ПОТІК І ТРАНСФОРМАЦІЯ ЕНЕРГІЇ В ГЕОСИСТЕМІ

Енергетичні потоки в геосистемі

Основним джерелом енергії для багатьох процесів в геосистемі є сонячна енергія. Енергія, що надходить від інших джерел, є мізерною у порівнянні з сонячною.              

Наприклад: теплова енергія земних надр складає ~ 0,04% від сумарної сонячної радіації, а енергія тектонічних рухів – ~ 0,0005%.

Сонячна енергія може трансформуватися в інші види енергії, завдяки чому відбувається водообмін, циркуляція повітряних мас, можливе існування біотичних компонентів, тощо.

На верхню границю атмосфери Землі надходить величезна кількість сонячної енергії, яка є згубною для живих організмів. Але проходячи крізь атмосферу, ця енергія затримується атмосферними газами і пилом. Ступінь затримання залежить від довжини хвилі променів. У верхніх шарах атмосфери затримуються найбільш «жорсткі» та небезпечні іонізуючі промені, у стратосфері (озоновий шар) затримується ультрафіолетове випромінювання. Завдяки чому можливе життя на планеті. Найменше затримується видиме світло, необхідне для фотосинтезу, та інфрачервоне світло.

Сумарна радіація (R) складається з прямої (RI) та розсіяної (RS). Співвідношення між ними залежить від географічного положення геосистеми, хмарності та інших кліматичних факторів.

Чим більшою в даній геосистемі є частка прямої радіації (сухий клімат), тим більше значення має експозиція схилів (кут крутизни схилу і на якій стороні схил).

Частина сумарної радіації, досягаючи геосистеми, витрачається на ефективне випромінювання в атмосферу (RF), або відбивається поверхнею геосистеми (RA).

Величина енергії відбиття залежить від характеру поверхні геосистеми.

Наприклад: у листяному лісі це – 14-17 % сумарної радіації

                     у степу – 20-23 %

                     від засніженій поверхні відбивається до 95 % радіації.

Та частина сумарної радіації, яка безпосередньо залучається до процесів у геосистемі, називається радіаційним балансом (RB).

Значна частина радіаційного балансу витрачається на випаровування (Е) та віддачу атмосфері (G), тобто на забезпечення водообміну і нагрівання повітря геосистеми.

Витрати тепла на фотосинтез (Р) становлять дуже малу частину радіаційного балансу, в середньому 1,3 %. Хоча рослинний покрив поглинає близько 40% світлової енергії, більша частина її йде на транспірацію і регулювання температури рослин, і лише близько 1% безпосередньо на фотосинтез. Ефективність фотосинтезу визначається гідротермічними умовами геосистеми. Найбільша вона в екваторіальних лісах (1,5 %).

Енергія, яка була використана на забезпечення фотосинтетичних реакцій, далі витрачається на дихання рослин (Рb) – це ~ 50 %, а залишок становить первинну продукцію (Ра) – накопичення енергії в рослинній біомасі. Енергія первинної продукції частково надходить до мортмаси разом із відмиранням рослин та їх частин (Pm), частково залишається у фитомасі й зумовлює її щорічний приріст (Pi), частково поїдається тваринами (Z) і переходить у зоомасу (наступний трофічний рівень).

Енергія (Z), яка надходить до травоїдних тварин частково йде на їх потреби, а частково переходить до хижаків. Хижаки в свою чергу поїдаються іншими хижаками більш високих порядків і, таким чином, передають частину енергії далі. Так формується трофічна структура геосистеми. В екології прийнято виділяти трофічні рівні – сукупності організмів, які отримують енергії від рослин через однакове число організмів-посередників.

Оскільки потік енергії від одного трофічного рівня до іншого супроводжується суттєвими втратами (до 95%), то кількість трофічних рівнів обмежена і навіть у найпродуктивніших екосистемах може досягати максимум 5-6 (екваторіальні ліси та морські екосистеми). Насправді, в реальних геосистемах трофічні відносини набагато складніше. Оскільки багато видів перебувають одночасно на декількох трофічних рівнях або змінюють свій рівень час від часу.

Їжа як рослинного, так і тваринного походження повністю не засвоюється організмом. Частина енергії виводиться у вигляді екскрементів (Ze), частина витрачається на дихання (Zb), залишок може йти на синтез нової зоомасси (Zi). З енергії (Zi) частина переходить до мортмаси внаслідок загибелі особини (Zm), а частина переходить до хижаків вищих трофічних рівнів (Zz).

Частка наземної рослинної продукції, яку споживають травоїдні тварини, становить в широколистяних лісах – 3%, в степах – 8-10%, а найвищою вона є у саванах Африки (30-60%).

Енергія, що накопичилася у відмерлих частинах рослин, екскрементах і трупах тварин, надходить до детритного циклу геосистеми (в лісах помірного поясу це до 90-95 % маси первинної продукції). Частина цієї енергії (О) витрачається на окислення з виділенням СО₂ (в степах до 4% енергії мортмаси). Частина органічних речовин (F) вимивається дощовою водою зі свіжого опалого листя (у лісах помірного поясу зі стоком втрачається ~ 10-30 % енергії мортмаси). У схилових геосистемах значна частина енергії втрачається в результаті винесення за межі геосистеми горизонтальними потоками води.

Але найбільшу роль у трансформації енергії в детритному циклі грають не абіотичні фактори, а сапрофаги – живі організми, що харчуються неживим органічним матеріалом (бактерії, гриби, комахи, личинки, грифи).

У деяких геосистемах сапрофаги можуть споживати до 90-95% від усієї чистої первинної продукції.

Велика частина енергії, що надходить до сапрофагів (S), витрачається на дихання (Sb). Частина в підсумку через харчові ланцюги йде на мінералізацію органічної речовини мікроорганізмами (Sm). У підсумку в гумус переходить (G) не більше 5-10% енергії рослинних залишків.