Тема 5. Энергия в природных системах
Изучение этой темы следует начинать с понятия энергии, классификации энергии, классификации источников энергии, понятия качества энергии, классификации качества энергии, законов термодинамики, коэффициента полезного действия, понятия автотрофов, гетеротрофов, правила экологической пирамиды.
Базовые знания
Основной источник энергии на нашей планете — это солнечная энергия. Под солнечной энергией понимают не только солнечное излучение, но и вторичную энергию, возникающую под действием первичного излучения Солнца. К основным формам вторичной энергии относятся — энергия ветра, энергия текучей воды, энергия биомассы. Энергия различается по качеству или способности совершать полезную работу. Качество энергии — это мера ее эффективности. Энергия высокого качества характеризуется большей степенью упорядоченности или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу, и обладает низкой энтропией.
Качество энергии можно классифицировать:
– на очень высокое (электричество, реакции ядерного деления, термоядерные реакции, сильный ветер, концентрированная солнечная энергия (в естественных условиях не встречается));
– высокое (газ, водород, бензин, уголь, пища);
– среднее (обычный солнечный свет, умеренный ветер, быстротекущая вода, дрова и отходы сельскохозяйственных культур);
– низкое качество (рассеянная энергия, низкотемпературное тепло в воздухе вокруг нас или в реке, озере, океане).
Для избегания ненужных потерь энергии, лучше применять источник энергии того качества, которое требуется для выполнения поставленной задачи, — это означает, что не следует использовать энергию более высокого качества, чем необходимо. Чтобы горел свет, работали электродвигатели и электронные приборы, необходима электрическая энергия высокого качества. Однако для отопления помещений можно использовать низкотемпературное тепло.
С точки зрения изучения потоков энергии важны два начала термодинамики. Первое гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону, при любом химическом или физическом взаимодействии, при любом перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой. Живые системы можно рассматривать как «работающие машины», которые не могут работать без постоянного притока энергии. Хотя энергия существует во многих формах, для живых существ пригодны только две формы: световая и химическая. Те организмы, которые синтезируют органические вещества за счет энергии света, называются фототрофами, а те, которым для этого нужна химическая энергия, — хемотрофами. Согласно второму началу термодинамики, в результате превращений энергии неизбежны ее потери. В фитоценозах трансформация энергии сопровождается потерями. Лишь около 0,1% энергии превращается в биопродукцию. Проходя через живые организмы экосистемы, в окружающую среду выделяется низкоэффективная тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается. Процентное содержание энергии высокого качества, переходящей из одного трофического уровня в другой, колеблется от 2 до 30%. Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии. Пирамида энергетических потоков объясняет, почему можно прокормить большее число людей, если сократить пищевую цепь до прямого потребления зерновых.
Энергетические закономерности
1. Человек не можем создавать или разрушать энергию, мы можем лишь менять ее форму.
2. Концентрированная энергия (уголь, нефть, уран) является энергией высокого качества и может быть использована. Использование рассеянной низкокачественной энергии ограничено.
3. Для совершения работы необходима энергия высокого качества, которая не может быть повторно использована. Необходимо обдуманно выбирать источники энергии.
4. На Земле только растения способны улавливать и концентрировать космическую энергию Солнца. От состояния растений зависит жизнь и благополучие всех обитателей планеты.
Производство и потребление энергии
Потребляемая энергия производится в результате преобразования других видов энергии. Различают три основных способа ее преобразования. Первый — получение тепла при сжигании топлива и потребление его для обогревания. Второй — преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу. Третий — преобразование тепла, выделяемого при сгорании топлива, в электрическую энергию с последующим ее потреблением для различных целей. Здесь электрическая энергия выступает как посредник. Самой энергоемкой отраслью является химическая промышленность. В общих затратах на производство многих видов продукции на долю электроэнергии приходится 19-25%. Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Так, КПД тепловых электростанций составляет около 40%, атомных — 32%. Особенно велики потери, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло, либо другие виды энергии на месте потребления. Большими потерями сопровождается передача энергии на расстояние.
Тепловые электростанции. Энергия, выработанная при сгорании, преобразуется в электрическую. КПД — 40%. Охлаждающей воде передается 75% тепловых отходов. Идет тепловое загрязнение воды.
Гидроэлектростанции. Потенциальная энергия падающей воды преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины, которая в свою очередь превращается электрическую. КПД около 60%, но строительство обходится дорого и нарушается экологическое равновесие.
Приливные электростанции. Стоимость строительства в 2,5 раза выше сооружения гидроэлектростанции, но низкая себестоимость и минимальный ущерб окружающей среде.
Геотермальные источники энергии. Резерв экологически чистой и возобновляемой тепловой энергии. Исландия с помощью этой энергии полностью обеспечивает свои потребности. Но ее трудно закачать в систему, повреждаются турбины, так как вода содержит много солей, и могут загрязняться водоемы. Использование гейзеров вызывает тепловые загрязнения, гейзер не вечен.
