И ликвидации последствий стихийных бедствий

Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям

И ликвидации последствий стихийных бедствий

Донецкой Народной Республики

 

 

 

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«ЭКОЛОГИЯ»

(наименование дисциплины согласно учебному плану)

 

 

базовой части

математического и естественнонаучного цикла

 

 

Направление подготовки (специальность):	_____ 20.05.01 Пожарная безопасность (код и наименование направления / специальности)
Профиль (специализация):	специалитет (наименование профиля / специализации)
Уровень образования:	________________________________________ (бакалавриат, специалитет)

 

Семестр(ы)
Общая трудоёмкость в з.е./часах	2/72
Аудиторные занятия для очной формы обучения (ч), в том числе
Лекции (ч)
Самостоятельная работа (ч)

 

Донецк, 2017 г.

Опорный конспект лекций по дисциплине «Экология» составлена в соответствии с учебным планом по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность

 

Составитель: Хазипова В.В., кандидат технических наук, доцент кафедры естественнонаучных дисциплин.

Опорный конспект лекций по дисциплине «Экология» рассмотрен и принят на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин.

.

Протокол от «_____» ________________20___ года № ________

 

Заведующий кафедрой ________________ Кипря Ф.В.

(подпись) (Ф.И.О.)

 

Опорный конспект лекций по дисциплине «Экология» согласован с выпускающей кафедрой пожаротушения, пожарной и аварийно-спасательной подготовки

Протокол от «_____» ________________20___ года № ________

 

Заведующий кафедрой ________________ ___________________

(подпись) (Ф.И.О.)

 

Начальник факультета пожарной безопасности

подполковник службы гражданской защиты

 

_______________________Колодяжный А.А.

 

_______________________ _________________

(подпись) (Ф.И.О.)

 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ освоения ДИСЦИПЛИНЫ

 

Целью дисциплины является: формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков, необходимых для создания представлений о природных процессах, составляющих основу функционирования, естественной эволюции и антропогенно-обусловленных изменений среды обитания, природно-территориальных комплексов, экосистем; подготовка квалифицированных кадров, способных творчески применять полученные знания в практической деятельности по решению задач предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) с учётом экологических ограничений для работы в системе Министерства по делам гражданской обороны, в подсистемах Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС.

В результате освоения дисциплины студент должен

Знать: основные физические явления и основные законы экологии; границы их действия, применение законов в важнейших практических аспектах; научно-обоснованные подходы и методы защиты окружающей среды; общие положения естественнонаучной картины мира и перспективные концепции ресурсо- и энергосбережения, основные закономерности функционирования биосферы и природных экосистем; алгоритм проведения оценки воздействий проектируемых и реконструируемых объектов на окружающую среду.

Уметь: определять наиболее рациональное использование природных ресурсов; оперировать знаниями о природных системах и искусственной среде при принятии решений; объяснять основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий, проводить расчеты экологического налога и эколого-экономического ущерба, нанесенного окружающей среде..

 

2. содержание лекционных занятий

 

Тема 1. Наука экология (2ч)

Содержание темы № 1:

Предмет, методы и историческое развитие экологии. Структура современной экологии.

Лекция № 1. Наука экология (2ч)

Содержание лекции № 1:

Предмет, методы и историческое развитие экологии. Структура современной экологии.

Виды экосистем

Город. Любой город, особенно промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами. Город отличается от природных гетеротрофных систем, примером которых может служить устричная банка, целиком зависящая от поступления энергии с пищей с большой площади окружающей среды (рис. 2.5).

Рисунок 2.5- Гетеротрофные экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями):

А - устричная банка; Б - промышленный город

 

Существование индустриального города поддерживается колоссальным притоком энергии, при этом возникает и огромный отток в виде теплопродукции, промышленных и бытовых отходов. Однако потребности 1 м² города в энергии примерно в 70 раз превышают потребности такой же площади устричной банки и составляют около 4000 кКал*сут ^-1, а в год - около 1,5 млн. кКал.

Большинство городов имеет «зеленый пояс», т. е. автотрофный компонент: газоны, кустарники, деревья, пруды, озера и т. п. Но органическая продукция этого зеленого пояса не играет заметной роли в снабжении энергией механизмов и людей, населяющих город. Городские леса и парки представляют в основном лишь эстетическую и рекреационную ценность, смягчают колебания температуры, уменьшают загрязнения и шумовое воздействие, являются местом обитания птиц и мелких животных. Но труд и горючее, затрачиваемые на их содержание, увеличивают расходы на жизнь города. Ежегодные энергетические дотации для газона (труд, бензин, удобрения и т. п.) оцениваются приблизительно в 530 ккалм². Без огромных поступлений извне пищи, горючего, электричества и воды люди погибли бы или покинули город.

