Энергетика экосистем

 

Федеральное агентство по образованию 

Новосибирский государственный университет экономики  и управления – «НИНХ»

 

Кафедра Территориальной  организации производительных сил

и экономики  природопользования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебная  дисциплина: Общая  экология

Тема курсовой работы:  Энергетика экосистем

Номер группы: 9201

Наименование специальности: Природопользование

Ф.И.О. студента и номер  зачетной книжки: Карагодина Алина  Алексеевна

Дата регистрации представительством: «____» __________2011г.

Дата регистрации институтом: «_____» ________________ 201__ г.

Дата регистрации кафедрой: «_____» __________________ 201__ г.

Проверил: Рублёв Максим Григорьевич

                                                    

 

Оценочная таблица курсовой работы

Задание	Содержательная часть курсовой работы	Правила оформления текста	Использование литературных источников	Уровень изложения темы	Содержательность выводов	Решение экологических задач	Итоговая оценка за курсовую работу	Подпись преподавателя
Кол-во баллов

 

 

 

 

 

 

Новосибирск,2011

План курсовой работы

Введение……………………………………………………………………...............3

Глава 1 Понятия  и законы………………………………………………………...4-8

Раздел 1 Понятия «экосистема» и  «энергия»……………………………………...4

Раздел 2 Законы термодинамики и их связь с  экосистемами…………………..4-8

Резюме к  главе 1…………………………………………………………………..…8

 

Глава 2 Поток  энергии……………………………………………………….…..9-17

Раздел 1 Солнце как первоисточник энергии………………………...……...…9-10

Раздел 2 Трофические  цепи и уровни…………………………………………10-14

Раздел 3 Экологические  пирамиды……………………………………………14-17

Резюме к  главе 2……………………………………………………………………17

 

Глава 3 Энергетика отдельных экосистем……………………………….……18-20

Раздел 1 Энергетика водных экосистем………………………………………18-19

Раздел 2 Энергетика экосистем тропического леса…………………………..19-20

Резюме к  главе 3……………………………………………………………….…..20

Заключение…………………………………………………………………..….21-22

Список литературы………………………………………………………………..23 

ВВЕДЕНИЕ

На данный момент научное понимание всех процессов внутри экосистемы далеко от совершенства, и в большей части исследований либо вся экосистема, либо некоторые её части выступают в качестве «чёрного ящика». В то же время, как любая относительно замкнутая система, экосистема характеризуется входящим и выходящим потоком энергии и распределением этих потоков между компонентами экосистем, одной из задач экологии является изучение превращения энергии внутри экологической системы.

Любая жизнь  требует постоянного притока  энергии и вещества. Энергия — это универсальная валюта вселенной, подавляющая ее часть поступает на Землю от Солнца. В основе всех экологических процессов лежит не только энергия света, но и энергия тепла, которая приводит в действие (помимо всего прочего) круговорот воды, а от него, в свою очередь, зависит круговорот питательных веществ. Экологическая энергетика имеет дело с потоком, превращением и использованием энергии организмами и экосистемами. Усваивая солнечную энергию, зеленые растения создают потенциальную энергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы. Энергия расходуется на осуществление основных жизненных реакций, вещество идет на построение тел организмов.

Существование природных экосистем сопровождается сложными процессами вещественно-энергетического  обмена между живой и неживой  природой. Эти процессы очень важны  и зависят не только от состава  биотических сообществ, но и от физической среды их обитания.Превращения энергии в отличие от цикличного движения веществ идут в одном направлении, почему и говорят о потоке энергии.

Точные расчеты  потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода необходимой для человека продукции.

 

Цель данной курсовой работы систематизация и углубление знаний по теме энергетика экосистем, цель реализуется в системе задач.

Задачи:

• Дать определения понятиям экосистема, энергетика экосистем, поток энергии
• Выяснить по каким законам происходит поток энергии в экосистемах
• Выяснить откуда берется энергия в экосистемах и куда девается
• Выяснить какие существуют пути передачи энергии в  экосистемах, рассмотреть трофические цепи
• Рассмотреть энергетику экосистем на примере тропического леса
• Рассмотреть энергетику водных систем, выявить различия между водными и наземными экосистемами

 

ГЛАВА 1  ГЛАВНЫЕ ПОНЯТИЯ  И ЗАКОНЫ

РАЗДЕЛ 1 ПОНЯТИЯ «ЭКОСИСТЕМА» И «ЭНЕРГИЯ»

Прежде чем говорить об энергетике экосистем, необходимо рассмотреть  такие основополагающие для данной темы понятия, как экосистема и энергия. Понятие экосистемы было введено в науку английским ученым А. Тенсли в 1935 году. Экосистема включает в себя все живые организмы, совместно функционирующие на какой-либо конкретной територии, а также компоненты неживой природы, определяющие характер местности, в которой расположена экосистема. Организменная часть экосистемы взаимодействует с ее неживыми сотавляющими, в результате чего под воздействием энергии, притекающей извне, происходит круговорот веществ между живой и неживой частями экосистемы и складывается ее внутренняя структура. Экосистема — основная функциональная и структурная единица живой природы, носитель ее элементарных свойств.Экосистемы различаются между собой по своим размерам, самой крупной экосистемой является биосфера.

В любой экосистеме следует выделить несколько составляющих ее компонентов. Первый из них — неорганические вещества (углерод, кислород, азот, углекислый газ, вода и т.д.). Затем следуют органические соединения (белки, липиды (жиры), углеводы и др.), являющиеся связующим звеном между живой (биотической) и неживой (абиотической) частями экосистемы. К важным ее элементам относятся и физические факторы абиотической среды (температура, влажность, давление и др.). Биотическая часть экосистемы состоит из живых организмов, подразделяющихся на три основные категории: продуценты, консументы, редуценты, более подробно речь о них пойдет в главе 3.

