Термодинамика экосистем: закон энтропии
Экология изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются следующими законами. 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. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному, в частности таким образом: 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 %. Мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования -энтропия (от греч. entropia - поворот, превращение). Этот термин также используется как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии. Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом - способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. И. Пригожин (1962) показал, что способность к самоорганизации и созданию новых структур встречается в системах, далеких от равновесия и обладающих хорошо развитыми «диссипативными структурами», откачивающими неупорядоченность. Экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики. Термин «энтропия» используется и в более широком смысле - для обозначения деградации различных материалов. Так, недавно выплавленная сталь - это низкоэнтропийное состояние железа, а ржавеющий кузов автомобиля - высокоэнтропийное. Соответственно для «высокоэнтропийного» человеческого общества характерна деградация энергии, ржавеющая техника, лопающиеся водопроводные трубы и разрушаемая эрозией почва. Постоянные восстановительные работы - неизбежная плата за цивилизацию с высоким расходом энергии. 5. Экологические законы, связанные с энергетическими потоками биосферыПРИНЦИП ЛЕ ШАТАЛЬЕ-БРАУНА - при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Следствием из принципа Ле Шаталъе - Брауна) является ЗАКОН ТОРМОЖЕНИЯ РАЗВИТИЯ - в период наибольших потенциальных темпов развития системы возникают максимальные тормозящие эффекты. Принцип Ле Шаталье-Брауна применим в рамках классической физики для описания процессов в закрытых системах (не получающих энергии извне); так как экосистемы — принципиально открытые системы (обмениваются энергией, веществом, информацией с окружающей средой), то для их описания более корректными выглядят представления теории нелинейных необратимых процессов. Для закрытых систем общим принципом является второе начало термодинамики, для открытых - ПРИНЦИП НЕРАВНОВЕСНОЙ ДИНАМИКИ ПРИГОЖИНА-ОНСАГЕРА - Неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса». Если закрытые системы имеют одно состояние равновесия, то открытые - несколько. Перейдя границу устойчивости система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В этой точке даже небольшая флуктуация может вывести систему на иной путь эволюции и резко изменить ее структуру и поведение. ПОСТУЛАТ МАКСИМУМА БИОГЕННОЙ ЭНЕРГИИ Вернадского-Бауэра - любая экосистема, находясь в состоянии "устойчивого неравновесия" (т.е. динамического подвижного равновесия с окружающей средой) и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЧИСЕЛ Элтона (1927) - число индивидуумов в последовательности трофических уровней убывает и формирует пирамиду чисел. ЗАКОНПИРАМИДЫ БИОМАСС (Одум, 1975). Пирамиды биомасс представляют более фундаментальный интерес, так как они дают "...картину общего влияния отношений в пищевой цепи на экологическую группу как целое". ЗАКОН ПИРАМИДЫ ПРОДУКТИВНОСТИ - более стабильная "пирамида", чем пирамида чисел или пирамида биомасс, которая в значительно большей степени отражает последовательность трофических уровней. ПРАВИЛО ДЕСЯТИ ПРОЦЕНТОВ (пирамида энергий Станчинского) - средне-максимальный переход 10 % энергии (или вещества в энергетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы в целом и теряющего энергию трофического уровня последствиям. АКСИОМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ АККУМУЛЯЦИИ ЭНЕРГИИ - часть проходящей через экосистему энергии накапливается и временно "выключается" из общего энергетического потока. ПРАВИЛО ОДНОГО ПРОЦЕНТА В.Г. Горшкова (1985) - изменение энергетики природной системы на 1%, как правило, выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. ПРИНЦИП МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ Лотки-Одума-Пинкертона - в «соперничестве» с другими экологическими объектами выживают (сохраняются) те из них, которые наилучшим образом способствуют поступлению энергии и используют максимальное ее количество наиболее эффективным способом. 6. Элементы биоэнергетики экосистем Особая роль растительности в общей структуре живой природы связана с основной функцией растительного покрова нашей планеты - аккумуляцией и превращением солнечной энергии в энергию химических связей органического вещества с последующей передачей ее тем компонентам экосистемы, которые не в состоянии самостоятельно фиксировать энергию Солнца. Установлено, что к верхним слоям атмосферы Земли от Солнца приходят 1,94 кал/см2 в минуту, из которых биосферы достигает только около 0,9 кал/см2/мин, а поверхности Земли - менее 0,3 кал/скг/мин. В средних широтах каждый гектар поверхности планеты получает 9-10 кал/год. Однако верхний предел фиксации солнечной энергии растительность составляет всего 5 % от посылаемой Солнцем энергии. Энергия в экосистеме на примере смешанного леса представлена на рисунке 8. Рис. 8. Энергия в экосистеме на примере смешанного леса Всякий источник энергии, уменьшающий затраты на самоподдержание экосистемы и увеличивающий ту долю энергии, которая может перейти в продукцию, называется вспомогательным потоком энергии, или энергетической субсидией. Фактор, который при одних условиях среды или при одном уровне поступлений увеличивает продуктивность, при других условиях среды или другом уровне поступлений может способствовать утечкам энергии, уменьшая продуктивность (рисунок 9). Обобщенная кривая, показывающая, как увеличенное поступление энергии или веще- Рис. 9. Кривые субсидии и стресса ства может вывести систему из диапазона обычного функционирования (N). Если система может использовать этот излишек, то ее основные функции, например продуктивность, при умеренных уровнях повышения притока могут усилиться (эффект субсидии— Sub), но при дальнейшем увеличении притока эти функции начинают подавляться (эффект стресса — St). Если поступают ядовитые вещества, функции подавляются и высока вероятность того, что сообщество заменится другим, более толерантным, или экосистема вообще погибнет. R — замещение, L — гибель.
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (4246)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |