3.3. Потік енергії на земній кулі

Енергія – це загальна кількісна міра руху та взаємодії усіх видів матерії. Відповідно до закону збереження енергії вона не зникає та не виникає з нічого, а тільки переходить з однієї форми в іншу.

На відміну від речовин, які можуть циркулювати по різних блоках екосистем, використовуватись повторно і формувати круговороти, енергія становить собою постійний односпрямований потік. У таких потоках енергія може перетворюватися з однієї форми на іншу доти, док"и не розсіється в космічному просторі у вигляді тепла. Поведінку енергії описують закони термодинаміки. Перший з них (закон збереження енергії) стверджує, що

енергія не може бути створена заново або знищена, вона лише перетворюється з однієї форми на іншу. Другий закон говорить, що при перетвореннях енергії з однієї форми на іншу ніколи не можу бути 100-відсоткового її переходу. Якась частина енергії буде втрачена, розсіяна.

Потік енергії на Землі має три джерела:

а) кінетична енергія обертання Землі та її супутника Місяця як космічних тіл. Вона проявляється в морських припливах, енергія яких недоступна живим організмам, але може використовуватися людиною;

б) енергія земних надр, яка підтримується ядерним розпадом урану та торію. Ця енергія виділяється у формі геотермічного тепла. У вулканічних районах вона використовується для опалення оранжерей та басейнів;

в) сонячна енергія, на базі якої здійснюється життєдіяльність автотрофних організмів.

На Сонці енергія виникає в результаті ядерних перетворень. Головне з них – це перетворення водню в гелій через дейтерій. Променева енергія Сонця (рис. 3.2) проявляється в амплітуді довжини хвиль від 0,3 до 2,0 мкм. Частка ультрафіолетового випромінювання в ній невелика. Воно в основному затримується озоновим екраном планети. Приток енергії до зовнішньої поверхні атмосфери планети від Сонця порівняно постійний – це так звана сонячна постійна, яка дорівнює 1,93 кал/ см² за 1 хв. Вона відхиляється від середнього значення лише на 0,1-0,2%. Але тривалих спостережень за величиною сонячної постійної поки що не велося, і її багатовікові тенденції не відомі.

А»

Спеціалісти вважають, що протягом останнього мільярду років сонячна постійна не змінювалася.

Всього до Землі доходить 10,5 • 10⁶ кДж/м² на рік променистої енергії. Але 40% її відразу відбивається у космічний простір, а 15% – поглинається атмосферою: або перетворюється в тепло, або витрачається на випаровування води. В атмосфері сонячну радіацію поглинає здебільшого водяна пара. В океанах цю роль виконує рідина (вода), на суходолі – гірські породи та ґрунт. Велика частина радіації відбивається в атмосферу від поверхні льоду та снігу.

Усю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Вони перетворюють вільну променисту енергію в хімічно зв’язану, яка потім переходить від одних біосферних структур до інших (рис. 3.3). При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та розсіюється в навколишньому просторі. У більш детальному вигляді схема потоку енергії показана на рис. 3.4. Рослини та земна поверхня в середньому поглинають 5- 10^вкДж/м² енергії на рік. Ця величина різна на різних широтах. Ефективність перенесення енергії в живій речовині досить низька. При перенесенні від продуцентів до консументів першого порядку вона складає всього 10%. Перенесення від консументів першого порядку до консументів другого порядку більш ефективне – 20%. Таким чином, бачимо, що травоїдні тварини менш ефективно використовують їжу, ніж м’ясоїдні. Це в багатьох випадках пов’язано з хімічним складом їжі. У рослинах переважає лігнін і целюлоза та є захисні речовини від фітофагів. Завершується потік

енергії на редуцентах, де енергія або ж остаточно розсіюється у вигляді тепла, або акумулюється в мертвій органічній речовині (детрит). Однією з форм тривалого збереження акумульованої енергії є нафта, кам’яне вугілля та торф.

У різних екосистемах, що складають біосферу, потоки енергії своєрідні та відрізняються кількісними показниками, але напрямок та принциповий тип потоку енергії в біосфері однаковий. Для аналізу особливостей потоку енергії корисно розглянути схеми на рис. 3.5, що показують своєрідність потоку енергії в екосистемі лісу, та на рис. 3.6, де показані напрямки потоку енергії в екосистемах луків.