4: Енергетика та екосистеми

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30088

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Після завершення цієї глави ви зможете

Опишіть природу енергії, її різні форми та закони, які керують її перетвореннями.
Поясніть, як Земля є проточною системою для сонячної енергії.
Визначте три основні складові енергетичного бюджету Землі.
Опишіть енергетичні зв'язки всередині екосистем, включаючи фіксацію сонячної енергії первинними виробниками та проходження цієї фіксованої енергії через інші компоненти екосистеми.
Поясніть, чому трофічна структура екологічної продуктивності має пірамідальну форму і чому екосистеми не можуть підтримувати багатьох топових хижаків.
Порівняйте стратегії годування людей, які живуть мисливським та збиральним способом життя, із стратегіями сучасних міських людей.

Вступ

Жодна планета Земля, її біосфера чи екосистеми в будь-якому масштабі не є самоокупними щодо енергії. Насправді, без постійного доступу до зовнішнього джерела енергії всі ці утворення швидко виснажували б свої кількості накопиченої енергії і швидко охолоджували, а в разі біосфери та екосистем перестали б функціонувати таким чином, що підтримують життя. Зовнішнім джерелом енергії для цих систем є сонячна енергія, яка зберігається переважно у вигляді тепла та біомаси. Фактично, сонячна енергія поглинається зеленими рослинами та водоростями і використовується для фіксації вуглекислого газу та води в прості цукри за допомогою процесу, відомого як фотосинтез. Ця біологічна фіксація сонячної енергії забезпечує енергетичну основу практично для всіх організмів і екосистем (деякі винятки описані далі). Енергія має вирішальне значення для функціонування фізичних процесів у всьому Всесвіті та екологічних процесів у біосфері Землі. У цьому розділі ми розглянемо фізичну природу енергії, закони, які регулюють її поведінку та перетворення, а також її роль в екосистемах.

Природа енергії

Енергія є фундаментальною фізичною сутністю і просто визначається як здатність тіла або системи виконувати роботу. У фізиці робота визначається як результат прикладання сили на відстані. У всіх наступних прикладах роботи енергія перетворюється і досягається певний вимірний результат:

Хокейна ключка б'є шайбу, змушуючи її швидкість до мети
Книгу піднімають з підлоги, піднімають, а потім кладуть на стіл
Транспортний засіб рухається по дорозі
Тепло від плити поглинається водою в чайнику, внаслідок чого вона стає гарячішою і з часом закипає.
Фотосинтетичний пігмент хлорофіл поглинає сонячне світло, перетворюючи електромагнітну енергію у форму, яку рослини та водорості можуть використовувати для синтезу цукрів.

Енергія може існувати в різних станах, кожне з яких принципово відрізняється від інших. Однак при відповідних умовах енергія в будь-якому стані може бути перетворена в іншу за допомогою фізичних або хімічних перетворень. Енергетичні стани можна згрупувати в три категорії: електромагнітні, кінетичні та потенційні.

Електромагнітна енергія

Електромагнітна енергія (або електромагнітне випромінювання) пов'язана з фотонами. Вони мають властивості як частинок, так і хвиль і подорожують по простору з постійною швидкістю 3 × 10 ⁸ м/с (швидкість світла). Електромагнітна енергія існує як безперервний спектр довжин хвиль, які (впорядковані від найкоротших до найдовших довжин хвиль) відомі як гамма, рентген, ультрафіолет, видиме світло, інфрачервоний, мікрохвильовий та радіо (рис. 4.1). Людське око може сприймати електромагнітну енергію в діапазоні довжин хвиль приблизно від 0,4 до 0,7 мкм, частина спектра, яку називають видимим випромінюванням або світлом (1 мкм, або 1 мікрометр, становить 10 ^—6 м; див. Додаток А).

Малюнок 4.1. Електромагнітний спектр. Спектр розділений на основні області на основі довжини хвилі і представлений за логарифмічною шкалою (журнал ₁₀) в одиницях мікрометрів (1 мкм = 10 ^—3 мм = 10 ^—6 м). Зверніть увагу на розширення видимого компонента та діапазони довжин хвиль для червоного, оранжевого, жовтого, зеленого, синього та фіолетового кольорів.

Електромагнітна енергія віддається (або випромінюється) всіма об'єктами, температура поверхні яких більша за абсолютний нуль (більше -273° C або 0° K). Температура поверхні тіла визначає швидкість і спектральну якість випромінювання, яке воно випромінює. У порівнянні з більш холодним тілом, більш гарячий має набагато більшу швидкість випромінювання, а випромінювання переважає більш короткі, більш високі довжини хвиль. Наприклад, Сонце має надзвичайно гарячу температуру поверхні близько 6000° C, і як прямий наслідок більша частина випромінюваного ним випромінювання - ультрафіолетове (від 0,2 до 0,4 мкм), видиме (від 0,4 до 0,7 мкм) та ближнє інфрачервоне (від 0,7 до 2 мкм). (Зверніть увагу, що внутрішня частина Сонця набагато гарячіша за 6000° C, але саме температура поверхні безпосередньо впливає на випромінюване випромінювання.) Оскільки температура поверхні Землі в середньому набагато прохолодніше приблизно 15° C, вона випромінює набагато меншу кількість енергії на довших довжині хвиль (пік на довжині хвилі близько 10 мкм).

Зображення 4.1. Енергія Сонця походить від реакцій ядерного синтезу за участю ядер водню. Ці реакції генерують величезну кількість теплової та електромагнітної енергії. Сонячне електромагнітне випромінювання є найважливішим джерелом енергії, що підтримує екологічні та біологічні процеси. Джерело: зображення НАСА: http://sdo.gsfc.nasa.gov/assets/img/latest/latest_4096_0304.jpg

Кінетична енергія

Кінетична енергія пов'язана з тілами, які знаходяться в русі. Можна виділити два класи кінетичної енергії.

Механічна кінетична енергія пов'язана з будь-яким об'єктом, який знаходиться в русі, тобто він рухається з одного місця в інше. Наприклад, хокейна шайба, що летить по повітрю, трейл-велосипед, який їздить по стежці, олень, що біжить по лісі, вода, що тече в потоці, або планета, що рухається через простір - все це вирази такого роду кінетичної енергії. Кількість механічної кінетичної енергії визначається масою об'єкта і його швидкістю.

