 3000—-4000 ккал*м~2*сут“[ или 1,1 —1,5 млн. ккал*м~2 в год. Судьба этого годичного притока солнечного излучения показана в табл. 3.3, где приведены количества энергии (выраженные в процентах), рассеиваемой в основных процессах. Особенно важна так называемая чистая радиация на поверх- Таблица 3.2. Солнечное излучение на единицу горизонтальной поверхности в различных районах США. (По Reifsnyder, Lull, 1965.) Солнечное излучение в среднем з:а I сут, кал-см-2

Северо- Восток Юго- Восток Средний Запад Северо- Запад Юго- Запад
Январь1252С0200 />150275
Февраль225275275225375
Март300350375350500
Апрель Май350475450475600
450550525550675
Июнь525550575500700
Июль525550600650700
Август450500525550600
Сентябрь350425425450550
Октябрь250425325275400
Ноябрь125250225175300
Декабрь125200175125250s
Среднее, кал*см-2 в сут317
ки388390381494
Среднее, ккал-см-2 в сутки (округлено)32003900390038004900
Рассчитанное значение, IO6 ккал-м-2 в год (округлено)1,171,421,421,391,79

Таблица 3.3. Рассеяние энергии солнечного излучения (в % от годового поступления в бЕшеферу). (По Hulbert, 1971.)

0O
Отражается30
Прямо превращается в тепло46
Испарение, осадки23
Beri p7 волны, течения0,2
Фотосинтез0.8

Энергия приливов — около 0.0017% солнечной энергии. Тепло Земли — около 0,5% солнечной энергии. яости Земли — «разность между суммарным потоком излучения сверху и суммарным потоком излучения снизу» (Gates, 1962). Между 40° северной и 40° южной широты годовая чистая радиация над океанами составляет I млн. ккал-м-2 в год, а над континентами— 0,6 млн-ккал*м~2 в год (Будыко, 1955). Это огромное количество энергии расходуется на испарение воды, образование тепловых потоков воздуха (два основных движимых солнечной энергией процесса, требующих больших затрат энергии) и в конце концов рассеивается в форме тепла в мировое пространство, так что Земля в целом может оставаться в состоянии приблизительного энергетического равновесия. Уже говорилось о том, что роль энергии, идущей на испарение воды в наземных и водных экосистемах, различна (см. с. 77). Мы также отмечали, что любой фактор, замедляющий выход этой энергии в космос, должен приводить к повышению температуры в биосфере. Солнечный компонент излучения обычно измеряют пир гелиометрами или соляриметрамщ в них используется термопара, спай двух: металлов, который под действием световой энергии генерирует электрический ток, пропорциональный поступающей энергии. Инструменты для измерения общего потока энергии всех длин волн называются радиометрами. Радиометр для измерения чистой радиации имеет две поверхности (одна направлена вверх, другая — вниз) и записывает разность потоков энергии. Самолеты и спутники, снабженные сканирующими тепловыми датчиками, могут количественно определять тепло, поднимающееся от поверхности Земли. Изображения, полученные этим методом, показывают города в виде «тепловых островов», отмечают местоположение водоемов, участков с различными микроклиматами (например, северных и южных склонов) и выявляют многие другие важные энергетические особенности среды. Облачный покров служит менее значительной помехой при этом способе дистанционных измерений, чем при получении изображений в видимом диапазоне спектра. Наконец, следует отметить, что нельзя путать единицы лучистой энергии, а именно кал*см-2 (эта единица еще называется лэнгли) и ккал*м~~2, с единицами освещенности, фут-канделой (I фут-кандела—I люмен на I фут2) и люксом (I люкс—I люмен *м-2~ОД фут-кандела), которые относятся только к видимому спектру. Поступление лучистой энергии нельзя точно перевести в единицу освещенности, поскольку яркость разных Згчастков спектра неодинакова, однако можно считать, что горизонтальная поверхность с освещенностью в I фут-канделу получает примерно 6700 кал-см-2 лучистой энергии в I мин (Reifsnvder, Lull, 1065). Судьба солнечной энергии, поступающей в биосферу, кратко рассмотрена в табл. 3.3. Хотя всего лишь около 1% энергии переходит в пищу и другую биомассу, те примерно 70%, которые преобразуются в тепло, уходят на испарение, осадки, ветер и т. д., ее теряются зря, так как эта энергия поддерживает температуру и приводит в действие системы погоды и круговорот воды, необходимые для жизни на Земле (см. гл. 4 и 5). Энергия приливов и внутреннего тепла Земли в отдельных районах может быть полезной людям, однако глобальные доступные запасы этих видов энергии невелики. Глубокие недра Земли заключают очень много тепловой энергии (так называемая геотермальная энергия), но, чтобы извлечь ее в большинстве районов мира, потребовалось бы очень энергоемкое глубинное бурение.