Одно из определений  энергии характеризует ее, как  общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи, благодаря чему все явления природы  связаны воедино. Изменение энергии  какой — либо системы происходит при совершении работы. Иными словами, энергия — это способность  совершать работу.

 

РАЗДЕЛ 2 ЗАКОНЫ ЭНЕРГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ K ЭКОЛОГИИ

Прежде чем перейти к изучению энергетики экосистем, необходимо также рассмотреть некоторые основы термодинамики. Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

С точки зрения первого закона возможны и равновероятны  любые процессы, в которых вместо исчезнувшего вида энергии появится эквивалентное количество другого вида. Так, первому закону не противоречило бы поднятие груза или закручивание какой-либо пружины за счет внутренней энергии окружающей среды. Почему, в самом деле, камень, лежащий на земле, не может подняться на какую-то высоту за счет охлаждения окружающего воздуха? Однако не поднимается. Переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому означал бы лишь перераспределение энергии внутри системы и также не противоречил первому закону. Однако известно, что сосуд с водой никогда не закипит на холодной плите. Иными словами, первый закон ничего не говорит о возможности и вероятности того или иного процесса, связанного с превращением энергии или ее перераспределением.

Между тем, если внимательно рассмотреть всевозможные процессы, протекающие в окружающем мире, а также проводимые нами самими, окажется, что их можно разбить на две существенно различающиеся группы. Во-первых, это процессы самопроизвольные, т.е. идущие сами собой. Для их проведения не только не затрачивается работа, но будучи поставленными в соответствующие условия, они сами могут произвести работу в количестве, пропорциональном происходящему изменению (например, переход теплоты от горячего тела к холодному, переход энергии заряженного аккумулятора в теплоту и т.д.). Самопроизвольные процессы ведут систему к состоянию равновесия, где силы, вызывающие процессы уравновешиваются (например, выравниваются давление, температура, концентрация и т.д.). В случае попытки повернуть самопроизвольные процессы вспять, мы имеем дело уже с несамопроизвольными процессами. Они не идут сами собой. Для их проведения необходимо затратить работу в количестве, пропорциональном происходящему изменению.

Критерии  самопроизвольного или несамопроизвольного изменения системы, а также критерии равновесия устанавливает второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному. Для целей экологии наиболее удобными являются следующие формулировки:

- процессы, связанные с превращениями энергии,  могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, т.е. деградирует;

- поскольку  некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100%.

Энтропия (от греческого entropia - поворот, превращение) - мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии. Система обладает низкой энтропией, если способна создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности за счет непрерывного рассеяния легко используемой, концентрированной энергии (например, света или пищи) и превращения ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую).

Закон сохранения энергии и закон энтропии - это фундаментальные законы природы, имеющие универсальное значение. Из этих физических законов нет исключений и никакие технические изобретения не могут их нарушить. Любая искусственная или естественная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель.

Легко показать, каким образом сформулированные фундаментальные физические концепции можно отнести к экологии. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии, хотя энергия при этом не создается и не уничтожается ,о чем свидетельствует первый закон термодинамики. Энергия, получаемая в виде света поверхностью Земли, уравновешивается энергией, излучаемой с поверхности Земли в форме невидимого теплового излучения. Сущность жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего все эти изменения, не было бы ни жизни, ни экологических систем. Экология, по сути дела, изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Ибо отношения между растениями-продуцентами и животными-консументами, между хищником и жертвой, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом местообитании, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных форм в рассеянные.

Значительная  часть солнечного излучения, поступающего в биосферу, поглощается поверхностью земли, воды или биологическими объектами, которые при этом нагреваются. В  результате световая энергия превращается в другую форму энергии - тепловую, то есть в энергию колебательных  и поступательных движений атомов и  молекул. В ходе неравномерного поглощения солнечных лучей сушей и водой  возникают теплые и холодные области - это служит причиной образования  воздушных потоков, которые могут  вращать ветряные двигатели и  выполнять другую работу, скажем, поднимать воду насосом против действия силы тяжести. Итак, в этом случае энергия света превращается в тепловую энергию земной поверхности, а затем в кинетическую энергию движущегося воздуха, которая выполняет работу подъема воды. При поднятии воды энергия не исчезает, а превращается в потенциальную, поскольку энергию, скрытую в поднятой воде можно снова превратить в какую-либо другую форму энергии, если дать воде опять упасть. Энергия в какой-либо форме всегда пропорциональна количеству той формы энергии, в которую она переходит. "Потребленная энергия" не расходуется, она только переводится из состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой возможностью использования.

Как следует  из второго закона термодинамики, любой  вид энергии в конечном счете  превращается в тепло - форму энергии, наименее пригодную для превращения в работу и наиболее легко рассеивающуюся. Так, попав на Землю, лучистая энергия солнца стремится превратиться в тепловую. Лишь очень небольшая часть световой энергии, поглощенной зелеными растениями, превращается в потенциальную энергию пищи, большая же ее часть превращается в тепло, покидающее затем и растение, и экосистему, и биосферу. Весь остальной живой мир получает необходимую потенциальную химическую энергию из органических веществ, созданных фотосинтезирующими растениями или хемосинтезирующими микроорганизмами. Например, животные поглощают химическую потенциальную энергию пищи и большую ее часть превращают в тепло, а меньшую вновь переводят в химическую потенциальную энергию заново синтезируемой протоплазмы. На каждом этапе передачи энергии от одного организма к другому значительная часть ее превращается в тепло; рассеивается в соответствии со вторым законом термодинамики.