Теплова кінетична енергія пов'язана зі швидкістю вібрації атомів або молекул. Такі вібрації заморожуються при -273° C (абсолютний нуль), але поступово більш енергійні при більш високих температурах, що відповідає більшому вмісту теплової кінетичної енергії, яку також називають теплом.

Потенційна енергія

Потенційна енергія - це накопичена здатність виконувати роботу. Щоб реально виконати роботу, потенційна енергія повинна бути перетворена в електромагнітну або кінетичну енергію. Існує ряд видів потенційної енергії:

Гравітаційна потенційна енергія виникає в результаті гравітації, або привабливих сил, які існують серед усіх об'єктів. Наприклад, вода, що зберігається на будь-якій висоті над рівнем моря, містить гравітаційну потенційну енергію. Це може бути перетворено в кінетичну енергію, якщо є шлях, який дозволяє воді стікати вниз. Гравітаційна потенційна енергія може бути перетворена в електричну енергію за допомогою технології гідроелектростанцій.

Хімічна потенційна енергія зберігається в зв'язках між атомами всередині молекул. Хімічна потенційна енергія може бути звільнена екзотермічними реакціями (тими, що призводять до чистого викиду теплової енергії), як у наступних прикладах:

Хімічна потенційна енергія зберігається в молекулярних зв'язках сульфідних мінералів, таких як сульфід заліза (FeS ₂), і частина цієї енергії виділяється при окисленні сульфідів. Спеціалізовані бактерії можуть метаболічно використовувати потенційну енергію сульфідів для підтримки власної продуктивності за допомогою процесу, відомого як хемосинтез (це далі розглядається пізніше в цьому розділі).
Іонні зв'язки солей також зберігають хімічну потенційну енергію. Наприклад, при розчиненні у воді хлориду натрію (кухонної солі, NaCl) у вигляді тепла виділяється іонна потенційна енергія, що трохи підвищує температуру води.
Вуглеводні зберігають енергію в зв'язках між їх воднем і атомами вуглецю (вуглеводні містять тільки ці атоми). Хімічна потенційна енергія бензину, суміші рідких вуглеводнів, виділяється в двигуні внутрішнього згоряння і перетворюється механічно для досягнення кінетичної енергії руху автомобіля.
Органічні сполуки (біохімікати), що виробляються організмами метаболічно, також зберігають велику кількість потенційної енергії в своїх міжатомних зв'язках. Типова щільність енергії вуглеводів становить близько 16,8 кДж/г, тоді як у білків - 21,0 кДж/г, а ліпідів (або жирів) 38,5 кДж/г Багато організмів зберігають свої енергетичні запаси як жир, оскільки ці біохімікати мають таку високу щільність енергії.

Електрична потенційна енергія виникає в результаті відмінностей у кількості електронів, які є субатомними, негативно зарядженими частинками, які перетікають з областей високої щільності в області, де вона нижча. Коли електричний вимикач використовується для завершення ланцюга, що з'єднує дві області з різними електричними потенціалами, електрони протікають по електронному градієнту. Потім електрична енергія може бути перетворена в використання у вигляді світла, тепла або роботи, що виконуються машиною. Різниця в електричному потенціалі відома як напруга, і струм електронів повинен протікати через провідний матеріал, такий як метал.

Еластичність - це свого роду потенційна енергія, яка притаманна фізичним якостям певних гнучких матеріалів і яка може виконувати роботу при звільненні, як це відбувається, коли намальований лук використовується для стрільби стрілою.

Стиснуті гази також зберігають потенційну енергію, яка може працювати, якщо розширення дозволено відбутися. Цей тип потенційної енергії присутній в балоні, що містить стиснений або зріджений газ.

Енергія ядерного потенціалу виникає внаслідок надзвичайно сильних сил зв'язку, які існують всередині атомів. Це на сьогоднішній день найщільніша форма енергії. Величезні кількості електромагнітної та кінетичної енергії звільняються, коли ядерні реакції перетворюють речовину в енергію. Реакція поділу включала розщеплення ізотопів певних важких атомів, таких як уран-235 та плутоній-239 (U ^{235 та ²³⁹} P), щоб генерувати менші атоми плюс величезну кількість енергії. Реакції поділу відбуваються при ядерних вибухах і в контрольованих умовах в ядерних реакторах, що використовуються для виробництва електроенергії. Реакція синтезу передбачає об'єднання певних легких елементів, таких як водень, для формування більш важких атомів в умовах надзвичайно високої температури та тиску, звільняючи при цьому величезну кількість енергії. Реакції синтезу за участю водню відбуваються в зірках і відповідають за неймовірно велику кількість енергії, яку ці небесні тіла генерують і випромінюють у космос. Вважається, що всі важкі атоми у Всесвіті були вироблені реакціями злиття, що відбуваються в зірках (див. Розділ 3). Реакції синтезу також відбуваються в типі ядерного вибухового пристрою, відомого як воднева бомба. Технологія ще не розроблена для використання контрольованих реакцій синтезу для отримання електроенергії; якщо і коли це можливо, контрольований синтез може бути використаний для отримання практично необмеженої кількості комерційної енергії (див. Розділ 13).

Зображення 4.2. Органічні речовини та викопне паливо містять потенційну хімічну енергію, яка виділяється при згорянні для отримання тепла та електромагнітного випромінювання. Ця лісова пожежа запалювалася блискавкою і спалила органіку соснового лісу. Джерело: NASA зображення: Карі Грір, http://www.nasa.gov/images/content/710937main_climate-fire-lg.jpg

Одиниці енергії

Хоча енергія може існувати в різних формах, всі вони можуть вимірюватися в однакових або еквівалентних одиницях. Міжнародно прийнятою системою для наукових одиниць є система СІ (Système International d'Unités), а її рекомендованою одиницею енергії є джоуль (J). Один джоуль визначається як енергія, необхідна для прискорення 1 кг маси при 1 м/с ² (1 метр в секунду в секунду) на відстані 1 м.

Калорійність (або грам-калорія, абревіатура кал) - це ще одна одиниця енергії. Одна калорія еквівалентна 4,184 Дж і визначається як кількість енергії, необхідної для підвищення температури 1 г чистої води на 1° C (зокрема, від 15° C до 16° C). Врахуйте, однак, що дієтолог «Калорійність» еквівалентний 1000 калорій (1 Калорія = 1 ккал). Однак енергетичний вміст багатьох харчових продуктів зараз вказано в кДж в країнах, що використовують систему одиниць СІ, таких як Канада.