Для эколога интересны прекрасные сводки Гейтса по энергетическим характеристикам нашей среды обитания (Gates, 1962, 1963, 1965, 1965а, 1971, 1980). 

Источник: Одум Ю.. Экология: В 2-х т. Т. I. 1986

Источник: https://bookucheba.com/uchebniki-ekologii_1295/energeticheskie-harakteristiki-sredyi-47595.html

Энергетические характеристики среды

Энергетические характеристики среды

Для описания “поведения” энергии в экосистемах подходит понятие “поток энергии”, поскольку в отличие от циклического движения веществ превращения энергии идут в одном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и утрачивается для экосистемы. Энергия может накапливаться, сберегаться (т.е.

преобразовываться в более эффективные формы) и передаваться из одной части системы в другую, но она не может быть снова пущена в дело, как вода и минеральные вещества. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны. Каждый живой компонент, будь это организм или экосистема, должен получить от своей среды на входе постоянный приток энергии.

Основной источник практически всей энергии на Земле – Солнце. На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал·см-2·мин-1. Проходя через атмосферу, излучение экспоненциально ослабляется атмосферными газами и пылью и в ясный летний полдень до поверхности Земли может дойти не более 67 % его энергии. Степень этого ослабления зависит от длины волны (частоты) света.

Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 300 нм, почти не проходит через озоновый слой, имеющийся в атмосфере на высоте около 25 км, и это очень удачно, поскольку такое излучение летально для незащищенной протоплазмы. Излучение в оптической области (видимый свет) ослабляется равномерно, а инфракрасное излучение поглощается в атмосфере неодинаково в зависимости от длины волны.

Лучистая энергия, достигающая земной поверхности в ясный день, состоит примерно на 10 % из ультрафиолетового излучения, на 45 % – из видимого света и на 45 % – из инфракрасного. Меньше всего при прохождении через плотные облака и воду ослабляется видимый свет.

Следовательно, фотосинтез, нуждающийся именно в видимом свате, может идти и в пасмурные дни, и под слоем чистой воды некоторой толщины (10-20 м). Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день обычно варьирует от 100 до 800 кал·см-2, в среднем составляя около 300 – 400 кал·см-2 (3000 – 4000 ккал·м-2) или 1,1 – 1,5 млн.

ккал·м-2·год-1 Растительность сильно поглощает синие и красные лучи, а также дальнее инфракрасное излучение; зеленый свет поглощается не так сильно (мы видим в отраженном свете, поэтому растительность для нас преимущественно зеленых оттенков); ближнее инфракрасное излучение – очень слабо.

Тенистая прохлада создается в лесу благодаря тому, что листва поглощает много видимого и дальнего инфракрасного излучения. Синий и красный свет (400-500 и 600-700 нм соответственно) поглощаются особенно сильно хлорофиллом, а энергия дальнего инфракрасного излучения – водой, содержащейся в листьях, и окружающими их водяными парами.

Таким образом, зеленые растения эффективно поглощают синий и красный свет, наиболее важный для фотосинтеза. Как бы отбрасывая ближнее ИК-излучение, несущее основную часть солнечной тепловой энергии, листья наземных растений избегают опасного перегрева. Кроме того, листья охлаждаются за счет испарения, а водные растения, разумеется, охлаждаются водой.

Таблица 1.

Рассеяние энергии солнечного излучения ( в % от годового поступления в биосферу). (По Hulbert, 1971.)

%
Отражрается Прямо превращается в тепло Испарение, осадки Ветер, волны, течения Фотосинтез 0,2 0,8
Энергия приливов – около 0,0017% солнечной энергии. Тепло Земли – около 0,5% солнечной энергии.

