лекция 5 экология. Лекция_5_Энергия в экосистемах. Лекция 5 Энергия в экосистемах Макарова Светлана Витальевна
 Скачать 7.9 Mb.
|
|
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет кафедра водопользования и экологии ЭКОЛОГИЯ Лекция 5 Энергия в экосистемах Макарова Светлана Витальевна к.б.н., доцент Законы термодинамики в экосистемах Часть 1 Энергия (гр. energeia ‑ деятельность) ‑ одно из основных свойств материи ‑ способность производить работу Различают потенциальную и кинетическую энергию Единственным первоисточником энергии, обеспечивающим жизнь на Земле, является Солнце Около 90% энергии, идущей на нагревание Земли и зданий, ‑ это не энергия топлива, а бесплатная и фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия Солнечный свет падает на планету с интенсивностью 2 кал/кв.см•мин (солнечная постоянная) В ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67%, т. е. 1,34 кал / кв.см•мин отражается - 30% превращается в теплоту - 46% расходуется на испарение воды -23% преобразуется в энергию ветра, волн, течений - 0,2% идет на фотосинтез - 0,8% Первый закон термодинамики ‑ закон сохранения энергии ‑ гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях большая часть энергии переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы для любых экосистем 1-й закон: QСОЛН = qРАСС + qКОНЦ 2-й закон: qКОНЦ < Qрасс Агроэкосистема: 1-й закон: Q СОЛН + qД+ qП.В + qЧ = qТ + qП 2-й закон: qП < Q СОЛН + qД+ qП.В + qЧ При всех энергетических процессах, в том числе и технологических, происходит переход системы от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку») Энтропия является физической мерой беспорядка, т.е. мерой количества связанной энергии которая становится недоступной для использования Высокоупорядоченные системы обладают низкой энтропией, а неупорядоченные, в которых вещество или энергия рассеяны, характеризуются высокой энтропией В процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходят потери полезной энергии, которая переходит в бесполезную, рассеивающуюся в виде низкотемпературного тепла и не способную выполнять работу Второй закон термодинамики подразумевает также, что практически невозможно восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Поэтому второй закон называют законом возрастания (неубывания) энтропии Энергетические процессы в живой материи имеют свои особенности и, на первый взгляд, не согласуются с теорией классической термодинамики Живая материя организуется в упорядоченные структуры как бы вопреки утверждению второго закона термодинамики «Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями ‑ это классическая термодинамика и эволюционное учение Дарвина» (К.М. Петров) Согласно теории классической термодинамики система устойчива при максимальной энтропии Однако, биосистемы разного уровня организации являются упорядоченными (низкоэнтропийными), но в то же время, устойчивыми Живая материя отличается от неживой, прежде всего, способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, концентрировать ее и качественно преобразовывать чтобы противостоять росту энтропии внутри себя Дыхание выполняет функции снижения энтропии и поддержания упорядоченности в биосистемах.Без дыхания энтропия любой биосистемы растет, и она в конце концов погибает Экосистемы с энергетической точки зрения представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне Такие системы называются «диссипативными системами» А – автотрофы, Г-гетеротрофы, З – запасы питательных веществ Качество энергииПорядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулированной живыми организмами энергии Качество энергии ‑ ее способность совершать работу Эксергия ‑ это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой Эксергия - полезная доля энергии, участвующей в каком-либо процессе Качество энергииЭнергия высокого качества характеризуется высокой эксергией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией Примеры: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, ядра урана-235, высокотемпературное тепло Энергия низкого качества характеризуется низкой эксергией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропией Примеры: низкотемпературное тепло, находящееся в окружающей среде, рассеянная солнечная энергия Качество энергииЦепь генерации электричества (по Ю.Одуму, 1986) Качество энергии
Затраты энергии на получение 1 ккал условного топлива Качество энергииДля создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в экосистемах, образует порядок и повышает эксергию преобразованной части энергии В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии Часть 2 Трофические (пищевые) цепи Трофические цепиПеренос энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью Трофические цепи — это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии Трофические цепиТрофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные и детритные (лат. detrytys — продукт распада). Пастбищная цепь – от зеленых растений к консументам (растительноядным животным и хищникам) Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества — детрита, который разрушается детритофагами, или сапротрофами и заканчивается работой редуцентов Пищевые цепи в экосистеме тесно переплетаются друг с другом, образуя трофические сети Пищевая сетьТрофические цепиТрофический уровень – группаорганизмов, получающих энергию Солнца через одинаковое число звеньев пищевой цепи Валовая первичная продукция – органическое вещество, созданное в единицу времени продуцентами (без учета затрат на дыхание) Чистая первичная продукция – органическое вещество, накопленное