Енергетичні перетворення

Як було зазначено раніше, енергія може трансформуватися серед різних її станів. Наприклад, коли сонячне електромагнітне випромінювання поглинається темним предметом, воно перетворюється в теплову енергію і поглинає тіло збільшується в температурі. Гравітаційна потенційна енергія води, що зберігається на висоті, перетворюється в кінетичну енергію проточної води біля водоспаду, яка може бути використана за допомогою гідроелектричної технології для обертання турбіни та отримання електричної енергії. Крім того, видимі довжини хвиль сонячного випромінювання поглинаються хлорофілом, зеленим пігментом у листі рослин, а частина захопленої енергії перетворюється в хімічну потенційну енергію цукрів за допомогою біохімії фотосинтезу.

Всі перетворення енергії повинні вести себе за певними фізичними принципами, які відомі як закони термодинаміки. Це універсальні принципи, тобто вони завжди вірні, незалежно від обставин.

Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки, також відомий як закон збереження енергії, можна констатувати наступним чином: Енергія може зазнавати перетворень серед різних її станів, але вона ніколи не створюється і не руйнується; отже, енергетичний вміст Всесвіту залишається постійним. Наслідком цього закону є те, що завжди існує нульовий баланс між енергетичними входами в систему, будь-яким чистим накопичувачем всередині неї та енергією, що виводиться з системи.

Розглянемо випадок автомобіля, який їде по шосе. Транспортний засіб споживає бензин, витрата енергії, яку можна виміряти. Потенційна енергія палива перетворюється в різні інші види енергії, включаючи кінетичну енергію, втілену в прямому русі транспортного засобу, електричну енергію живлення ліхтарів і склоочисників, тепло від тертя між транспортним засобом і атмосферою і дорожнім покриттям, а також гарячі вихлопні гази ( теплова енергія) і незгоріле паливо (хімічна потенційна енергія), які вентилюються через вихлопну трубу. Загалом, відповідно до першого закону термодинаміки, точне вимірювання всіх цих перетворень виявило б, що, поки енергія бензину перетворювалася в різні інші форми, загальна кількість енергії зберігалася (вона залишалася постійною).

Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки можна виразити так: перетворення енергії можуть відбуватися спонтанно тільки в умовах, в яких відбувається збільшення ентропії Всесвіту. Ентропія - це фізичний атрибут, пов'язаний з розладом, і пов'язаний зі ступенем випадковості в розподілах речовини і енергії. Зі збільшенням випадковості (розладу) зростає і ентропія. Зниження розладу називають негативною ентропією. Розглянемо, наприклад, надутий повітряна куля. Через потенційну енергію стиснутих газів цей балон може повільно витікати його вміст в навколишню атмосферу, і він може навіть лопнути. Будь-який з цих результатів може відбуватися спонтанно, оскільки обидва процеси представляли б збільшення ентропії Всесвіту. Це пояснюється тим, що стиснуті гази більш впорядковані, ніж ті, які широко розсіюються в атмосфері. Навпаки, дисперсні гази в атмосфері ніколи не будуть спонтанно переміщуватися, щоб надути повітряну кулю. Повітряна куля буде надуватися тільки в тому випадку, якщо енергія витрачається через локальне застосування роботи, наприклад людиною, що дме в повітряну кулю. Іншими словами, енергія повинна бути витрачена, щоб викликати локальне зниження ентропії в системі. Однак врахуйте, що ця вартість енергії сама по собі породжує збільшення ентропії Всесвіту. Наприклад, зусилля людини, що надуває повітряну кулю, передбачає додаткове дихання, яке використовує біохімічну енергію і призводить до виділення тепла в навколишнє середовище.

Інший приклад стосується планети Земля. Планета безперервно отримує сонячне випромінювання, майже всі з яких видно і близькі інфрачервоні довжини хвиль в діапазоні приблизно від 0,4 до 2,0 мкм. Частина цієї електромагнітної енергії поглинається і перетворюється в теплову енергію, яка нагріває атмосферу і поверхню. Планета охолоджує себе від поглиненого сонячного випромінювання різними способами, але в кінцевому підсумку ця енергія розсіюється випромінюванням електромагнітної енергії в космічний простір як більш довгохвильове інфрачервоне випромінювання (спектральної якості, що досягає піку на довжині хвилі 10 мкм). У цьому випадку відносно короткохвильове сонячне випромінювання в кінцевому підсумку перетворюється на більш довгохвильове випромінювання, випромінюване Землею, процес, який представляє деградацію якості енергії та збільшення ентропії Всесвіту.

Важливим наслідком (або вторинним судженням) другого закону термодинаміки є те, що перетворення енергії ніколи не можуть бути повністю ефективними - частина початкового вмісту енергії завжди повинна бути перетворена в тепло, щоб ентропія збільшувалася. Це допомагає пояснити, чому навіть при використанні найкращої доступної технології лише близько 30% потенційної енергії бензину може бути перетворено в кінетичну енергію рухомого автомобіля, а не більше 40% енергії вугілля або природного газу може бути перетворено в електрику на генеруючій станції. Існують також термодинамічні межі ефективності фотосинтезу, процесу, за допомогою якого рослини перетворюють видиме випромінювання в біохімічне, навіть коли воно відбувається в ідеальних умовах з оптимальними запасами поживних речовин, води та світла.

Поверхнева оцінка може припустити, що життя загалом суперечить другому закону термодинаміки. Рослини, наприклад, поглинають видимі довжини хвиль електромагнітного випромінювання і використовують цю високодисперсну форму енергії для фіксації простих неорганічних молекул (вуглекислого газу та води) у надзвичайно складні та енергоємні біохімічні речовини. Потім рослинну біомасу можуть споживати тварини та мікроби, які синтезують власні складні біохімічні речовини. Ці різні біосинтези являють собою енергетичні перетворення, які значно знижують локальну ентропію, оскільки відносно дисперсна електромагнітна енергія та прості неорганічні сполуки перетворюються в складні, високовпорядковані біохімічні речовини організмів. Чи суперечать ці біологічні перетворення другому закону термодинаміки?

