ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ

ЭНЕРГИЯ В
ЭКОСИСТЕМАХ
1
ЭНЕРГИЯ





Энергия – свойство материи, способность
производить работу
Энергия – основа жизнедеятельности
организмов
Энергия – движущая сила всех процессов
Формы энергии: механическая,
химическая, тепловая, электрическая
Преобразование энергии – переход одной
формы в другую
2
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭНЕРГИИ
Джоуль (Дж, J) – единица измерения энергии и работы
1 Дж = Н•м = кг•м²/с² = Вт•с
1 Дж = 6,2415х1018 эВ
Джоуль – работа, совершаемая при перемещении точки приложения силы,
равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении
действия силы
кДж (килоджоуль), (kJ) = 10³ Дж
МДж (мегаджоуль), (МJ) = 106Дж
ГДж (гигаджоуль), (GJ) = 109Дж
ТДж (тераджоуль), (TJ) = 1012Дж
ПДж (петаджоуль), (PJ) = 1015Дж
ЭДж (эксаджоуль), (EJ) = 1018Дж
3
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭНЕРГИИ



Калория (кал, cal) — внесистемная единица количества энергии и
работы
1 кал = 4,1868 Дж
Используется, главным образом, для оценки калорийности пищевых
продуктов
Гкал (гигакалория = 109 кал) используется в теплоэнергетике, системах
отопления, коммунальном хозяйстве
Киловатт-час(кВт·ч) — внесистемная единица измерения работы или
энергии, преимущественно работы электрического тока
1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Вт•с = 3600 кДж = 3,6 МДж
Электронвольт (эВ или eV) — внесистемная единица измерения
энергии, широко используемая в атомной и квантовой физике. Один
электронвольт равен энергии, которую приобретает электрон при
ускорении в электростатическои поле с разницей потенциалов 1 В
1 эВ = 1,60217653×10−19 Дж
4
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭНЕРГИИ

Условное топливо (tingkütus, söeekvivalent) – единица учета
органического топлива, применяемая для сопоставления тепловой
ценности различных видов топлива

Теплота сгорания 1 кг твердого условного топлива (или 1 куб.м
газообразного условного топлива) составляет 29,3 МДж (7000 ккал),
что приблизительно соответствует теплоте сгорания 1 кг каменного
угля.
1 ТУТ = 29,3 ГДж = 7000 ккал

В качестве эквивалента условного топлива используется также
тонна нефти
1 топливный тонно-эквивалент по нефти (тнэ) = 41,8 ГДж
1 топливный тонно-эквивалент по углю (туэ) = 0,7 тнэ = 29,3 ГДж
5
ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Свойства энергии описываются законами термодинамики

Первый закон (начало) термодинамики или закон
сохранения и превращения энергии:
энергия любой замкнутой системы при всех процессах,
происходящих в системе, остается постоянной; энергия может
только превращаться из одной формы в другую и
перераспределяться между частями системы, но она не исчезает
и не создается заново

Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии
равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел
и физических полей
6
ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии:
в замкнутой системе энтропия* может только возрастать

Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая
формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии,
могут происходить самопроизвольно только при условии, что
энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную,
т.е. деградирует. Мера количества энергии, которая становится
недоступной для использования, или мера изменения
упорядоченности, которая происходит при деградации энергии,
есть энтропия

Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия
* Энтропия – мера упорядоченности системы
7
ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
вещество
информация
экосистема
Окружающая
среда
энергия
8
СОЛНЦЕ КАК ИСТОЧНИК
ЭНЕРГИИ


Источник энергии Солнца реакции термоядерного
синтеза, протекающие в его
недрах

Ежесекундно Солнце
излучает 3,84 × 10(26) Дж
энергии
Температура видимой
поверхности Солнца
равна 5800 К, в центре
Солнца температура
достигает 15 000 000 К
Химический состав:
Водород Н2 - 70% по массе
Гелий Не – 29% по массе
Остальные – 1% по массе
9
СОЛНЕЧНЫЙ СПЕКТР
Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации до
поступления в атмосферу (сплошная линия) и в спектре абсолютно
черного тела при температуре 6000° (прерывистая линия)
Области спектра: УФ — ультрафиолетовая, В — видимая, ИК —
инфракрасная. Интенсивность радиации дана в 10(-3) кал/см2 мин для
10
интервала длин волн 0,01 мкм
СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ


