Вопрос 14 бюджет солнечной энергии

Источник: методичка «Остров».

Ответ:

Использование энергии в биосфере определяется ее количественным распределением и качеством. Солнечный свет падает на планету постоянно в количестве 2 кал/см² в минуту, атмосферный слой ослабляет его на 33% (за счет отражения облаками, пылью в верхних слоях атмосферы), до поверхности Земли доходит 67%, то есть 1,34 кал/см² мин, при этом 30% солнечной энергии в биосфере отражается, 46% превращается в теплоту, 23% расходуется на испарение воды, на осадки, 0,2% преобразуется в энергию ветра, волн, течений, 0,8% расходуется на фотосинтез. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.), осуществляется за счет небольшого количества солнечной энергии сконцентрированной растениями.

Процесс жизнедеятельности в экологических системах строится на взаимоотношении организмов в цепях питания (трофических цепях). Любая пищевая цепь должна иметь источник энергии, которым является Солнце и иногда энергия химических реакций. Особенностью поведения энергии в экосистеме является однократность ее использования.

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму законам термодинамики. То есть энергия не исчезает, она переходит из одной формы в другую (первый закон термодинамики). Часть энергии рассеивается в виде тепла, мерой необратимого рассеивания служит энтропия (второй закон термодинамики).

(Трофические уровни – см. вопрос 9.)

Представители разных трофических уровней связаны между собой односторонне направленной передачей биомассы в пищевые цепи. В соответствии со вторым законом термодинамики (при любом превращении энергии некоторое ее количество всегда переходит в менее качественную менее полезную энергию) растения используют лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии (1–10%). Из поглощенной энергии растения расходуют менее 10% на продукционный процесс (увеличение собственной биомассы). Остальная энергия расходуется при дыхании, осуществлении других функций организма и передается гетеротрофным организмам.

При переходе на следующий трофический уровень часть доступной энергии не воспринимается, часть отдается в виде тепла, часть расходуется на обмен веществ, дыхание, рост, размножение, выделение. При этом наблюдается уменьшение общей энергии в несколько раз. Только 10% потребляемой энергии животные всех уровней тратят на построение своего тела (правило 10%), остальные 90% тратятся на процессы жизнедеятельности. То есть общая энергия каждый раз уменьшается в несколько раз. Поэтому длина пищевых цепей ограничена. Чем ближе организм к началу пищевой цепи, тем больше количество доступной энергии.

Баланс пищи и энергии для отдельного живого организма имеет вид

Э=Э_ж+Э_п+Э_в,

где Э – энергия потребленной пищи;

Э_ж - энергия дыхания или обеспечения жизнедеятельности организма, включая движение, поддержание температуры тела, сердцебиение, работу органов и др.;

Э_п – энергия прироста (запасенная в теле организма-потребителя);

Э_в – энергия продуктов выделения, в основном экскрементов.

При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов, детритофагов), третий (хищников первого порядка) и так далее значительное ее количество рассеивается и снижается ее качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой составляет 7-10%. После смерти животного, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами, и происходит полное ее рассеивание.

(См. схему трофической цепи в вопросе 9.)

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют практические следствия. Во-первых, с энергетической точки зрения нецелесообразно потребление живой продукции, особенно с высоких уровней цепей питания, потому что образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии. Особенно велики потери энергии при переходе с первого трофического уровня на второй, от растений (автотрофов) к растительноядным животным (фитофагам). (В качестве примера можно рассмотреть цепь питания: люцерна – телята - человек. Если бы человек весом 48кг питался в течение года только одной телятиной, то для обеспечения его жизнедеятельности потребовалось бы 4,5 теленка общим весом 1035кг, для питания которых потребовался бы урожай люцерны с площади 4га весом 8211кг). Во-вторых, чтобы накормить человечество планеты, нужно, чтобы в рационе людей большой удельный вес занимала растительная пища.

Нарушение способности саморегуляции экосистемы за счет частичных или резких внешних воздействий приводит к затруднению усвоения солнечной энергии, например, при увеличении загрязнения атмосферы промышленными газообразными выбросами или пылью, уменьшается количество энергии, поступающей по трофической цепи всем другим организмам.