Цей гаданий парадокс життя можна вирішити за допомогою наступної логіки: локалізована біо-концентрація негативної ентропії може відбуватися тільки тому, що система (в кінцевому підсумку відноситься до біосфері, або всього живого на Землі) отримує постійний вхід енергії у вигляді сонячного випромінювання. Якби це зовнішнє джерело енергії було якимось чином припинено, всі організми та органічні матеріали спонтанно деградують, виділяючи прості неорганічні молекули та тепло і тим самим збільшуючи ентропію Всесвіту. Тому життя та екосистеми не можуть вижити без постійних надходжень сонячної енергії, які необхідні для організації та підтримки їх негативної ентропії. У цьому сенсі біосферу можна розглядати як «острів» негативної ентропії, сильно локалізований у просторі та часі і безперервно підживлюється Сонцем як зовнішнім джерелом енергії.

Земля: Система потоку енергії

Електромагнітне випромінювання, що випромінюється Сонцем, на сьогоднішній день є основним джерелом енергії, яка рухає екосистеми. Сонячна енергія нагріває планету, циркулює її атмосферу і океани, випаровує її воду і підтримує майже всю її екологічну продуктивність. Зрештою, вся сонячна енергія, поглинена Землею, повторно випромінюється назад в космос у вигляді електромагнітного випромінювання довшої довжини хвилі, ніж те, що було спочатку захоплено. Іншими словами, Земля - це проточна система, з ідеальним балансом між введенням сонячної енергії та виходом повторно випромінюваної енергії та відсутністю чистого зберігання протягом більш довгострокової перспективи.

Крім того, майже всі екосистеми абсолютно залежать від сонячної радіації як джерела енергії, яку фотосинтезуючі організми (такі як рослини та водорості) використовують для синтезу простих органічних сполук (таких як цукри) з неорганічних молекул (вуглекислого газу та води). Потім рослини та водорості використовують хімічну потенційну енергію цих цукрів, а також неорганічні поживні речовини (такі як нітрати та фосфати), щоб синтезувати величезну різноманітність біохімічних речовин за допомогою різних метаболічних реакцій. Рослини ростуть і розмножуються, використовуючи ці біохімікати та їх потенційну енергію. Більш того, рослинна біомаса використовується в якості їжі величезною кількістю організмів, які не здатні до фотосинтезу. До цих організмів належать травоїдні тварини, які харчуються рослинами безпосередньо, м'ясоїдні, які їдять інших тварин, і шкідливі, які харчуються мертвою біомасою. (Енергетичні відносини всередині екосистем описані далі.)

Менше 0,02% сонячної енергії, отриманої на поверхні Землі, поглинається і фіксується фотосинтетичними рослинами і водоростями. Хоча це кількісно тривіальна складова енергетичного бюджету планети, вона надзвичайно важлива якісно, оскільки ця біологічно поглинена та фіксована енергія є основою екологічної продуктивності. Зрештою, і врешті-решт, однак, сонячна енергія, зафіксована рослинами та водоростями, знову викидається в навколишнє середовище як тепло і врешті-решт випромінюється назад у космічний простір. Це підсилює ідею про те, що Земля є проточною системою для енергії, з ідеальним балансом між входом і виходом.

Енергетичний бюджет Землі

Енергетичний бюджет системи описує швидкості споживання та випуску енергії, а також будь-які внутрішні перетворення між її різними станами, включаючи зміни накопичених кількостей. Рисунок 4.2 ілюструє ключові аспекти фізичного енергетичного бюджету Землі.

Швидкість введення сонячної радіації на Землю в середньому становить близько 8,36 Дж/см ² -хвилина (2,00 кал/см ² -хв), виміряна на зовнішній межі атмосфери. Близько половини цієї вхідної енергії є видимим випромінюванням, а половина - ближнім інфрачервоним. Вихід енергії з Землі також становить близько 8,36 Дж/см ² -хв, що відбувається як більш довгохвильовий інфрачервоний. Оскільки швидкості введення та виведення енергії рівні, немає чистого зберігання енергії, а середня температура поверхні планети залишається стабільною. Тому, як було зазначено раніше, енергетичний бюджет Землі можна охарактеризувати як нульову суму, проточну систему.

Однак вищесказане не зовсім вірно. За надзвичайно довгі масштаби геологічного часу мала кількість накопичення сонячної енергії відбулася через накопичення нескладеної біомаси, яка з часом перетворилася на викопне паливо. Крім того, відбуваються відносно незначні довгострокові коливання температури поверхні Землі, що представляють собою важливий елемент зміни клімату. Проте, це кількісно тривіальні винятки з твердження про те, що Земля є нульовою сумою, проточною системою для сонячної енергії.

Малюнок 4.2. Важливі складові бюджету фізичної енергії Землі. Близько 30% вхідної сонячної радіації відбивається атмосферними хмарами і частинками і поверхнею планети. Решта 70% поглинаються, а потім розсіюються різними способами. Значна частина поглиненої енергії нагріває атмосферу і земні поверхні, і більшість потім повторно випромінюється як довгохвильове інфрачервоне випромінювання. Атмосферна волога і парникові гази перешкоджають цьому процесу повторного випромінювання, зберігаючи поверхню значно тепліше, ніж було б інакше (див. Також главу 17). Цифри відносяться до відсотка вхідного сонячного випромінювання. Дивіться текст для більш детального опису важливих факторів цього енергобюджету. Джерело: Змінено з Шнайдера (1989).

Незважаючи на те, що кількість енергії, що випромінюється Землею, в кінцевому підсумку дорівнює кількості сонячної радіації, яка поглинається, багато екологічно важливих перетворень відбуваються між початковим поглинанням і можливим повторним випромінюванням. Це внутрішні елементи фізичного енергетичного бюджету планети (див. Рис. Найважливіші компоненти описані нижче:

Відображення - В середньому атмосфера та поверхня Землі відображають близько 30% вхідної сонячної енергії назад у космічний простір. На відбивну здатність Землі (альбедо) впливають такі фактори, як кут вхідного сонячного випромінювання (який змінюється протягом дня і протягом року), кількості відбиваючого хмарного покриву та атмосферних частинок (також сильно мінливих), а також характер поверхні, особливо типи та кількості вода (включаючи сніг і лід) і більш темну рослинність.