Судьба солнечной энергии, поступающей в биосферу, кратко рассмотрена в табл. 1. Хотя всего лишь около 1 % энергии переходит в пищу и другую биомассу, те примерно 70 %, которые преобразуются в тепло, уходят на испарение, осадки, ветер и т.д., не теряются зря, т.к. эта энергия поддерживает температуру и приводит к действие системы погоды и круговорот воды, необходимые для жизни на Земле.

Другой энергетический компонент среды обитания – тепловое излучение. Оно исходит от всех поверхностей и тел, температура которых выше абсолютного нуля. Это не только почва, вода и растения, но и облака, излучающие вниз, на экосистемы, значительные количества тепловой энергии.

Потоки длинноволнового излучения, разумеется, распространяются беспрестанно и во всех направлениях, а солнечный компонент (прямая солнечная радиация) имеет четкую направленность и поступает только днем.

Следовательно, количество тепловой энергии, получаемой со всех сторон за сутки летом животным на открытом пространстве или листом растения, может в несколько раз превышать направленное прямо вниз излучение Солнца. Кроме того, тепловая энергия поглоща­ется биомассой полнее, чем солнечное излучение.

Условия существования организмов (температура, скорость испарения воды, движения воздуха и воды) определяются общим потоком излучения, но для продуктивности экосистемы и для круговорота биогенных элементов в ней важнее суммарное прямое солнечное излучение, попадающее на автотрофный ярус экосистемы, т.е. солнечная энергия, получаемая зелеными растениями за недели, месяцы, весь год. Этот приток первичной энергии приводит в действие все биологические системы. Итак, мы подошли к концепции продуктивности.

Лекция 4.

Энергия и продуктивность.

1. Концепция продуктивности.

2. Энергетическая классификация систем.

3. Концепция градиента от субсидии до стресса.

Концепция продуктивности

Первичная продуктивность экологической системы, сообщества или любой их части определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами (главным образом зелеными растениями) в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.

В процессе производства органического вещества следует выделить четыре последовательных уровня, или ступени.

1. Валовая первичная продуктивность – это общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были израсходованы на дыхание (“валовый фотосинтез”, “общая ассимиляция”).

2. Чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период (“наблюдаемый фотосинтез”, “чистая ассимиляция”).

3. Чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (т.е. чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за учетный период.

4. Вторичная продуктивность – скорость накопления энергии на уровнях консументов.

Высокие скорости продуцирования наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где физические факторы благоприятны, и особенно при поступлении дополнительной энергии извне, уменьшающем собственные затраты на поддержание жизнедеятельности.

Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: в тропическом дождевом лесу – в форме работы ветра и дождя, в эстуарии – в форме энергии прилива, на возделываемом поле – в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным.

Оценивая продуктивность экосистемы, необходимо учитывать как утечки энергии, связанные со сбором урожая, загрязнением среды, неблагоприятными климатическими условиями и другими типами стрессовых воздействий, способствующих отведению энергии от процесса продукции, так и поступления энергии, которые увеличивают продуктивность, компенсируя потери тепла при дыхании (при “откачивании неупорядоченности”) необходимые для поддержания биологической структуры.

Всякий источник энергии, уменьшающий затраты на самоподдержание экосистемы и увеличивающий ту долю энергии, которая может перейти в продукцию, называется вспомогательным потоком энергии или энергетической субсидией.

Энергетическая классификация систем .

Источник и качество доступной энергии в той или иной степени определяют видовой состав и численность организмов, характер функциональных процессов, протекающих в экосистеме, и процессов ее развития, а также образ жизни человека.

Энергия – общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем, как сконструированных человеком, так и природных, следовательно, логично принять энергию за основу для “первичной классификации экосистем.

Удобно выделить на этой основе четыре фундаментальных типа экосистем.

1. природные, движимые Солнцем, несубсидируемые;

2. природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками энергии;

3. движимые Солнцем и субсидируемые человеком;

4. индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным).

Энергетическая классификация основана на свойствах среды на входе, она коренным образом отличается от биомной классификации, основанной на внутренней структуре экосистем, но вместе с тем и дополняет ее.

Природные системы, в основном или полностью зависящие от прямого солнечного излучения, можно назвать движимыми Солнцем несубсидируемыми экосистемами. Они совсем или почти не получают дополнительной энергии, помимо солнечного света.