Хотя площадь суши, занятая городами, не так уж и велика (1 - 5 %), но, воздействуя на свои обширные среды на входе и выходе, они изменяют водные пути, леса, поля, атмосферу и океан. Город может влиять на удаленный лес не только непосредственно загрязнением воздуха или спросом на продукты леса и древесину, но и изменяя состав деревьев в нем. Например, спрос на бумагу оказывает экономическое давление: естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста.

Гектар города потребляет приблизительно в тысячи раз больше энергии, чем такая же площадь сельской местности. Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов. В городах теплее, повышена облачность, меньше солнца, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Строительство городов стало основной причиной эрозии почвы.

Размеры загрязнения среды на выходе города зависят от интенсивности его жизнедеятельности и степени технического развития. Отсутствие очистных сооружений для сточных вод и выбросов в атмосферу, переработки твердых отходов приводят к сильному воздействию на среду в окрестностях города в виде кислых дождей, бытовых и промышленных отбросов.

Город практически не производит пищу, только перерабатывает ее, не очищает воздух, почти не возвращает в круговорот воду и органические вещества и находится в симбиотических отношениях с окружающей местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая этим сельское окружение, также получая взамен услуги и пищу. Город не имеет «экологии», независимой от окружающей сельской местности. Изучать взаимодействия человека и среды только в застроенной части города - слишком узко.

Город можно рассматривать как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные среды на входе и выходе. Одно из имеющихся, к сожалению, препятствий для такого разумного подхода - порочное административное разделение между городом и сельской местностью. Пока городские и областные

лидеры не научатся ставить общие интересы выше частных, управление городом и областью как единой функциональной экологической системой не может быть реализовано.

Агроэкосистемы. В отличие от городов, существенную часть агроэкосистем составляют автотрофные компоненты, или «зеленый пояс». Агроэкосистемы отличаются и от естественных экосистем (лес, луг, поляна), работающих только на энергии Солнца. Они получают дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных, удобрений, пестицидов, орошающей воды, горючего, механизмов, машин и т. п. Для максимизации выхода какого-либо одного продукта человек резко снижает разнообразие организмов. Виды растений и животных подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Сельское хозяйство использует только 30 % свободной от льда суши планеты: около 10 % - пахотные земли и приблизительно 20 % - пастбища.

Условно агроэкосистемы можно разделить на два типа.

Агроэкосистемы доиндустриального периода используют дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных. Они поставляют продукты питания в основном для семьи фермера и частично на местный рынок.

Интенсивные механизированные агроэкосистемы получают энергетические дотации в виде горючего, химикатов, работы машин. Эти системы производят продукты питания в основном на рынок; продукты питания превращаются в товар, играющий важную роль в экономике.

Доиндустриальные системы сельского хозяйства часто называют примитивными и направленными только на выживание. Тем не менее они бывают очень эффективными, если оценивать их по количеству произведенной пищи на единицу затраченной энергии. К тому же они часто хорошо гармонируют с природными экосистемами. Например, на огородах со смешанными культурами соотношение полученной и затраченной энергии может составлять 16:1. Напротив, многие механизированные агроэкосистемы потребляют часто не меньше энергии, чем возвращают в виде продуктов

питания. Однако даже хорошо приспособленные доиндустриальные системы, эффективно использующие энергию, часто не могут производить достаточного количества избыточных продуктов питания, чтобы прокормить огромные города.

Таким образом, неиндустриализованное сельское хозяйство эффективно расходует энергию, но оно менее продуктивно (в пересчете количества продуктов на одного фермера). Как правило, такие агроэкосистемы дают меньший урожай на единицу площади, чем интенсивное механизированное сельское хозяйство. Но выигрывая в одном, человек проигрывает в другом - ничто не дается даром. Поскольку в развитых странах и интенсивность энергетических субсидий, и урожай, видимо, достигли максимума, повышение вкладов в сельское хозяйство может привести к уменьшению выхода продукции (отрицательная обратная связь). Поэтому в будущем следует ожидать изменений в сельскохозяйственной стратегии.

Космический корабль. Автономный космический корабль, предназначенный для длительных путешествий, представляет собой миниатюрную экосистему, включающую человека. Он должен иметь все жизненно важные абиотические вещества и средства для их регенерации и многократного использования. Все пилотируемые космические корабли в настоящее время снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа: в них частично осуществляется регенерация воды и воздуха лишь физико-химическими методами. Рассматривалась (но была признана непригодной) возможность сочетания в одной системе людей, водорослей и бактерий. Для настоящих регенерационных экосистем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, ничего не получая с Земли, потребовались бы крупные организмы, которые могли бы использоваться человеком в пищу, значительное видовое разнообразие их и большие емкости для воздуха и воды. В экосистему космического корабля пришлось бы включить также нечто подобное сельскохозяйственным или другим растительным сообществам.