Поглинання атмосферою - Близько 25% падаючої сонячної радіації поглинається газами, парами та частинками в атмосфері, включаючи хмари. Швидкість поглинання специфічна для довжини хвилі, причому частини інфрачервоного діапазону інтенсивно поглинаються так званими «парниковими» газами (особливо водяною парою і вуглекислим газом; див. Розділ 17). Поглинена енергія перетворюється в тепло і повторно випромінюється як інфрачервоне випромінювання з більшою довжиною хвилі, ніж те, що спочатку поглиналося.

Поглинання поверхнею - У середньому близько 45% вхідного сонячного випромінювання проходить через атмосферу і поглинається на Землі живими та неживими матеріалами на поверхні, трансформацією, яка збільшує їх температуру. Однак ця цифра в 45% дуже мінлива, частково залежно від атмосферних умов, особливо хмарного покриву, а також від того, чи пройшло падаюче світло через рослинний навіс. Хоча в довгостроковій перспективі (роки) і навіть середньостроковій перспективі (дні) глобальне чисте зберігання тепла по суті дорівнює нулю, в деяких місцях можуть спостерігатися суттєві зміни в чистому зберіганні теплової енергії протягом року. Це відбувається повсюдно в Канаді через сезонність її клімату, в цьому середовищі влітку набагато тепліше, ніж взимку. Тим не менш, майже вся поглинена енергія в кінцевому підсумку розсіюється повторним випромінюванням з поверхні як довгохвильовий інфрачервоний.

Випаровування води - Деяка теплова енергія живих і неживих поверхонь змушує воду випаровуватися в процесі, відомому як випаровування. Цей процес має дві складові: випаровування води з озер, річок, струмків, вологих порід, ґрунту та інших неживих субстратів та транспірацію води з будь-якої живої поверхні, особливо з листя рослин, а також з вологих поверхонь тіла та легенів тварин.

Танення снігу та льоду - Поглинена теплова енергія також може спричинити танення льоду та снігу, представляючи собою енергетичне перетворення, пов'язане зі зміною стану води з твердої на рідку форму.

Вітрові та водні течії - Існує дуже нерівномірний розподіл вмісту теплової енергії на поверхні Землі та поблизу неї, причому деякі регіони досить холодні (наприклад, Арктика), а інші набагато тепліші (тропіки). Через це нерегулярне виділення тепла поверхня розвиває процеси зменшення енергетичних градієнтів шляхом транспортування маси по всій земній кулі, наприклад, вітрами та океанічними течіями (див. Також главу 3).

Біологічна фіксація - Дуже мала, але екологічно критична частина вхідного сонячного випромінювання (в середньому менше 0,02%) поглинається хлорофілом у рослин і водоростей і використовується для управління фотосинтезом. Ця біологічна фіксація дозволяє деяку частину сонячної енергії тимчасово зберігати як потенційну енергію в біохімікатах, тим самим слугуючи енергетичною основою для екологічної продуктивності та життя на Землі.

Енергія в екосистемах

Екологічний енергетичний бюджет фокусується на поглинанні енергії фотосинтетичними організмами та передачі цієї фіксованої енергії через трофічні рівні екосистем («трофічний» стосується засобів органічного харчування). Екологи класифікують організми за джерелами енергії, які вони використовують.

Автотрофи здатні синтезувати свої складні біохімічні речовини, використовуючи прості неорганічні сполуки і зовнішнє джерело енергії для управління процесом. Переважна більшість - фотоавтотрофи, які використовують сонячне світло як своє зовнішнє джерело енергії. Фотоавтотрофи захоплюють сонячне випромінювання за допомогою фотосинтетичних пігментів, найважливішим з яких є хлорофіл. Зелені рослини - найпоширеніші приклади фотоавтотрофів, але водорості та деякі бактерії також фотоавтотрофні.

Набагато менша кількість автотрофів - це хемоавтотрофи, які використовують частину енергетичного вмісту певних неорганічних хімічних речовин, щоб керувати процесом, званим хемосинтезом. Наприклад, бактерія Thiobacillus thiooxidans окислює сульфідні мінерали до сульфату і використовує частину енергії, виділеної під час цієї реакції, для хемосинтезу органічних молекул.

Оскільки автотрофи є біологічною основою екологічної продуктивності, екологи називають їх первинними виробниками. Загальна фіксація сонячної енергії всіма первинними виробниками в екосистемі відома як валове первинне виробництво (GPP). Первинні виробники використовують частину цієї продукції для власного дихання (R) — тобто для фізіологічних функцій, необхідних для підтримки свого здоров'я та зростання. Дихання - це метаболічне окислення біохімічних речовин, і воно вимагає надходження кисню і виділяє вуглекислий газ і воду як продукти життєдіяльності. Чисте первинне виробництво (АЕС) відноситься до фракції ГПЗ, яка залишається після того, як первинні виробники використовували деякі для власного дихання. Іншими словами: АЕС = ГПЗ — Р.

Енергія, зафіксована первинними виробниками, є основою для продуктивності всіх інших організмів, відомих як гетеротрофи, які гетеротрофи покладаються на інші організми, живі чи мертві, для постачання необхідної їм енергії. Гетеротрофи тварин, які харчуються рослинами, відомі як травоїдні (або основні споживачі); три знайомі приклади - олені, гуси та коники. Гетеротрофи, які споживають інших тварин, відомі як м'ясоїдні (або вторинні споживачі), такі як деревний вовк, сапсан, акули та павуки. Деякі види харчуються як рослинною, так і тваринною біомасою і відомі як всеїдні - ведмідь грізлі є хорошим прикладом, як і наш власний вид. Багато інших гетеротрофи харчуються переважно мертвою органічною речовиною і називаються розкладачами або згубними, такими як грифи, дощові черв'яки та більшість грибів та бактерій.

Зображення 4.3. Продуктивність рослин підтримується сонячною енергією, яка фіксується хлорофілом в рослині і використовується для об'єднання вуглекислого газу, води та інших простих неорганічних сполук у складні молекулярні структури органічної речовини. Ці екологи вивчають продуктивність рослинного співтовариства на острові Соболь, Нова Шотландія. Джерело: Б.Фрідман.