К числу таких экосистем можно отнести открытие океаны, крупные участки горных лесов, грасленды и большие глубокие озера. Часто на них накладываются и другие ограничения, например, нехватка элементов питания и воды.

Поэтому хотя экосистемы этой обширной группы весьма различны, все они получают мало энергии (от 1000 – 10000 ккал·м-2·год-1) и имеют низкую продуктивность или способность выполнять работу.

Организмы, живущие в таких системах, выработали замечательные адаптации к существованию на скудном пайке энергии и других ресурсов и к эффективному их использованию.

Хотя мощность природных экосистем, относящихся к первой категории, не очень впечатляет, и они не способны поддерживать высокую плотность населения, тем не менее такие экосистемы крайне важны, так как занимают огромные площади (одни лишь океаны – до 70 % площади земного шара).

Весь комплекс движимых Солнцем природных экосистем крайне важен для человека, это по сути дела основной “модуль жизнеобеспечения”, гомеостат, стабилизирующий и поддерживающий условия на “космическом корабле”, имя которому Земля; именно здесь ежедневно очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот вода, формируются климатические условия, измеряются крайности погоды и выполняется множество других полезных функций.

Если помимо солнечного света могут быть использованы какие-то дополнительные источники энергии, плотность мощности может быть значительно повышена, порой даже на порядок величины (10000 – 40000 ккал·м-2·год-1).

В этом случае несолнечная энергия частично заменяет солнечную, сокращая расходы на самоподдержание системы и высвобождает солнечную энергию на производство органических веществ. Источники дополнительной энергии могут быть как естественными, так и искусственными.

Для простоты классификации выделены категории: движимые Солнцем экосистемы с естественными и с искусственными энергетическими субсидиями.

Вспомогательная энергия, увеличивающая продуктивность, может поступать в самых разнообразных формах, например, в тропическом дождевом лесу – в форме ветра и дождя, в небольшом озере – в форме потока воды из ручья, или поступающих с площади водосбора органических веществ и минеральных элементов.

Прибрежная часть эстуария – хороший пример природной экосистемы с дополнительной энергией приливов, прибоя и течений.

Поскольку приливы и течения воды способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов питания и перемещению пищи и отходов, организмы в эстуарии могут, так сказать, сконцентрировать свои усилия на более эффективном превращении энергии Солнца в органическое вещество.

Человек также давно научился изменять природу и использовать вспомогательные источники энергии для получения прямой выгоды, а его умение не только увеличивать продуктивность, но и направлять эту продуктивность на производство пищевых и волокнистых материалов, легко собираемых, перерабатываемых и используемых, постоянно растет.

Наземные и водные агроэкосистемы – основные примеры систем движимых Солнцем и субсидируемых человеком. Высокая продуктивность поддерживается большими поступлениями энергии топлива (а при более примитивных системах сельского хозяйства – мышечных усилий человека и животных).

Эта энергия тратится на возделывание, орошение и удобрение, селекцию и борьбу с вредителями. Самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне самых продуктивных природных экосистем: по-видимому, верхний предел для любой постоянной, длительно функционирующей системы, основанной на фотосинтезе, составляет примерно 50000 ккал·м-2·год-1.

Действительное различие между природными и искусственными экосистемами состоит лишь в распределении этого потока энергии.

Человек старается направить как можно больше энергии на производство продуктов питания, которые он может немедленно использовать, а природа обычно распределяет продукты фотосинтеза между многими видами и веществами и накапливает энергию “на черный день”, это, так называемая, стратегия повышения разнообразия в целях выживания.

В экосистеме, движимой топливом высококонцентрированная потенциальная энергия топлива не просто дополняет, а заменяет солнечную энергию.

При современных методах ведения городского хозяйства солнечная энергия в самом городе не только не используется, но становится дорогостоящей помехой, так как она нагревает бетон и способствует образованию смога.

Важное свойство экосистем, движимых горючим – огромная потребность в энергии плотно населенных индустриально-городских районов, она по меньшей мере на 2-3 порядка больше того потока энергии, который поддерживает жизнь в естественных условиях.

Килокалории энергии, ежегодно протекающие через квадратный метр индустриального города, исчисляется уже не тысячами, а миллионами ( 100000 – 3000000 ккал·м-2·год-1). Вот почему множество людей могут жить на небольшой территории.