Плотность солнечной энергии у верхней
границы атмосферы на поверхность,
расположенную перпендикулярно
направлению солнечных лучей
составляет 1353 Вт /м2. Она носит
название солнечная постоянная
С учетом вращения Земли в среднем за
сутки поток на единицу площади
поверхности составляет Sср = 342 Вт/м2
11
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
БАЛАНС ЗЕМЛИ
342 Вт/м² - приходящий от
Солнца поток (в основном
коротковолновое излучение)
12 и 24 Вт/м² - поглощение
потока в стратосфере
64 и 179 Вт/м² - поглощение
потока в тропосфере
186 Вт/м² - доходит до
поверхности Земли
162 Вт/м² - поглощается
подстилающей поверхностью
104 и 238 Вт/м² - излучается
в космос (в основном
длинноволновое излучение)
12
СОЛНЦЕ КАК ИСТОЧНИК
ЭНЕРГИИ
1.
2.
3.
Состав лучистой энергии,
достигающей земной поверхности:
Видимый свет
45%
Инфракрасное излучение
45%
Ультрафиолетовое излучение 10%
13
ФОТОСИНТЕЗ
На фотосинтез расходуется
≈ 1% солнечной энергии,
достигающей поверхности
Земли
14
ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВА И
ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМЕ
ИСТОЧНИК
ЭНЕРГИИ
(СОЛНЦЕ)
ГЕТЕРОТРОФЫ
АВТОТРОФЫ
КОНСУМЕНТЫ
ПРОДУЦЕНТЫ
I ПОРЯДКА
(ФИТОФАГИ)
ДЕТРИТОФАГИ
МИНЕРАЛЬНЫЕ
ВЕЩЕСТВА
КОНСУМЕНТЫ
II ПОРЯДКА
(ЗООФАГИ)
РЕДУЦЕНТЫ
ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВА
ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ
15
АВТОТРОФЫ


Автотрофы (самопитающиеся) –организмы,
образующие органическое вещество своего тела из
неорганических веществ посредством процессов
фотосинтеза и хемосинтеза
Фотоавтотрофы – все зеленые растения, осуществляющие
фотосинтез (источник энергии –солнечный свет)
Хемоавтотрофы – некоторые почвенные и водные
бактерии, использующие в качестве источника энергии не
солнечный свет, а ферментативное окисление ряда
веществ (сероводорода, аммиака, железа, серы, водорода
и др.)
16
АВТОТРОФЫ



Фотоавтотрофы, продуценты –
первичные производители продукции
Новая биомасса органического вещества,
синтезированная продуцентами –
первичная продукция
Биологическая продуктивность
экосистемы – скорость образования
первичной продукции
17
ГЕТЕРОТРОФЫ




Гетеротрофы (питающиеся другими) –
организмы, потребляющие готовое
органическое вещество других
организмов и продуктов их
жизнедеятельности
Животные, грибы, микроорганизмы
Гетеротрофы – потребители и
деструкторы (разрушители) органических
веществ
Консументы и редуценты
18
ГЕТЕРОТРОФЫ
Консументы Ι порядка –
растительноядные животные
(фитофаги)
Консументы Ι Ι порядка –
плотоядные животные
(зоофаги)
Консументы со
смешанным типом
питания
Детритофаги
или сапрофаги
Паразиты
19
Симбиотрофы
РЕДУЦЕНТЫ



Редуценты – организмы, разлагающие
мертвое органическое вещество до
минеральных веществ
Редуценты – бактерии и низшие грибы
Возвращают в среду экосистемы
минеральные элементы, молекулярный
азот, диоксид углерода
20
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМ
21
ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
Эффективность переноса энергии на каждый
последующий уровень не превышает 10% (закон
Линдемана)
22
ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
Соотношение энергетических единиц для разных
трофических уровней, кДж/м²
Показатель
Поток
энергии
Солнечная
радиация
Трофический
уровень I
10000
100
Трофический
уровень II
10
Трофический
уровень III
1
23
ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
ЭКОСИСТЕМЫ