Продуктивність - це виробництво, виражене у вигляді функції швидкості, тобто на одиницю часу і площі. Продуктивність в наземних екосистемах часто виражається в таких одиницях, як кілограми сухої біомаси (або її енергетичного еквівалента) на гектар на рік (кг/га - у або кДж/га-у), тоді як водна продуктивність часто дається у грамах на кубічний метр на рік (г/м ³ -у).

Було проведено багато досліджень продуктивності різних трофічних рівнів в екосистемах. Наприклад, дослідження природного дубово-соснового лісу виявили, що сумарна фіксація сонячної енергії рослинністю (річне валове первинне виробництво) еквівалентно 4,81 × 104 кДж/м2-у (48 100 кДж/м ² -у) (Odum, 1993). Ця швидкість фіксації була еквівалентна менше 0,1% річного споживання сонячної радіації. Оскільки рослини використовували 2,72 × 104 кДж/м ² -у під час дихання, чиста первинна продуктивність становила 2,09 × 104 кДж/м ² -у, представлена переважно зростаючою біомасою дерев. Різні гетеротрофні організми в лісі використовували 1,26 × 104 кДж/м ² -у для підтримки їх дихання. Зрештою, чисте накопичення біомаси всіма організмами в екосистемі (називається чистою продуктивністю екосистеми) було еквівалентно 0,83 × 104 кДж/м ² -у, або 8,3 × 103 кДж/м ² -у.

Первинна продуктивність основних світових класів екосистем узагальнена в таблиці 4.1. Зверніть увагу, що швидкість виробництва найбільша в тропічних лісах, водно-болотних угіддях, коралових рифах і лиманах. Виробництво для кожного типу екосистеми розраховується як його продуктивність, помножена на площу. Однак найбільші обсяги виробництва припадають на тропічні ліси і відкритий океан. Відзначимо, що відкритий океан має відносно невелику продуктивність, але його світове видобуток великий через величезну площу.

Таблиця 4.1. Первинне виробництво основних екосистем Землі. Екосистеми перераховані в порядку чистої первинної продуктивності. Продуктивність - це швидкість виробництва, стандартизована до площі та часу, тоді як виробництво - це загальна кількість біомаси (у сухих тонн), виробленої глобальною територією екосистеми. Див. Розділ 8 для опису цих біомів (основних видів екосистем). Джерело: модифікований з Уіттакера і Лікенса (1975).

Екологічний харчовий ланцюг - це лінійна модель кормових відносин між видами. Прикладом простої харчової ланцюга на півночі Канади є лишайники і осоки, які їдять карібу, які поїдають вовки. Харчова павутина - це більш складна модель кормових відносин, оскільки вона описує зв'язки між усіма харчовими ланцюгами всередині екосистеми. Вовки, наприклад, є опортуністичними хижаками, які можуть харчуватися зайцем снігоступами, полівки, лемінгом, бобром, птахами та іншою здобиччю на додаток до звичайної здобичі оленів, лосів та карибу. Тому вовки беруть участь у різних харчових ланцюгах в межах своєї екосистеми. Однак жодні природні хижаки не харчуються вовками, яких тому називають топовими хижаками або топовими хижаками.

Малюнок 4.3 ілюструє важливі елементи харчової павутини озера Ері, одного з Великих озер. У цьому великому озері мілководні середовища підтримують водні рослини, тоді як фітопланктон зустрічається по всій верхній товщі води. Мілководні рослини споживаються качками, ондатрою та іншими травоїдними тваринами, тоді як фітопланктон споживається крихітними ракоподібними (зоопланктон) та нижніми живильниками фільтрів, такими як молюски. Зоопланктон їдять дрібні риби, такі як корюшка, яку їдять більші риби, які в кінцевому підсумку можуть бути з'їдені бакланами, лисими орлами або людьми. Мертва біомаса з будь-якого рівня харчової павутини може осісти на дно, де вона потрапляє в детральну харчову павутину і з'їдається дрібними тваринами і в кінцевому підсумку розкладається бактеріями і грибами.

Малюнок 4.3. Основні елементи продовольчої павутини в озері Ері. Харчові павутини - це складні системи, що включають в себе безліч видів і різні харчові ланцюги.

Відповідно до другого закону термодинаміки передача енергії в харчових полотнях завжди неефективна, оскільки частина фіксованої енергії повинна бути перетворена в тепло. Наприклад, коли травоїдна тварина споживає рослинну біомасу, лише частина вмісту енергії може бути засвоєна і перетворена в її біомасу. Решта виводиться з калом або утилізується при диханні (рис. 4.4). Отже, у всіх екосистемах кількість продуктивності автотрофами завжди набагато більша, ніж у травоїдних, що, в свою чергу, завжди набагато більше, ніж у їхніх хижаків. Як широке узагальнення відбувається близько 90% втрат енергії на кожному етапі передачі. Іншими словами, продуктивність травоїдних становить лише близько 10% від продуктивності їх рослинної їжі, а продуктивність першого рівня м'ясоїдних становить лише 10% від продуктивності травоїдних, якими вони харчуються.

Малюнок 4.4. Модель трансферу енергії в екосистемі. Нижчі рівні харчової павутини завжди мають більшу продуктивність, ніж більш високі рівні. З цієї причини трофічна структура приблизно пірамідальна. Згідно з другим законом термодинаміки, частина вмісту енергії в харчових полотнях перетворюється в тепло або дихання (R). Існує близько 90% втрат енергії на кожному етапі передачі.

Ці відносини продуктивності можуть бути відображені графічно, використовуючи так звану екологічну піраміду для представлення трофічної структури екосистеми. Екологічні піраміди організовані з продуктивністю рослин на дні, травоїдних над рослинами та м'ясоїдних над травоїдними тваринами. Якщо екосистема підтримує верхніх м'ясоїдних тварин, вони представлені на вершині піраміди. Розміри трофічних коробок на малюнку 4.4 припускають пірамідальну структуру продуктивності екосистеми.

Другий закон термодинаміки відноситься до екологічної продуктивності - функції, яка безпосередньо пов'язана з потоком енергії. Другий закон, однак, безпосередньо не пояснює накопичену біомасу екосистеми. Отже, тільки трофічна структура продуктивності завжди має пірамідальну форму. У деяких екосистемах інші змінні можуть мати пірамідальну трофічну структуру, таку як кількість біомаси (стоячий урожай), присутній у певний час, або розміри або щільність популяцій. Однак ці конкретні змінні не мають пірамідальної форми у всіх екосистемах.