Рассматривая общую концепцию энергетических субсидий надо сделать еще одно замечание, фактор, который при одних условиях среды или при одном уровне поступлений увеличивает продуктивность, при других условиях среды или другом уровне поступлений может способствовать утечкам энергии, уменьшая продуктивность. Слишком много хорошего также вредит системе, как и слишком мало. Например, некоторые виды загрязнений – обработанные сточные воды, могут в зависимости от объема и периодичности сброса оказаться либо благоприятным фактором, либо источником стресса. Если обработанные сточные воды попадают в экосистему с постоянной умеренной скоростью, то они, доставляя в систему микроэлементы, могут способствовать повышению продуктивности, однако массовый их сброс через нерегулярные промежутки времени может почти полностью уничтожить систему как биологическую единицу.

Просмотров 1119 Эта страница нарушает авторские права

Источник: https://allrefrs.ru/1-49922.html

Энергетическая характеристика среды

Энергетические характеристики среды

Организмы, которые функционируют на поверхности Земли или вблизи нее, получают энергию от солнечного излучения и длинноволновое тепловое излучение – от близлежащих тел.

Оба эти фактора определяют совокупность климатических условий: температуру, скорость испарения воды, движение воздушных масс и т.д. Малая часть энергии используется в фотосинтезе, обеспечивающем живые компоненты экосистемы.

Солнечный свет падает на нашу планету из космоса с энергией 1,98 кал/кв.см. в минуту (солнечная постоянная), а при прохождении через атмосферу ослабляется.

В ясный летний полдень до поверхности Земли доходит не более 67% энергии света, а при прохождении через облака, воду и растительность она уменьшается в еще большей степени. Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день составляет от 100 до 800 ккал/ кв.см., в среднем 300-400 ккал/кв.см.

Энергия общего потока излучения в разных ярусах экосистемы в зависимости от сезона года, а также ее местоположение на земном шаре подвержена значительным колебаниям.

Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется атмосферными газами и пылью, причем степень ослабления зависит от длины волны света. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм почти не проходит через озоновый слой, который находится на высоте 15-25 км.

От этого слоя зависит жизнь на нашей планете, так как ультрафиолетовое излучение оказывает губительное действие на живые организмы.

Излучение оптической области (видимый свет) ослабляется постепенно; инфракрасное излучение поглощается в атмосфере неодинаково – в зависимости от длины волны.

Лучистая энергия, которая достигает поверхности Земли в ясный день, состоит примерно на 10 % из ультрафиолетового излучения, на 45% из видимого света и на 45% – из инфракрасного излучения (Reifscnyder.

Lull, 1965). Менее всего при прохождении через атмосферу и воду ослабляется видимый свет, который принимает непосредственное участие в процессе фотосинтеза.

Он называется фотосинтетически активной радиацией ( ФАР).

Важное значение для всего живого на Земле имеет тепловое излучение (кроме лучистой энергии). Тепло излучают все поверхности и тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля. (Следует отметить, что тепловое излучение свойственно не только отдельным элементам экосистемы – почве, растениям, воде и т.д.

, но и облакам, которые привносят дополнительное количество энергии на поверхность Земли.) Тепло распространяется беспрепятственно и во всех направлениях, лучистая же энергия имеет четкую направленность и поступает только днем. Поэтому количество тепловой энергии, которую получают растения, может в несколько раз превышать направленное излучение Солнца.

Необходимо также учесть, что тепловая энергия поглощается более полно, чем солнечное излучение.

Большое значение для существования организмов и эффективного использования окружающей среды имеет их приспособляемость к суточным колебаниям температуры, которые в большей мере зависят от количества воды и наличия растительности.

Например, в пустынях дневной поток энергии во много раз превышает ночной, а в глубоководных зонах океана или в глубине тропического леса он в течение суток практически не изменяется.

Следовательно, масса воды и биомасса леса сглаживают колебания энергетических характеристик, чем оберегают живые организмы от стрессов.

В экосистемах условия существования организмов определяются общим потоком излучения.

Однако для продуктивности экосистемы и для круговорота биогенных элементов более важное значение имеет суммарное прямое солнечное излучение, то есть солнечная энергия, которую зеленые растения получают за единицу времени.

Этот поток первичной энергии приводит в действие все биологические системы. Большая часть биосферы постоянно получает энергию, равную 300-400 ккал/кв.м в сутки, или 1,1 – 1,5 млн ккал/кв.м в год (табл.2.2).