Гелиоэнергетика. КПД от 12 до 50%. Преобразует энергию электромагнитного излучения в электрическую. Главное препятствие — низкая интенсивность солнечного излучения, поэтому коллекторы нужно размещать на огромной площади и огромных размеров. Это материалоемкая и трудоемкая энергия.
Ветроэнергетика. В 1910 году в нашей стране было около миллиона ветряных мельниц. Дешевая энергия. Запасы неисчерпаемы, особенно расположенные на море, где можно получать в 2,5 раза больше энергии, чем на суше. Экологически безопасны, но могут создавать помехи для радио- и телепередач. Требуются прочные конструкции, проблемы обслуживания башен, варьирует скорость ветра или он отсутствует.
Атомная энергетика. Создает 17% мирового объема энергии, в
России — около 15%. Проблемы с безопасностью эксплуатации.
Вопросы для самоконтроля
1. Почему с энергетикой связывают наиболее острые экологические проблемы
2. Какие традиционные источники энергетики вам известны?
3. Назовите альтернативные источники энергии.
4. В чем проявляются положительные и отрицательные свойства каждого из них?
5. Какие варианты тепловой энергетики наиболее перспективны и экологически безопасны?
6. Какие особенности атомной энергетики подчеркивают ее защитники?
7. Возможна ли полностью безопасная атомная энергетика?
8. Какие биологические и физические способы использования солнечной энергии наиболее перспективны?
9. Какие первостепенные природоохранные мероприятия необходимы для тепловых электростанций?
10. Что такое возобновляемые источники энергии? Выделите принципиальные особенности каждого из них.
11. В чем заключается широкое понимание экологических воздействий нетрадиционных возобновляемых источников энергии на природную и окружающую человека среду? На что влияет в хозяйственной деятельности человека?
12. Какие экологические воздействия на природную среду характерны для гидроэнергетических станций?
13. Какие преимущества и недостатки в экологическом аспекте присущи биоэнергетике?
Тема 6. Значение и функции биологического разнообразия
Изучение этой темы следует начинать с выяснения видового разнообразия систематических групп: бактерий, растений, грибов, животных. Вспомнить о взаимосвязях различных групп живых организмов, понятие продуцентов, консументов, редуцентов. Уясните почему биологическое разнообразие является основным условием существования экосистемы, причины редкости видов и методы сохранения биоразнообразия.
Базовые знания
Биоразнообразие сокращенное от "биологическое разнообразие" - означает разнообразие живых организмов во всех его проявлениях: от генов до биосферы. Большое внимание вопросам изучения, использования и сохранения биоразнообразия стало уделяться после подписания многими государствами Конвенции о биологическом разнообразии (Конференция ООН по окружающей среде и развитию, Рио-де Жанейро, 1992). Понятие биологического разнообразия включает в себя все виды растений, животных и микроорганизмов, а также экосистемы, составной частью которых они являются. По современным данным в природе около 600 тысяч растений и более 2 млн. животных. Это разнообразие всегда было загадкой для умов и казалось избыточным.
Ответ на вопрос о значении биологического разнообразия можно найти при изучении структуры и функционирования биоценозов. Высокое видовое разнообразие обеспечивает следующие свойства этих сложных систем.
1. Взаимная дополнительность частей. В сообществах уживаются те виды, которые делят между собой экологические ниши и дополняют друг друга в использовании ресурсов среды. Взаимная дополнительность видов, созидающих и разрушающих органическое вещество, лежит в основе биологических круговоротов.
2. Взаимозаменяемость видов. Любой вид биоценоза может быть заменен другим, со сходными экологическими требованиями и функциями. Хотя полностью похожих друг на друга видов в природе нет, но многие перекрываются по основным экологическим требованиям, отличаясь лишь деталями. Такие виды обычно заменяют друг друга в похожих сообществах.
3. Регуляторные свойства. Саморегуляция возникает на основе обратных связей. Принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что отклонение системы от нормы приводит в действие силы, направленные на возвращение ее в нормальное состояние.
4. Надежность обеспечения функций. Главные функции биоценоза в экосистеме - создание органического вещества, его разрушение и регуляция численности видов - обеспечиваются множеством видов, как бы страхующих деятельность друг друга. Разнообразие видов в экосистемах обеспечивает надежность их функционирования.
Таким образом, биологическое разнообразие - это главное условие устойчивости всей жизни на Земле. За счет этого разнообразия жизнь не прерывается уже несколько миллиардов лет. В сложные периоды геологической истории многие виды вымирали, разнообразие понижалось, но экосистемы материков и океанов выдерживали эти катастрофы.
Человеческая деятельность на Земле по влиянию на видовое разнообразие в настоящее время начинает превосходить все известные в прошлом геологические катастрофы. Поэтому очень важно не допустить снижения уровня биологического разнообразия, которое бы отразилось на устойчивости и природных, и антропогенных систем.