Наприклад, у відкритому океані фітопланктон є первинними виробниками, але вони часто підтримують біомасу, подібну до маси невеликого зоопланктону, який харчується ними. Клітини фітопланктону відносно недовговічні, і їх біомаса швидко перевертається через високі показники продуктивності та смертності. Навпаки, окремі тварини зоопланктону довше живуть і набагато менш продуктивні, ніж фітопланктон. Отже, продуктивність фітопланктону набагато більша, ніж у зоопланктону, хоча в будь-який конкретний час ці трофічні рівні можуть мати аналогічну біомасу.

Деякі екосистеми можуть мати навіть перевернуту піраміду біомаси, що характеризується меншою біомасою рослин, ніж травоїдні. Іноді це відбувається на луках, де домінуючими рослинами є відносно невеликі трав'янисті види, які можуть бути досить продуктивними, але не підтримують велику біомасу. Для порівняння, деякі травоїдні тварини, які харчуються рослинами, є великими, довгоживучими тваринами, які можуть підтримувати більшу загальну біомасу, ніж рослинність. Деякі помірні та тропічні луки мають перевернуту піраміду біомаси, особливо в сухий сезон, коли можуть бути великі популяції (і біомаса) довгоживучих травоїдних тварин, таких як антилопа, бізон, олень, слон, газель, бегемот або носорог. Однак відповідно до другого закону термодинаміки щорічна (або багаторічна) продуктивність рослин на цих луках завжди набагато більше, ніж у травоїдних.

Крім того, щільність популяції тварин не обов'язково менша, ніж у рослин, які вони їдять. Наприклад, комахи є найважливішими травоїдними тваринами у багатьох лісах, і вони зазвичай підтримують велику популяцію. На відміну від цього, кількість дерев набагато менше, тому що кожна окрема рослина велике і займає багато місця. Ліси зазвичай містять набагато більше травоїдних, ніж дерева та інші рослини, тому піраміда чисел перевернута за формою. Однак, як і у всіх екосистемах, піраміда лісової продуктивності внизу набагато ширше, ніж вгорі.

Через неефективність передачі енергії між трофічними рівнями існують енергетичні обмеження чисельності верхніх м'ясоїдних тварин (таких як орли, косатки, акули та вовки), які можуть бути підтримані екосистемою. Щоб підтримувати життєздатну популяцію найкращих хижаків, має бути відповідним чином велике видобуток, який ці тварини можуть експлуатувати. Ця здобич, в свою чергу, повинна підтримуватися відповідно високою продуктивністю рослин. Через ці екологічні обмеження лише надзвичайно продуктивні або дуже великі екосистеми можуть підтримувати найвищих хижаків. З усіх наземних екосистем Землі жодна не підтримує більше видів м'ясоїдних тварин вищого порядку, ніж савани та луки Африки. Найвизначніші з цих топових хижаків - гепард, гієна, леопард, лев та дика собака. Це надзвичайно високе багатство верхніх хижаків можна підтримувати, оскільки ці африканські екосистеми є величезними та досить продуктивними рослинністю, за винятком років посухи. Навпаки, тундра північної Канади може підтримувати тільки один природний вид верхнього хижака - вовка. Хоча тундра є великим біомом, вона є відносно непродуктивною екосистемою.

Деякі доіндустріальні людські популяції функціонували як топові хижаки. Сюди входили певні аборигенні народи Канади, такі як інуїти Арктики та багато культур перших народів бореального лісу. Як екологічний наслідок своєї стратегії годування вищого порядку в їх харчовій мережі, ці культури не змогли підтримувати велику популяцію. Однак у більшості сучасних економік люди взаємодіють з екосистемами всеїдним способом - ми збираємо надзвичайно широкий спектр продуктів харчування та інших продуктів біомаси мікробів, грибів, водоростей, рослин, безхребетних та хребетних тварин. Одним з наслідків такого роду годування є те, що велика людська популяція може бути витримана.

Екологічні проблеми 4.1. Вегетаріанство та енергоефективність
Більшість людей мають всеїдну дієту, тобто вони їдять найрізноманітніші продукти як рослинного, так і тваринного походження. Вегетаріанці, однак, не їдять м'ясо або іншу їжу, вироблену шляхом вбивства птахів, риб, ссавців чи інших тварин. Деякі вегетаріанці, відомі як вегани, не їдять жодної їжі тваринного походження, включаючи сир, яйце, мед або молоко. Люди можуть вибрати вегетаріанський спосіб життя з різних причин, включаючи ті, які зосереджуються на етиці вирощування та забою тварин та користі для здоров'я збалансованого харчування, яке не включає продукти тваринного походження. Крім того, є великі екологічні переваги вегетаріанства. Вони є внесками для уникнення певних забруднювачів повітря, води та ґрунту та зменшення перетворення природного середовища існування в агроекосистеми, що використовуються для вирощування худоби. Крім того, на харчування популяції вегетаріанців потрібно набагато менше енергії, ніж всеїдних.

Культурні тварини їдять багато їжі. У промисловому сільському господарстві, що практикується в розвинених країнах, включаючи Канаду, тваринництво вирощується переважно на раціоні рослинної продукції, включаючи культивоване зерно. Деякі вегетаріанці стверджують, що якби це зерно згодовувалося безпосередньо людям, то загальна кількість зернових і сільськогосподарських угідь, необхідних для підтримки людського населення, була б набагато менше. Цей аргумент ґрунтується на неефективності передачі енергії між трофічними рівнями, яку ми розглянули в цьому розділі в більш екологічному контексті. Цей аргумент енергоефективності є найбільш переконливим для тварин, які харчуються зерном та іншими концентрованими кормами. Це менш актуально для худоби, яка всю або частину свого життя пасуться на диких пастбищах - в цьому екологічному контексті жуйні тварини, такі як корови та вівці, їдять рослинну біомасу, яку люди не могли безпосередньо споживати, і тому вони виробляють їжу, яка інакше не була б доступна.