Таблица 2.2.

Рассеивание энергии солнечного излучения (по Ю.Одуму, 1975)

Статьи расхода энергии Процент от годового поступления в биосферу

Отражение 30,0

Прямое превращение в тепло 46,0

Испарение, осадки 23,0

Ветер, волны, течения 0,2

Фотосинтез 0,8

Энергия приливов составляет около 0,0017% солнечной энергии, тепло Земли – около 0,5%.

Особенно важное значение имеет так называемая чистая радиация на поверхности Земли – разность между суммарным потоком лучистой энергии и отраженной поверхностью Земли. Годовая чистая радиация между 40’ северной широты и 40’ южной широты составляет над океанами 1млн ккал/кв.м в год, а над континентами – 0,6 млн ккал/кв.м в год.

Такое огромное количество энергии расходуется на испарение воды, образование тепловых потоков воздуха и рассеивается в виде тепла в мировое пространство. Можно сказать, что в целом Земля находится в состоянии приблизительного энергетического равновесия.

Поэтому любой процесс, замедляющий выход световой энергии в космос, приводит к повышению температуры в биосфере.

Из всего количества солнечной энергии, поступающей в биосферу, примерно 70% преобразуется в тепло и затрачивается на испарение и другие процессы и только около 1% переходит непосредственно в пищу и другую биомассу.

Не следует считать, что большая часть энергии теряется зря: она поддерживает определенные температурные условия на нашей планете, приводит в действие системы погоды и круговорот воды, необходимые для жизни. Энергия приливов и внутреннего тепла Земли в отдельных регионах может быть полезна, однако в тепловом балансе она невелика.

Много тепловой энергии сосредоточено глубоко в недрах Земли, но она почти недоступна и потому практически не используется.

Пищевые цепи

Пищевая цепь – перенос энергии от ее источника (автотрофы или растения) через ряд организмов путем поедания одних другими. Пищевые цепи можно разделить на два основных вида.

Пастбищная пищевая цепь начинается с зеленого растения и тянется к пасущимся растительноядным животным и хищникам. В такой цепи при переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.

Детритная цепь – перенос энергии от мертвого органического вещества к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.

В экосистемах пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены, образуя пищевые сети. В сложных природных сообществах организмы, получающие энергию от Солнца через одинаковое число ступенек, относятся к одному и тому же трофическому уровню.

Например, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – второй уровень (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных – третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов).

Популяции одного и того же вида могут занимать один или несколько трофических уровней в зависимости от источников, которые они используют. Например, человек использует в пищу мясо животных, которые едят траву, улавливающую энергию Солнца. В этом случае – вторичный консумент на третьем трофическом уровне.

Пищевая цепь может быть и более короткой, если человек питается исключительно растительной пищей. В случае смешанного питания (смесь растительной и животной пищи) он одновременно является первичным и вторичным консументом.

При таком типе питания поток энергии разделяется между двумя или несколькими трофическими уровнями в пропорции, соответствующей долям растительной и животной пище в рационе.

При каждом переносе энергии в жизненной цепи значительная ее часть теряется, следовательно, число консументов, которые могут прожить при данном выходе первичной продукции, зависит от длины цепи.

Просмотров 1178 Эта страница нарушает авторские права

Источник: https://allrefrs.ru/1-19836.html

Энергия в экосистемах, основные энергетические характеристики среды

Энергетические характеристики среды

Определения

Организмы, живущие на земле, подвергаются воздействию потока энергии, состоящего из солнеч­ного излучения и теплового излучения от близ­лежащих тел.

Оба эти фактора определяют климатические уеловия среды (температуру, скорость испарения воды, движения воз­духа и воды), но малая часть солнечного излучения используется в фотосинтезе, обеспечивающем энергией живые компоненты экосистемы. Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день составляет от 100 до 800 кал см-2.

Суточный поток тепловой энергии в экосистеме может быть в несколь­ко раз больше или меньше притока солнечного излучения. В холмистых или гористых местностях южные склоны получают больше, а се­верные — меньше солнечного излучения, чем полу­чала бы горизонтальная поверхность. Проходя через атмосферу, излучение ослаб­ляется атмосферными газами и пылью.

