Лекция_5_Энергия в экосистемах

1.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 5
Энергия в экосистемах
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

2.

Часть 1
Законы термодинамики
в экосистемах
2

3. Законы термодинамики в экосистемах

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
3

4. Законы термодинамики в экосистемах

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%
4

5. Законы термодинамики в экосистемах

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
5

6. Законы термодинамики в экосистемах

1-й закон: QСОЛН = qРАСС + qКОНЦ
2-й закон: qКОНЦ < Qрасс
6

7. Законы термодинамики в экосистемах

Агроэкосистема:
1-й закон: Q СОЛН + qД+ qП.В + qЧ = qТ + qП
2-й закон: qП < Q СОЛН + qД+ qП.В + qЧ
7

8. Законы термодинамики в экосистемах

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
8

9. Законы термодинамики в экосистемах

9

10. Законы термодинамики в экосистемах

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
10

11. Преобразование энергии в живой материи

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)
11

12. Преобразование энергии в живой материи

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
12

13. Преобразование энергии в живой материи

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»
13

14. Преобразование энергии в живой материи

А – автотрофы, Г-гетеротрофы, З – запасы питательных веществ
14

15. Качество энергии

Порядок, 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
15

16. Качество энергии

Энергия 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
16

17. Качество энергии

Цепь генерации электричества (по Ю.Одуму, 1986)
17

18. Качество энергии

Затраты энергии на получение 1 ккал условного топлива
Затраты энергии на
получение 1 ккал
условного топлива,
ккал
Эквивалент
условного
топлива на
1 ккал
Рассеянная тепловая
энергия
10 000
0.0001
Солнечная энергия
2000
0.0005
Биомасса растений
20
0.05
Древесина
2
0.5
Каменный уголь, нефть
1
1
Электроэнергия
0.25
4
Источник энергии
18

19. Качество энергии

Для 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
19

20.

Часть 2
Трофические (пищевые)
цепи
20

21. Трофические цепи

Перенос 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
21

22. Трофические цепи

Трофические 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
22

23. Пищевая сеть

23

24. Трофические цепи

Трофический уровень – группа организмов,
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
24

25.

Принцип организации пищевой сети
25

26. Трофические цепи

Пояснения 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
26

27. Трофические цепи

Схема 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%».
27

28. Трофические цепи

В пищевых цепях наблюдается не более пятишести 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
28

29. Трофические цепи

Годовой бюджет энергии в популяции крапивника, ккал / м2 год
29

30. Качество энергии в пищевых цепях повышается!

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 пищевой цепи (по Ю.Одуму, 1986)
30

31.

Изменение энергии в экосистемах (а меняется от 1 до 9)
31

32. Экологические пирамиды

Экологические 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, численности и биомассы организмов
32

33. Пирамида чисел

Первоначально экологическая пирамида была построена
Ч.Элтоном (1927) как пирамида чисел .
Пирамида чисел не всегда имеет правильный вид
33

34. Пирамиды биомасс

Пирамида биомасс также может быть перевернутой (в
водных экосистемах )
34

35. Пирамиды энергии

Пирамида энергии всегда имеет классический вид (в
соответствии со вторым законом термодинамики)
35

36. Влияние человека

Миграция загрязняющих веществ по пищевой
цепи
• тяжелые металлы Hg, Cd, Ni, Pb и др.,
• долгоживущие радиоактивные изотопы
•хлорорганические соединения
Консументы 3
Консументы 2
Консументы 1
Продуценты
Масса
Накопление
1
10
100
1000
1000
100
10
1

37.

Часть 3
Энергетические типы
экосистем
37

38. 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.)
38

39. Энергетические типы экосистем

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
39

40.

Часть 4
Использование энергии
человеком
40

41. Использование энергии

Три 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
41

42. Использование энергии

Использование 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
42

43. Использование энергии

ЭЧИСТ = ЭИСТ – ЭШ (ЭШ - энергетический штраф)
• Для
того
чтобы
источник
функционировал,
выход чистой энергии должен как минимум в 2 раза
превышать штраф: ЭЧИСТ > 2ЭШ.
43

44. Использование энергии

Эффективность 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
44

45.

Энергоэффективность
обогрева дома за счет
солнечной энергии и за счет
электроэнергии АЭС
(по Т.Миллеру с изменениями)
45

46.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]