Так само багато курей, свиней та іншу худобу годують харчовими відходами (наприклад, з ресторанів) та переробкою побічних продуктів (таких як овочеві та фруктові відходи та лущення, а також зернове пюре з пивоварних заводів), які непридатні для споживання людиною. За підрахунками, близько 25% світових сільськогосподарських угідь використовується для вирощування зерна та інших продуктів харчування для худоби, а 37% світового виробництва зернових згодовується сільськогосподарським тваринам. Однак у Північній Америці близько 70% виробництва зерна згодовується худоби. І існує величезна кількість сільськогосподарських тварин: у всьому світі налічується понад 3 мільярди корів, кіз і овець, і щонайменше 20 мільярдів курей. Тільки корови їдять еквівалент калорійності 8—9 мільярдів людей.

Ефективність засвоєння - це показник відсотка вмісту енергії їжі, що вживається, яка поглинається кишечником і, отже, доступна для підтримки метаболічних потреб тварини. Ця ефективність залежить від груп тварин, а також залежить від типу їжі, яку їдять. Травоїдні тварини, як правило, мають ефективність засвоєння 20— 50%, причому менша швидкість - для жорстких, волокнистих, неякісних продуктів, таких як трава та солома, а більший - для більш якісних продуктів, таких як зерно. М'ясоїдні тварини мають вищу ефективність засвоєння, близько 80%, оскільки їх їжа настільки щільна білком і жиром. Загалом на виробництво 1 кг яловичини на відгодівлі потрібно близько 16 кг корму. Співвідношення для іншої худоби складають 6:1 для свинини, 3:1 для курки та 2:1 до 3:1 для вирощуваної риби. Ці неефективності асиміляції можна було б уникнути, якби люди безпосередньо їли зерно, споживане худобою.

Екологічна енергетика — не єдиний фактор енергоефективності вегетаріанства. Величезна кількість енергії також використовується для перетворення природних екосистем на сільськогосподарські угіддя, для вирощування та управління агроекосистемами, для транспортування товарів, переробки та упаковки харчових продуктів, а також для транспортування, обробки або утилізації відходів. Ці енергетичні витрати також були б суттєво знижені, якби більше людей мали вегетаріанську дієту та спосіб життя. Очевидно, що вегетаріанці мають менший «екологічний слід», пов'язаний з їх звичками годування (див. Таблицю 25.1 в главі 25).

Висновки

Енергія може існувати в різних станах, але перетворення з одного в інше повинні підкорятися законам термодинаміки. Організми та екосистеми спонтанно деградують, якби не мали постійного доступу до зовнішніх джерел енергії. Зрештою, сонячне світло є ключовим джерелом енергії, яке підтримує майже все життя та екосистеми. Сонячне світло використовується фотоавтотрофами для об'єднання вуглекислого газу та води в прості органічні молекули через метаболічний процес фотосинтезу. Фіксована енергія рослинної біомаси підтримує екологічні харчові мережі. Рослини можуть бути з'їдені травоїдними тваринами, а отримана енергія використовується для підтримки власного росту. Тоді травоїдні можуть бути з'їдені м'ясоїдними тваринами. Мертва біомаса підтримує декомпозитор харчової павутини. Сонячне світло також керує важливими планетними функціями, такими як гідрологічні та кліматичні системи. Діяльність людини може мати великий і деградуючий вплив на харчові мережі і навіть на кліматичну систему Землі, впливаючи на інтенсивність парникового ефекту планети.

Питання для рецензування

Які форми енергії описані в цьому розділі? Як кожен може бути змінений в інші форми?
Які є перший і другий закони термодинаміки? Як вони керують перетвореннями енергії?
Які основні елементи бюджету фізичної енергії Землі?
Чому трофічна структура екологічної продуктивності має пірамідальну форму?

Питання для обговорення

Згідно з другим законом термодинаміки, системи завжди мимовільно рухаються до умови більшої ентропії. Проте життя та екосистеми на Землі представляють локальні системи, де постійно генерується негативна ентропія. Які умови дозволяють існувати цей очевидний парадокс?
Чому немає природних хижаків вищого порядку, які вбивають і їдять левів, вовків і акул?
Чому б людям було ефективніше бути вегетаріанцями? Обговоріть свою відповідь з урахуванням пірамідальної структури екологічної продуктивності.
Складіть список ключових джерел і перетворень енергії, які підтримують вас і вашу діяльність у звичайний день. Що є кінцевим джерелом кожного з енергоресурсів, які ви використовуєте (наприклад, сонячне світло та викопне паливо)?

Вивчення проблем

У рамках дослідження циклічності забруднюючих речовин вас попросили описати харчову павутину двох місцевих екосистем. Одна з екосистем - це природний ліс (або прерія), а інша - область, яка використовується для вирощування пшениці (або іншої культури). Як би ви визначили основні компоненти харчових мереж цих екосистем, види, що відбуваються на їх трофічних рівнях, і взаємодії між різними видами, які присутні?

Цитуються посилання та подальше читання

Боткін Д.Б. та Келлер Е.А. Наука про навколишнє середовище: Земля як жива планета. 9-е видання. Wiley & Sons, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

Фрідман, Б. 1995 р. Екологія навколишнього середовища. 2-е изд. Академічна преса, Сан-Дієго, Каліфорнія. Гейтс, Д.М. 1985. Енергетика та екологія. Сінауер, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

Хінріхс, Р.А. та М.Клейнбах. 2012. Енергетика: її використання та навколишнє середовище. 5-е изд. Брук Коул, Флоренція, Кентуккі.

Хоутон, Дж.Т. 2009. Глобальне потепління. Повний брифінг, 4-е видання. Кембриджський університетський прес, Кембридж, Великобританія.

Одум, Е.П. 1993. Базова екологія. Видавництво коледжу Сондерс, Нью-Йорк, Нью-Йорк

Лю, П.І. 2009. Вступ до енергетики, технологій та навколишнього середовища. 2-е изд. ASME Press, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

Священик, J. 2012. Енергетика: принципи, проблеми, альтернативи. 8-е изд. Кендалл Хант Видавництво Co., Дюбюк, ІО.

Шнайдер, С.Г. 1989. Зміна клімату. Американський науковий, 261 (3): 70-9

Віттакер, Р.Х. і Г.Е. Лікенс. 1975 рік. Біосфера і людина. С. 305-28. Первинна продуктивність біосфери. (Літ і Р.Х. Віттакер, ред.). Спрінгер-Верлаг, Нью-Йорк, Нью-Йорк.