Степень этого ослабления* зависит от длины волны света. Ультрафиолетовое излучение почти не проходит через озоновый слой. Лучистая энергия, достигающая земной поверхно­сти, состоит на 10% из ультрафиолетового излучения, на 45% —из видимого света и на 45% —из инфра­красного излучения.

Растительность сильно поглощает си­ние и красные лучи, дальнее инфракрасное излучение; зеленый свет поглощается не так сильно, ближнее инфракрасное излучение — слабо. Тенистая прохлада создается в лесу благодаря тому, что лист­ва над головой поглощает много видимого и дальнего инфракрас­ного излучения.

Синий и красный свет поглощаются особенно сильно хлорофиллом, аэнергия дальнего инфракрасного излучения — водой, содержа­щейся в листьях. Другой энергетический компонент среды обитания — тепловое излучение. Оно исходит от всех поверхностей и тел, температура которых выше абсолютного нуля (почва, вода, растения, облака).

Потоки длинноволнового излучения распространяются во всех направлениях, а сол­нечный компонент имеет четкую направленность и поступает только днем. Тепловая энергия поглощается био­массой полнее, чем солнечное излучение. Большое экологическое значение имеют суточные колебания.

В пус­тынях, высокогорных тундрах, дневной поток энергии во много раз больше ночного, а в глубоководных зонах океана, в глубине тропического леса общий поток излуче­ния может на протяжении суток оставаться практически посто­янным.

Условия существования организмов определяются общим по­током излучения, но для продуктивности экосистемы в ней важнее всего суммарное прямое солнечное излучение, попадающее на автотрофный ярус экосистемы. Особенно важна чистая радиация на поверхности Земли — разность между суммарным потоком излучения сверху и суммарным потоком излучения снизу. Огром­ное количество энергии расходуется на испарение воды, образо­вание тепловых потоков воздуха и рассеивается в форме тепла в мировое пространство. Солнечный компонент излучения измеряют соляриметрами. Инструменты для измерения

общего потока энергии всех длин волн называются радиометрами.

Пищевые цепи и трофические уровни, экологические пирамиды.

Определения

Перенос энергии пищи от ее источника—автотрофов (растений) — через ряд организмов, происходящий путем поедания одних орга­низмов другими, называется пищевой цепью. При каждом очеред­ном переносе большая часть (80—90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.

Чем короче пищевая цепь, тем больше количество энер­гии, доступной для популяции.

Пищевые цепи можно разделить на два типа: пастбищная цепь, которая начинается с зеленого растения и идет далее к растительноядным животным и к хищникам, и детритная цепь, которая от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.

Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые сети.

Зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные — второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие тра­воядных,— третий (уровень вторичных консументов), а вторич­ные хищники — четвертый (уровень третичных консументов). Эта трофическая классификация относится к функциям, а не к видам. Популяция данного вида может занимать один или несколько трофических уровней. Поток энергии через трофический уро­вень равен общей ассимиляции (А) на этом уровне, которая равна продукции (Р) биомассы плюс дыхание (R).

Рас­тение фиксирует малую долю поступающей энергии солнеч­ного излучения. Число консументов (людей), которые могут прожить при данном выходе первичной продукции, сильно зависит от длины пищевой цепи; переход к каждому сле­дующему звену в цепи уменьшает доступную энергию примерно на порядок величины.

Принципы организации пищевых цепей и действия двух зако­нов термодинамики можно уяснить, рассмотрев схемы переноса энергии на рис. Четырехугольники («резервуары») изображают трофические уровни, а линии («тру­бы») — потоки энергии от каждого уровня или к нему.

Приток энергии уравновеши­вается ее оттоком, и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме недоступной для использования тепловой энергии (при дыхании). На каждом последующем уровне поток энергии сильно уменьшается. Вторичная продуктивность (Р2 и Рз) на каж­дом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% предыдущей.

Во всех экосистемах пастбищная и детритная пищевые цепи взаимосвязаны. В ответ на энергетические воздействия извне в системе может быстро происходить переключение пото­ков. Степень влияния травоядных животных на сообщество зависит не только от количества ассимилированной ими энергии пищи, но и от скорости изъятия живых растений..

Морской зоопланктон обычно выедает больше фитопланктона, чем может ассимилировать, а излишек выводится в детритную пищевую цепь. Качество ресурсов. По легкости ас­симиляции качество продуктов фотосинтеза, извлекаемых мико­ризными грибами, гораздо выше качества отмерших листьев. Перенос по микоризному пути идет быстрее, а эффективность ассимиляции выше.