 

2.3 Общие закономерности организации биосферы Земли как глобальной экосистемы

Все экосистемы суши и океана в своей совокупности составляю живую оболочку Земли – биосферу. Слово “Биосфера” происходит от греческих слов “bios|” – жизнь и “spheros|” – сфера. Впервые термин “биосфера” был применен в 1803 году французским ученым-естествоведом Ж.Б.Ламарком. Основателем современных представлений о биосфере, “сфере жизни” считается академик В.И. Вернадский.

Учение о биосфере, сформулированное В.И. Вернадским, является краеугольным камнем экологии, одним из главных постулатов экологии, потому что В.И. Вернадский наряду с организмами рассматривал и среду их обитания. Он считал, что развитие биосферы в значительной степени определяется жизнедеятельностью организмов и что существует непрерывное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды. Следовательно, живое вещество выступает в роли геологической силы, которая формирует лик планеты. Согласно концепции В.И. Вернадского вся известная история геологических отложений Земли имеет следы деятельности живых организмов, т.е. фактически является историей биосферы. Особенная роль в биосфере принадлежит “живому веществу” под которым понимается совокупность всех живых организмов нашей планеты. Живое вещество составляет очень малую часть биосферы, но отличается очень высокой активностью, которая обнаруживается в потреблении, высвобождении и накоплении в телах живых организмов тех или других элементов в больших количествах.

Биосфера – это область распространения жизни на Земле, верхний предел которой протягивается к высоте 10-12км, а нижний предел проходит по донным отложением океанов на глубине 10км.

Энергетический источник биосферы – Солнце. Несомненно, энергия, которая предоставляет биосфере ее обычный вид, имеет космическое происхождение. Ее излучает Солнце – энергетический источник биосферы в форме лучистой энергии. Имеено живые организмы, которые своим дыханием, питанием, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а также обменом поколений порождают это планетарное явление – биосферу.

Ученый рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую систему, в которой сконцентрирована жизнь и проходит постоянное взаимодействие живого с неорганическими условиями среды.

Пределы биосферы обусловлены полем возможного существования жизни, которая может проявляться только в определенных энергетических, физических и химических условиях. Следовательно, жизнь охватывает не все оболочки планеты. Обычно, биосферу подразделяют на три геосферы в зависимости от их фазового состояния: газовую оболочку, то есть атмосферу, водную, то есть гидросферу и твердую – литосферу.

Атмосфера. Толщина ее составляет приблизительно 15км|. Она состоит в основном из азота и кислорода (78% и 21%). Из малых количеств газов следует выделить двуокись азота 0,03% и | аргон 0,93%. Достаточно важно значение в атмосфере играет озон, который расположен в виде слоя на высоте приблизительно 25 км над поверхностью Земли. Атмосфера влияет на физические, химические, биологические процессы на земной поверхности и в гидросфере. Наибольшее значение для биологических процессов имеют: кислород, который используется в процессах дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ, который расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, а также озон, который экранирует вредную для организмов ультрафиолетовую радиацию Солнца.

Гидросфера. Вода в ее разных состояниях является важнейшей составной частью биосферы и одним из главных факторов существования жизни. Главная масса биосферной воды содержится в Мировом океане, который занимает 71% поверхности планеты Живые организмы, носители биологической воды, имеют ее в своем составе в количестве 80-90%.

Литосфера (почва). Если в атмосфере и гидросфере организмы занимают слои более или менее значительной толщины, организмы литосферы находятся в слое почвы, которая редко когда превышает 1метр. Почва образована из минеральных компонентов, которые возникли в результате разрушения горных пород, и органических веществ – продуктов жизнедеятельности живых организмов, главным образом, растений. Важную роль в образовании почвы играют процессы разложения органического вещества, которые осуществляются бактериями, грибами низшими почвенными животными. В результате этой деятельности в почве образуются запасы азота, фосфора, калия. Другим важным следствием процесса разложения в почве органики – выделение двуокиси углерода, который пополняет запасы его в атмосфере и гидросфере и компенсирует расходы на фотосинтез.

В развитии биосферы решающая роль принадлежит биологическому фактору, возникновению живых организмов, которые способны осуществлять фотосинтез органики из минеральных веществ. Возникновение хлорофиллоносных растений на суше сыграло решающую роль в изменении содержания кислорода в атмосфере Земли и формировании почвенного слоя. Следовательно, в биосфере имеют место процессы регуляции развития живой материи и один из основных – обмен веществ с окружающей средой.

