2. Второй принцип функционирования природных экосистем

Экосистемы существуют за счет незагрязняющей среды и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Солнечное излучение, достигающее поверхности земли, измеряется огромной цифрой - 178 000 твт, которая в 15 тыс. раз больше количества энергии, ежегодно потребляемой всем человечеством. Большая часть солнечной энергии приходится на видимую и инфракрасные области спектра. Излучение в ультрафиолетовой области на уровне поверхности Земли не превышает 10%, и его значительная доля задерживается озоновым слоем.

Примерно 30% энергии, достигающей нашей планеты, отражается от ее поверхности, а также от окружающих облаков и уходит обратно в космос (благодаря этому Земля из космоса кажется звездой). Около 50% солнечного излучения поглощается Землей и переизлучается, т. е. возвращается обратно в космос, но уже в виде тепла. Если бы не существовало атмосферы (своеобразного "одеяла"), это тепло очень быстро уходило бы в космос и на Земле было бы гораздо холоднее, чем сейчас (средняя температура на земле была бы - 18°С, в то время как сейчас +13°).

Почти 20% поступающей на Землю солнечной энергии расходуется на испарение воды и перемещение воздушных масс, т. е. на поддержание геологического цикла, и только 0,06% (100 твт) расходуется на фотосинтез, который является основой всей жизни на Земле. При фотосинтезе связывается только энергия с длиной волны 380 - 710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Нa эту радиацию приходится около 40% общей солнечной радиации.

Однако жизнь на нашей планете зависит не только от тех 100 твт, которые улавливаются в ходе фотосинтеза. Чрезвычайно важно тепло, получаемое Землей непосредственно от Солнца, а также переизлучаемое ею в атмосферу, поскольку подавляющее большинство биохимических процессов происходит при температуре выше 0°С.

Помимо энергии всем организмам необходимы углерод, водород, кислород, азот, фосфор (CHNOPS) - "чнопс". Для их извлечения из окружающей среды необходимы большие энергетические затраты, часто существенно превышающие то количество световой энергии, которое непосредственно связывается в ходе фотосинтеза. Так, все наземные растения в процессе жизнедеятельности потребляют огромное количество воды. Она всасывается корнями из почвы, передвигается по сосудам в стеблях, поднимается, частично расходуется в процессе фотосинтеза, но большая часть ее испаряется через устья листьев (процесс транспирации). Процесс транспирации имеет громадное значение: во - первых, он предохраняет растения от перегрева и, во - вторых, способствует потреблению все новых и новых порций воды, из которой извлекаются необходимые минеральные элементы питания. Для образования 1 кг сухого органического вещества растению в природных условиях требуется обычно 200 - 300 л воды. Энергетические затраты, необходимые для испарения такого количества воды, в 30 - 40 раз превышают энергию, расходуемую растениями на фотосинтез.

Биосфера существует за счет энергии Солнца, которая фотосинтезирующими растениями превращается в потенциальную энергию химических связей органических соединений растений, а затем по пищевым цепям - в другие формы энергии (в частности, аккумулируется в АТФ клеток). На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии, высвобождаясь, позволяет организму выполнять свои жизненные функции, т. е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла. Таким образом, речь идет о потоке энергии, идущем через экосистемы: ее поступление в них с солнечными лучами, выполнение работы и удаление в виде тепла. На значительном протяжении путь вещества и энергии совпадает.

Источником солнечной энергии являются ядерные реакции, идущие в недрах Солнца. Эта энергия первоначально загрязнена радиоактивными частицами, но в процессе прохождения 150 млн. км до Земли радиоактивные частицы - теряются, и на Земле солнечная энергия - "чистая". В этом ее отличие от энергии, получаемой от сжигания топлива (угля, газа), и ядерной энергии.

Количество солнечной энергии избыточно: растения используют всего 0,1% ее количества, достигающего Земли. Поэтому увеличение количества ее использования не должно повлиять на динамику биосферы.

Поток солнечной энергии постоянен, она всегда будет поступать в одинаковом количестве и бесплатно. В то же время она крайне рассеяна, и ее необходимо концентрировать подобно тому, как это делают растения. Поток солнечной энергии вечен. Астрономы полагают, что через несколько миллиардов лет Солнце погаснет, однако для человечества это не имеет практического значения. Каждые 100 лет интенсивность солнечного потока уменьшается на 0,00001%.