Трофический уровень – совокупность
организмов, объединенных типом
питания
Трофическая цепь, цепь питания –
пищевая цепь, взаимоотношения
организмов при переносе энергии пищи
от источника через ряд организмов
различных трофических уровней путем
поедания одних организмов другими
24
ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
ЭКОСИСТЕМЫ
Поток энергии через типичную пищевую цепь
25
ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
ЭКОСИСТЕМЫ
Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры даны
в кДж/м2·год
26
ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
ЭКОСИСТЕМЫ

Пищевая цепь хищников:
Растения

гусеницы
насекомоядные птицы
хищные птицы
Детритная пищевая цепь:
Растительный опад
Коровий помет
дождевые черви
личинки мух скворцы
землеройки
ястребы
горностаи
перепелятники
27
Пищевая сеть
28
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ПИРАМИДЫ
V трофический уровень
ΙV трофический уровень
ΙΙΙ трофический уровень
ΙΙ трофический уровень
Ι трофический уровень
29
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ПИРАМИДЫ
Пирамиды биомасс:
Слева – прямая
Справа - перевернутая
Сезонные изменения в
пирамиде биомасс
30
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ПИРАМИДЫ
Прибавка
человеческих
тканей
34,7 кДж
Продуцировано
телятины 5*10(3) кДж
Мальчик
Продуцировано
люцерны 62,4*10(3) кДж
47,2 кг
Телятина
962 кг
Солнечная энергия
2,64*10(8) кДж
Пирамида энергий
Растения
люцерны 8,03*10(4) кг
Пирамида масс
мальчик
1
Телята
4,5
Растения
люцерны 2*10(7)
Пирамида чисел
(Элтона)
31
КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ




Биогеохимические циклы –
круговороты веществ в экосистеме,
в которых участвуют живые и
неживые компоненты
Движущей силой этих круговоротов
служит энергия Солнца
Биотический круговорот
Круговороты веществ
32
БИОТИЧЕСКИЙ (БИОЛОГИЧЕСКИЙ)
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
Солнечная
энергия
Первичное
органическое
вещество
≈ 1%
Зеленые
растения
(продуценты)
Дыхание
СО2, Н2О
Органические остатки
(детрит)
CO2, H2S,
NH3,H2O и др
Микроорганизмы
(редуценты или
деструкторы)
Органические
остатки (детрит)
Дыхание
СО2,
Н2О
Осадочные породы
(минеральные
вещества)
Органиче
ские
остатки
(детрит)
Растительноядные
животные
(консументы I
порядка)
Дыхание
Органические
вещества
Хищники
(консументы
порядка)
СО2, Н2О
II
Дыхание
Хищники
(консументы III
порядка)
Органические
вещества
Дыхание
СО2, Н2О
СО2, Н2О
33
КРУГОВОРОТ ВОДЫ
Количества воды во всех фондах и перемещающиеся количества воды
(цифры в скобках) выражены в миллиардах миллиардов (10(18 )) граммов в
год, из Ф.Рамад, 1979)
34
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА
(Smith, 1971)
35
КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА
(Cloud,
1970)
36
КРУГОВОРОТ АЗОТА
37
КРУГОВОРОТ СЕРЫ
(Colinvaux,
1973
38
КРУГОВОРОТ
ФОСФОРА
39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Энергия в экосистеме может
накапливаться, затем снова
высвобождаться или
экспортироваться, но её нельзя
использовать вторично !!!
2. В отличие от энергии
элементы питания,
необходимые для жизни, и
вода используются
многократно
3. Биотическую и абиотическую
части экосистемы связывает
непрерывный обмен
материалом – круговороты
питательных веществ,
энергию для которых
поставляет Солнце, большая
часть энергии деградирует,
проходит через систему и
покидает её в виде
низкокачественной тепловой
энергии
40