Все пищевые цепи имеют возможность обратной связи: консументы переносят элементы питания, распространяют споры или семена растений. Универсальная модель потока энергии. На рис. квадрат, обозначен­ный буквой В, изображает живую структуру или биомассу основ­ного компонента модели. Общее поступление энер­гии на рис. обозначено буквой I.

Для облигатных автотрофов это свет, для облигатных гетеротрофов — органическая пища. Энергия течет через сообщество в соответствии со вторым законом термодинамики, но отдельная популяция вида может быть вовлечена в несколько этапов, или трофических уровней.

Универ­сальная модель потока энергии может представлять популяцию какого-либо вида — в этом случае каналы притока энергии и связи сдругими видами составляют обычную схему пищевой сети, или она может изображать определенный энергетический уровень — тогда прямоугольники биомассы и каналы потоков энергии представля­ют все популяции, поддерживаемые одним источ­ником энергии. Например, часть пищи лис составляют растительные продукты, а другую часть их пищи составляют травоядные животные.

К рис.: I — поступившая или поглощенная энергия; NU— неиспользованная энер­гия; А — ассимилированная энергия; Р — продукция; Я — дыхание; В — биомасса; G — рост; S — накопленная энергия; Е — выделенная энергия.

У автотрофов ассимилированная энергия (А) —это валовая продукция или валовой фотосинтез. Компонент (А) у гетеротрофов — это пища, продуцированная кем-то другим. Термин «валовая продукция» может использо­ваться только к первичной, или автотрофной, продукции. Особенность этой модели — разделение ассимилиро­ванной энергии на компоненты Р и R.

Часть фиксированной энергии А, которая окисляется и теряется в форме тепла, назы­вается дыханием (R), а часть, которая превращается в новое или принадлежащее другому виду органическое вещество, назы­вается продукцией (Р). У растений это чистая продукция, у жи­вотных — вторичная продукция.

Компонент Р — это энергия, до­ступная следующему трофическому уровню, в противополож­ность компоненту NU, который доступен и на данном трофиче­ском уровне. При стрессовых воздействиях на систему R возрастает.

Ве­личина Р велика в активных популяциях мелких организмов, например бактерий или водорослей, в моло­дых, быстро растущих сообществах. Трофическая структура и экологические

пирамиды. В результате взаимодействия энергетических явлений в пищевых цепях и зависимость метаболизма от размеров особи, каждое сообще­ство приобретает определенную трофическую структуру, которая служит характеристикой типа экосистемы.

Трофическую структуру мож­но измерить и выразить либо урожаем на корню, либо количеством энергии, фиксируемой на единицу площади за единицу времени на последовательных трофических уровнях.

Трофическую структуру и трофическую функцию мож­но изобразить графически в виде экологических пирамид, осно­ванием которых служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды.

Экологические пирамиды можно отнести к трем основным ти­пам: 1) пирамида численностей, отражающая численность отдель­ных организмов; 2) пирамида биомассы, характеризующая общую сухую массу, калорийность живого вещества; 3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и «продуктивность» на последовательных трофических уровнях.

Форма пирамиды численностей сильно различается для разных сообществ в зави­симости от того, малы (фитопланктон, трава) или велики (дубы) в них продуценты. Пирамида биомасс лучше показывает соотношения урожаев на корню для экологических групп в целом.

Если организ­мы низших уровней в среднем значительно меньше организмов высших уровней, то может получиться обращенная пирамида био­массы. Обращенные пирамиды биомассы характерны для озер и морей. Пирамида энергии дает наиболее полное представление о функциональной организации сообществ. Она отражает кар­тину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.

На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены все источ­ники энергии, то пирамида всегда будет иметь «правильную форму». «Экологическое правило»: данные по численности приводят к переоценке значения мелких организмов, а данные по биомассе — к переоценке роли крупных организмов. Экологические пирамиды позволяют иллюстрировать количественные отношения в отдель­ных, представляющих особый интерес частях экосистемы, напри­мер в звеньях хищник—жертва или хозяин—паразит.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Источник: https://megalektsii.ru/s42283t2.html

Book for ucheba
Добавить комментарий