7.4. Енергетичний баланс біосфери. Зміни енергетичного балансу біосфери, пов'язані з діяльністю людини

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 до іншої. Потік енергії на Земній кулі має три джерела:

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

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

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

На Сонці енергія виникає в результаті ядерних перетворень. Головне з них — це перетворення водню в гелій через дейтерій. Променева енергія Сонця 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. Притік 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 всього тільки на 0,1—0,2%. Але тривалих спостережень за величиною сонячної постійної поки що не велося і її багатовікові тенденції не відомі.

За неофіційними даними, спеціалісти вважають, що протягом останнього мільярда років сонячна постійна не змінювалася. Всього до Землі доходить 10,5x10е кДж/м2 у рік променистої енергії. Але 40% ц одразу відбивається у космічний простір, а 15% поглинається атмосферою: перетворюється в тепло, або витрачається на випаровування води. В атмосфері в основному сонячну радіацію поглинає 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 (рис. 7.2).

Всю 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 і розсіюється у вигляді тепла.

Основними перетворювачами енергії в біосфері е живі організми. Вони перетворюють вільну променисту енергію в хімічно зв'язану, котра потім переходить від одних біосферних структур до інших (рис. 7.3).

При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та втрачається в навколишньому просторі. Рослини та земна поверхня в середньому на рік поглинають 5х106 кДж/м2 енергії. Ця величина різна на різних широтах. Ефективність перенесення енергії в живій речовині доволі низька. При її перенесенні від продуцентів до консументів першого порядку вона становить всього 10%, а при перенесенні від консументів першого порядку до консументів другого порядку — 20%.

Отже, видно, що травоїдні тварини менш ефективно використовують їжу, ніж м'ясоїдні. Це в багатьох випадках пов'язано з хімічним складом їжі. У рослинах переважають 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, вугілля і торф.

Потік сонячної енергії, який надходить до біосфери, приводить в дію біохімічний кругообіг. Як зазначено, на відміну від кругообігів води та інших речовин, потік енергії рухається в одному напрямку. Якщо падаючий потік сонячної енергії має радіальний (вертикальний) напрямок, то подальший його шлях має здебільшого горизонтальний (латеральний) характер.

Великим енергетичним потенціалом відзначаються латеральні потоки повітряних мас (вітер), які, проникаючи в лісові чи лугові фітоценози, розхитують стовбури і стебла, розворушують листові пластинки чи квіти, здіймають і переносять насіння, охолоджують нагріте рослинне середовище, сприяючи тим самим подальшій трансформації збудженої механічної енергії в теплову чи хімічну. Латеральні снігові замети сприяють накопиченню вологи у полезахисних смугах та узліссях лісових екосистем, що згодом підвищить енергію біохімічних процесів. Латеральні потоки енергії приливів сприяють швидшому кругообігу мінеральних елементів живлення, переміщенню корму і відходів. Людство навчилося використовувати додаткову енергію природи, створивши сучасні технології відновлювальної енергії.

Радіальні і латеральні потоки енергії можуть виникати і внаслідок антропогенної діяльності. Передусім це радіальні потоки хімічних, металургійних, гірничопереробних підприємств і теплових електростанцій, які виносять в атмосферу величезну кількість токсичних викидів.

Далі вони вже латеральними повітряними потоками (часто трансконтинентальними) переносяться на великі віддалі і знову таки радіальними потоками опускаються на земну поверхню. Ці потоки механічної енергії є транспортом для хімічної енергії, яка проявляє себе в біологічних процесах конкретних наземних і водних біогеоценозів.

Великі міста та індустріальні центри є потужними джерелами латеральних теплових потоків, які переміщуються від ядра міста до його околиць. Часто разом з тепловими потоками переміщуються латералями полютанти, здебільшого автотранспортні викиди, а також пил. У великих містах спостерігається розсіювання теплової енергії (ентропія), яка веде до ксерофілізації атмосферного і ґрунтового повітря та алкалізації (олужнення) міських ґрунтів. Ці латеральні теплові та полютанто-забруднюючі потоки енергії змінюють рослинний і тваринний світ природних ландшафтів, створюють нову живу речовину міст, яка поки що слабо вивчена. Антропогенна енергія (механічна, теплова, хімічна) може концентруватися в окремих природних екосистемах, підвищуючи їх продуктивність (агроекосистеми), або ж, при невмілому включенні цієї енергії в природний потік, призводити до їхньої деградації.

Враховуючи, що енергія — спільний знаменник і вихідна рушійна сила всіх екосистем — як сконструйованих людиною, так і природних, Ю. Одум (1986) пропонує прийняти енергію за основу для "первинної" класифікації екосистем. Отже, за рівнем надходження енергії в екосистеми їх поділяють на чотири групи:

• природні, якими рухає Сонце;

• природні, якими рухають Сонце та інші природні джерела;

• рухомі Сонцем і субсидовані людиною;

• індустріально-міські, які утримуються паливом (добутим із корисних копалин, іншими органічними або ядерними джерелами).

Наведені Ю. Одумом приклади пояснюють особливості функціонування цих систем, які можна було б віднести за ієрархічним рангом до біогеоценотичних комплексів і навіть біомів. У параметри біологічної системи не вкладається індустріально-міська екосистема, яка є однією із різновидів соціально-економічних систем. Спинімося лише на індустріально-міській екосистемі, яку Ю. Одум в одній роботі називає "вінцем" досягнень людства, в іншій — його "пухлиною". Тут, наголошує вчений, висококонцентрована потенційна енергія палива не просто доповнює, а заміняє сонячну енергію. При сучасних методах ведення міського господарства сонячна енергія у самому місті не лише не використовується, а стає надто коштовною перешкодою, оскільки вона нагріває бетон і сприяє утворенню смогу. їжу, продукт систем, які рухає Сонце, можна вважати зовнішньою їдальнею міста, оскільки переважну частину продуктів ввозять іззовні. Міста в міру зростання цін на паливо, ймовірно, стануть більше цікавитися використанням сонячної енергії. Можливо, виникне новий тип екосистеми міста, якою буде рухати Сонце із допоміжною енергією палива.