продуцентами после вычета затрат на дыхание (прирост биомассы) Вторичная продукция – органическое вещество, накопленное консументами Принцип организации пищевой сети Трофические цепиПояснения к схеме пищевой сети: ПВ — валовая первичная продукция; П1 — чистая первичная продукция; П2, П3 — вторичная продукция; А1 — поглощенный растениями солнечный свет; А2 и А3 — корм, ассимилированный первичными и вторичными консументами; Д1, Д2, Д3 — траты энергии на дыхание; Н1, Н2, Н3 — неиспользованная часть корма; Э1, Э2 — экскременты; ДФ — детритофаги; Р — редуценты Трофические цепиСхема показывает, что количество энергии в пищевой цепи, выраженное количеством образованной продукции, на каждом трофическом уровне уменьшается: П1 > П2 > П3 и т. д. На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1% солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% от предыдущей Эта закономерность носит название закона Линдемана (1942), или «правила 10%». Трофические цепиВ пищевых цепях наблюдается не более пяти-шести трофических уровней, так как на каждом последующем уровне количество аккумулированной энергии резко падает Затраты на дыхание обычно больше энергетических затрат на увеличение массы организма Чем крупнее организм, тем больше энергетические затраты на поддержание биомассы Трофические цепиГодовой бюджет энергии в популяции крапивника, ккал / м2 год Качество энергии в пищевых цепях повышается!Изменение энергии в пищевой цепи (по Ю.Одуму, 1986) В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии Изменение энергии в экосистемах (а меняется от 1 до 9) Экологические пирамидыЭкологические пирамиды отражают законы распределения количества энергии в пищевых цепях: показывают, что на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной в единицу времени, больше, чем на последующем Пирамиды графически изображаются в виде поставленных друг на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях Закономерность справедлива для энергии, числен-ности и биомассы организмов Пирамида чиселПервоначально экологическая пирамида была построена Ч.Элтоном (1927) как пирамида чисел . Пирамида чисел не всегда имеет правильный вид Пирамиды биомассПирамида биомасс также может быть перевернутой (в водных экосистемах ) Пирамиды энергииПирамида энергии всегда имеет классический вид (в соответствии со вторым законом термодинамики) Влияние человекаМиграция загрязняющих веществ по пищевой цепи тяжелые металлы Hg, Cd, Ni, Pb и др., долгоживущие радиоактивные изотопы хлорорганические соединения Масса Накопление Консументы 3 1 1000 Консументы 2 10 100 Консументы 1 100 10 Продуценты 1000 1 Часть 3 Энергетические типы экосистем Природные экосистемы, движимые Солнцем, малосубсидируемые —— используют энергию Солнца, низкопродуктивные. Потребление энергии - 103–104 ккал/м2•год (открытые районы океанов, высокогорные леса и т.д.) Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые другими естественными источниками — энергией приливов, прибоя, течений, дополнительных питательных веществ, благоприятными климатическими условиями; высокопродуктивные. Потребление энергии - 104 - 105 ккал/м2•год (эстуарии, влажные тропические леса и др.) Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком — используют энергию Солнца, мышечную энергию человека и животных, энергию топлива; высокопродуктивные. Потребление энергии -104-105 ккал/м2•год (наземные и водные агроэкосистемы) Индустриально-городские экосистемы, движимые топливом – используют энергию топлива. Потребление энергии - 106 ккал/м2•год В своем развитии человеческое общество прошло через все четыре типа экосистем Часть 4 Использование энергии человеком Использование энергииТри четверти энергии, потребляемой в современном мире, в дополнение к первичной солнечной энергии, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топлива: нефти, угля, природного газа – это самый дешевый и эффективный способ получения энергии При современных темпах энергопотребления их доступных запасов хватит, по разным оценкам, на 200-300 лет. В том числе: нефти – на 40-80 лет, газа – на 50-100 лет, угля – на 300-400 лет Использование энергииИспользование альтернативных источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной и т.д.) ограничивается дороговизной технологий и низким выходом полезной энергии На добычу и преобразование энергии из разных источников тоже требуется энергия. Поэтому практический коэффициент полезного действия зависит от величины полученной чистой энергии Чистая энергия ‑ это полезная энергия на выходе из системы после вычета всех энергозатрат на ее добычу и преобразование Использование энергииЭЧИСТ = ЭИСТ – ЭШ (ЭШ - энергетический штраф) Для того чтобы источник функционировал, выход чистой энергии должен как минимум в 2 раза превышать штраф: ЭЧИСТ > 2ЭШ. Использование энергииЭффективность использования энергии определяется соотношением полезной работы и величины всех энергетических затрат при ее выполнении Чем больше отношение количества полезной работы ко всему количеству энергии, затраченной на ее производство, тем выше эффективность использования энергии Показателем энергоэффективности является отношение количества полезной энергии на выходе системы ко всей полезной энергии на входе Энергоэффективность зависит также от соответствия качества энергии качеству выполняемой работы Энергоэффективность обогрева дома за счет солнечной энергии и за счет электроэнергии АЭС (по Т.Миллеру с изменениями) water@spbgasu.ru Автор Макарова Светлана Витальевна Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет кафедра водопользования и экологии |