Энергия в экосистемах

 

Энергия - одно из основных базовых свойств материи - способность производить работу. Энергия - источник жизни, основа и средство управления всеми природными системами. Энергия - источник движущей силы мироздания.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Понимание этих законов чрезвычайно важно для обеспечения эффективного подхода к проблемам природопользования.

Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, а превращается из одной формы в другую. Энергия Солнца превращается в энергию пищи путем фотосинтеза. Экология рассматривает связь между солнечным светом и экологическими системами, в которых происходит превращение энергии света.

Второй закон термодинамики гласит, что любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. Для всех энергетических процессов характерен процесс перехода от более высокого уровня организации (порядка) к более низкому (беспорядку). Тенденция энергии к деградации выражается термином «возрастание энтропии». Энтропия является мерой беспорядка. Энергия пищи, поглощенной животными, переводится в теплоту.

Живая материя отличается от неживой способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию и преобразовывать ее так, чтобы противостоять возрастанию энтропии. В природе показателем качества энергии может служить количество энергии солнечного света, необходимое для образования единицы (например, калории) более высококачественной формы энергии.

Поток энергии в экосфере подчиняется правилам 10 % и 1 %. Солнце дает Земле колоссальное количество энергии. Всего 1 % ее превращается в химическую энергию зеленого листа. Закон пирамиды энергии (или правило 10 %) гласит, что с каждой предыдущей ступени на последующую переходит 10 % энергии. Из 100 % энергии живого вещества 90 % приходится на растения, 10 % — на беспозвоночных животных и 1 % - на позвоночных. На каждой ступени количество энергии уменьшается на 1...2 порядка, но ее качество увеличивается на 1...2 порядка.

 

Источник энергии Затраты энергии на получение 1 ккал

условного топлива

Солнечный свет.................................................2000

Биомасса растений..............................................200

Древесина.............................................................. 20

Уголь....................................................................... 1

Электроэнергия...................................................0,2

 

Чтобы солнечный свет выполнял работу электроэнергии, надо повысить его качество в 10 тыс. раз.

 

Таблица 8.2. Потоки энергии у земной поверхности (по В. Г. Горшкову)

 

Энергетический поток	Мощность, ТВт*
Солнечная радиация
Поглощение атмосферой и земной поверхностью	100 000
Поглощение океаном
Расход на испарение в атмосфере
Турбулентные потоки тепла
Перенос теплоты с экватора к полюсам:
атмосферой
океаном
Поглощение сушей
Испарение:
сушей (эвакотранспирация)
растениями (транспирация)
Ветер
Океанские волны
Фотосинтез
Гравитационная энергия выпадения всех осадков
Энергия рек
Другие виды энергии
Геотермальная
Вулканов и гейзеров	0,3
Приливов океанов
Лунного света, падающего на поверхность Земли	0,5
Света, падающего на Землю от всех звезд	0,001
Современное мировое энергопотребление
человечества

 

* ТВт = 10¹² Вт.

 

Перенос энергии пищи в процессах питания от растений через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической, цепью. Существует несколько уровней трофических цепей:

зеленые растения - продуценты;

первичные консументы (травоядные животные);

вторичные консументы (хищники);

третичные консументы (хищники, поедающие первичных хищников).

На каждом новом уровне до 90 % потенциальной энергии системы рассеивается, переходя в теплоту.

Человек, поедая мясо коров, является вторичным консументом на третьем трофическом уровне, а поедая растения - первичным консументом на втором трофическом уровне.

Каждому человеку для физиологического функционирования организма требуется в год около 1 млн ккал энергии пищи. Человечество производит около 8-10¹⁵ ккал (при населении 6,4 млрд), но эта энергия распределена крайне неравномерно. Например, в городе потребление энергии на человека достигает 80 млн ккал в год, т. е. на все виды деятельности (транспорт, домашнее хозяйство, промышленность) человек расходует в 80 раз больше энергии, чем необходимо для его организма.

Человечество находится в стадии энергетического кризиса, и характер будущей цивилизации, ее качество и состав лимитируются, в первую очередь, энергозатратами. Выход для человечества - концентрация солнечной энергии.

В заключение отметим роль денег в оценке используемой человечеством энергии. Деньги - мера стоимости товаров, созданных человеческим трудом, но стоимость можно выразить и в единицах энергии. Соотношение энергии и денег определяется количеством энергии, вложенной в каждый обращающийся рубль, т. е. чем больше затрачено энергии, тем выше стоимость рубля.

В каждый данный момент существует среднее отношение суммы обращающихся денег к энергетическому потоку. Например, в стране объем расходуемых денег составляет 1,4 трлн долл. и используется около 35-10⁵ ккал энергии. На 1 долл. приходится 25 тыс. ккал энергии.

Если человек зарабатывает 10 тыс. долл. в год, то на поддержание его жизнедеятельности затрачивается 250 млн. ккал в год. При этом 1 млн ккал затрачивается на питание, а остальное - на работу транспорта, электростанций промышленности и т. д. (249 млн ккал в год). Совокупная энергия, затрачиваемая на жизнедеятельность человека, велика.

К сожалению, в этой оценке почти полностью отсутствует оценка работы природных экосистем, поскольку деньги участвуют в расчетах только после того, как природные ресурсы превращены в товар, работа природы при этом не учитывается. Например, стоимость рыбы оценивается после улова, а значимость водоема, где эта рыба водится, деньгами не оценивается. Но стоимость водоема, если ее рассчитать по энергетическому эквиваленту, всегда выше стоимости собираемых в нем продуктов.

Главная цель современной цивилизации - оценка не только производимых товаров и услуг, но и естественных ресурсов и услуг природы, поступления и стоимости биоты из природных экосистем. Необходимо включить «бесплатную» работу природы в разряд экономических ценностей, т. е. повысить экономические системы до уровня экологических. Истощение природных ресурсов неизбежно ведет к дефициту услуг и товаров и в дальнейшем к инфляции и деградации экосистем.

Для биосферы допустимо потребление на какие-либо иные (кроме собственных) нужды не более 1 % от ее общей первичной продукции. Это также следует и из закона Р. Линдемана: около 1 % чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10 % — беспозвоночные как консументы низших порядков и оставшуюся часть — бактерии и грибы - сапрофаги.

Человечество на грани XIX и XX вв. стало использовать большее количество энергии. По данным Н.Ф. Реймерса, сейчас не менее 10 %, а по расчетам В. Г. Горшкова (1980) человечество берет на себя, в свой «антропогенный канал», энергии не менее 1,6 ·10¹³ Вт. г., или до 20 % продукции всей биосферы.

Вероятно, что с величины 0,5 % от общей энергетики биосферы прекратилось действие компенсационного механизма на основе принципа Ле Шателье—Брауна: растительность прекратила давать прирост биомассы, пропорциональный увеличению концентрации СО₂ в атмосфере и т. д.

Ориентировочный порог потребления 5—10 % от суммы веществ, приводящий при переходе через него к заметным изменениям в природных системах, достаточно признан, хотя принят преимущественно на эмпирико-интуитивном уровне. Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1 % (правило 1 %) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода системы из стационарного состояния, а на уровне 10 % — порог саморазрушения системы.

Особое значение имеет момент «выхода из стационарного состояния». Для глобальной энергетической системы (коей является биосфера) этот процесс, по мнению Н.Ф. Реймерса, начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1—0,2 % от величины общепланетарных процессов, т. е. намного раньше, чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье— Брауна и происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.