4. Энергетический баланс биосферы. Изменения энергетического баланса биосферы, связанные с деятельностью человека

Энергия - это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Согласно закону сохранения энергии она не исчезает и не возникает из ничего, а только переходит с одной формы в другую.

Поток энергии на Земном шаре имеет три источника:

• кинетическая энергия оборота Земли и ее спутника Луны как космических тел. Она проявляется в морских притоках, энергия которых недоступна живым организмам, но может использоваться человеком;

• энергия земных недр, которая поддерживается ядерным распадом урана и тория. Эта энергия выделяется в форме геотермического тепла. В вулканических районах она используется для отопления оранжерей и бассейнов;

• солнечная энергия, на базе которой осуществляется жизнедеятельность у автотрофных организмов.

На Солнце энергия возникает в результате ядерных преобразований. Главное из них - это превращение водорода в гелий через дейтерий. Лучевая энергия Солнца проявляется в амплитуде длины волн от 0,3 до 2,0 мкм. Судьба ультрафиолетового излучения в ней небольшая. Оно в основном задерживается озоновым экраном планеты. Притек энергии к внешней поверхности атмосферы планеты от Солнца сравнительно постоянный - это так называемая солнечная постоянная, которая равняется 1,93 кал/см² за 1 мин. Она отличается от среднего значения всего только на 0,1-0,2%. Но продолжительных наблюдений за величиной солнечной постоянной пока что не велось и ее многовековые тенденции неизвестны.

По неофициальным данным, специалисты считают, что на протяжении последнего миллиарда лет солнечная постоянная не изменялась. Всего к Земле доходит 10,5x106 кДж/м² в год лучистой энергии. Но 40% ее сразу отражается в космическое пространство, а 15% поглощается атмосферой: превращается в тепло, или тратится на выпаривание воды. В атмосфере в основном солнечную радиацию поглощает водные пары. В океанах эту роль выполняет жидкость (вода), на суше - горные породы и грунт. Большая часть радиации отражается в атмосферу от поверхности льда и снега

Всю биосферу можно расценивать как единое естественное образование, которое поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит с одной формы в другую и рассеивается в виде тепла. Основными преобразователями энергии в биосфере, является живые организмы. Они превращают свободную лучистую энергию в химически связанную, которая потом переходит от одних биосферных структур к другим.

При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и теряется в окружающем пространстве. Растения и земная поверхность в среднем на год поглощают 5x106 кДж/м² энергии. Эта величина разная на разных широтах. Эффективность перенесения энергии в живом веществе довольно низкая. При ее перенесении от продуцентов до консументов первого порядка она составляет всего 10%, а при перенесении от консументов первого порядка к консументов второго порядка 20%.

Итак, видно, что травоядные животные менее эффективно используют пищу, чем плотоядные. Это во многих случаях связано с химическим составом пищи. В растениях преобладает лигнин и целлюлоза и есть защитные вещества от фитофагов. Завершается поток энергии на редуцентах, где энергия или же окончательно рассеивается в виде тепла, или аккумулируется в мертвом органическом веществе (детрит). Одной из форм продолжительного сохранения аккумулированной энергии есть нефть, уголь и торф.

Поток солнечной энергии, который поступает в биосферу, приводит в действие биохимический круговороте. В отличие от круговоротов воды и других веществ поток энергии движется в одном направлении. Если падающий поток солнечной энергии имеет вертикальное направление, то дальнейший его путь имеет большей частью горизонтальный (латеральный) характер.

Большим энергетическим потенциалом отмечаются латеральные потоки воздушных масс (ветер), которые, проникая в лес или луговые фитоценозы, расшатывают стволы и стебли, расшевеливают листовые пластинки или цветы, поднимают и переносят семена, охлаждают нагретую растительную среду, содействуя тем самым дальнейшей трансформации возбужденной механической энергии в тепловую или химическую. Латеральные снеговые заметы оказывают содействие накоплению влаги в полезащитных полосах и опушках лесных экосистем, которая со временем повысит энергию биохимических процессов. Латеральные потоки энергии приливов оказывают содействие более скорому кругообороту минеральных элементов питания, перемещению корма и отходов. Человечество научилось использовать дополнительную энергию природы, создав современные технологии возобновляемой энергии.

Радиальные и латеральные потоки энергии, могут возникать и вследствие антропогенной деятельности. Прежде всего, это радиальные потоки химических, металлургических, горно-перерабатывающих предприятий и тепловых электростанций, которые выбрасывают в атмосферу огромное количество токсичных выбросов. Дальше они уже латеральными воздушными потоками (часто трансконтинентальными) переносятся на большие расстояния и снова - таки радиальными потоками опускаются на земную поверхность. Эти потоки механической энергии являются транспортом для химической энергии, которая проявляет себя в биологических процессах конкретных наземных и водных биогеоценозов.

Большие города и индустриальные центры являются мощными источниками латеральных тепловых потоков, которые перемещаются от центра города к его окраинам. Часто вместе с тепловыми потоками перемещаются латералями полютанты, большей частью автотранспортные выбросы, а также пыль. В больших городах наблюдается рассеивание тепловой энергии (энтропия), которая ведет к ксерофилизации атмосферного и грунтового воздуха и алкализации (ощелачивание) городских грунтов. Эти латеральные тепловые и полютанто-загрязняющие потоки энергии изменяют растительный и животный мир естественных ландшафтов, создают новое живое вещество городов, которое пока что слабо изучено. Антропогенная энергия (механическая, тепловая, химическая) может концентрироваться в отдельных естественных экосистемах, повышая их производительность (агроэкосистемы) или же, при неумелом включении этой энергии в естественный поток, приводить к их деградации.

Учитывая, что энергия - общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем как сконструированных человеком, так и естественных, Ю.Одум (1986) предлагает принять энергию за основу для "первичной"" классификации экосистем.

Итак, за уровнем поступления энергии в экосистемы их разделяют на четыре группы:

- естественные, которыми двигает Солнце

- естественные, которыми двигает Солнце и другие естественные источники;

- подверженные влиянию Солнца и субсидируемые человеком;

- индустриально - городские, которые поддерживаются топливом (добытым из полезных ископаемых, других органических или ядерных источников).

Приведенные Ю.Одумом примеры объясняют особенности функционирования этих систем, которые можно было бы отнести по иерархическому рангу к биогеоценотическим комплексам и даже биомам. В параметры биологической системы не вкладывается индустриально-городская экосистема, которая является одной из разновидностей социально-экономических систем. Остановимся лишь на индустриально-городской экосистеме, которую Ю.Одум в одной работе называет "венцом" достижений человечества, в другой - его "опухолью". Здесь, - подчеркивает ученый, - высококонцентрированная потенциальная энергия топлива не просто дополняет, а заменяет солнечную энергию. При современных методах ведения городского хозяйства солнечная энергия в самом городе не только не используется, а становится весьма ценным препятствием, поскольку она нагревает бетон и оказывает содействие образованию смога.

Пищу, продукт систем, которые двигает Солнце, можно считать внешней столовой города, поскольку преобладающую часть продуктов ввозят извне. Города по мере роста цен на топливо, наверное, станут больше интересоваться использованием солнечной энергии. Возможно, возникнет новый тип экосистемы города, который поднимет значение Солнечной энергии.