Биосфера в энергетическом отношении – это огромный аккумулятор и трансформатор энергии. Аккумуляция энергии Солнца осуществляется в органическом веществе, кислороде, полезных ископаемых, в некоторых химических соединениях. Эту энергию использует человек, при этом очень неэкономно – то, что природа накапливала 1 млн лет, человек тратит на 1 год. Характерной энергетической особенностью биосферы является наличие упорядоченных систем перемещения энергии – географических “тепловых машин”, которые состоят из “холодильника” и “нагревателя”, соединенных потоком теплоносителя – воды или воздуха. В “тепловых машинах” осуществляется переход тепловой энергии в механическую. Благодаря этому образуется система циркуляции воды и воздуха, которые распределяют энергию и вещество и формируют погоду и климат. Если бы не этот процесс, температура в Харькове была бы на 20-30^о С ниже. Иногда в антициклонных условиях такая ситуация и возникает, но длится недолго. Как и в технических системах перенес тепла в “тепловых машинах” зависит от разницы температур “холодильника” и “нагревателя”. Планетарно эта разница образуется полярными льдами (перенесение от экватору к полярным широтам| или контрасностью температур суши и океана.

Биосфера – наиболее сложная система из всех доступных для изучения. В настоящий момент разработаны лишь самые простые ее модели. Сложная система характеризуется, прежде всего, сложностью связей в ней и отношений. В биосфере совсем недавно были открыты связи, которые раньше были известны в технологических, биологических или социальных системах. Это открытие сделало революцию в природоведении. Прежде всего, это природные механизмы гомеостаза – поддержание параметров системы в определенных пределах изменчивости: температуры, влажности, температуры испарения, уровня воды, в водоемах.

Это дает возможность рассматривать биосферу как систему, которая саморегулируется. Саморегулирование в природных системах осуществляется благодаря достаточно простых механизмов. Это механизмы отрицательных и положительных обратных| связей, которые широко используются в технике. Более простая система отрицательной обратной связи – это бессточное озеро (например, Арал, Каспий):

Условием стабилизации озера является равенство стока и испарения, которое регулируется через уровень озера, который в свою очередь, зависит от объема| воды. От уровня озера зависит площадь, она выступает элементом, который руководит в этой системе по схеме: увеличение стока - увеличение уровня - увеличение площади - рост испарения - уменьшения уровня.

Поэтому в такой системе уровень озера стремится к стабилизации. Это явление мы наблюдаем в виде колебаний, осцилляций озера. Стратегией такой системы является сохранение равновесия, т. е., она является своеобразным барьером, которых в природе много.

В природе существуют еще связи другого характера, прямо противоположного. Например, в речную систему начинают сбрасывать бытовые сточные воды. Сначала это вызывает некоторое повышение активности микроорганизмов-редуцентов, которые получили дополнительный источник питания. Равновесие сохраняется до тех пока возможности сообщества не будут исчерпаны. Затем наступает состояние угнетения редуцентов, которое приведет к замедлению очистки, накоплению сточных вод и последующее ухудшение среды обитания организмов. Это пример положительной обратной связи. Второй пример положительной обратной связи – образование пустынь. В настоящий момент на планете общая площадь пустынь составляет 1 млрд. гектаров и с каждым годом эта цифра растет – пустыни расширяются во все стороны со скоростью 1-2 км в год путем наступления на плодородные почвы. Этот сложный процесс можно представить таким образом: изменение структуры теплового баланса в сторону снижения потерь на испарение и повышение температуры, изменение влагооборота, угнетение растительности, ухудшение состояния среды, приближение пустыни.

Если обобщить, то можно сделать вывод: система, находящаяся в состоянии равновесия, под внешним влиянием так перестраивает свои параметры, чтобы эффект внешнего воздействия был минимальным (принцип Ле-Шателье).

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие компоненты экосистемы относятся к абиотическим?

2. Какие компоненты экосистем относятся к биотическим?

3. Какие организмы называются продуцентами?

4. Какие организмы называются консументами?

5. Напишите суммарное уравнение фотосинтеза.

6. Какова основная функциональная характеристика экосистем?

7. Как соотносятся скорости автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере?

8. Чем можно объяснить накопление кислорода в атмосфере и горючих ископаемых в недрах Земли?

9. Как происходит «саморегуляция экосистем?

10. Что такое гомеостаз, с действием какого технического устройства его можно сравнить?

11. Чем различаются управляющие механизмы в технических и экологических системах?

12. Приведите примеры положительной и отрицательной обратной связи в экосистемах.

13. Что понимается под стабильностью экосистем?

14. Какие типы устойчивости экосистем вы знаете?

15. Что такое сукцессии?

16. Какие типы сукцессий вы можете назвать?

16. Приведите примеры автотрофных и гетеротрофных экосистем.

17. Каково основное отличие экосистемы города от агроэкосистемы?

18. Какие типы агроэкосистем вы знаете?

19. Можно ли космический корабль назвать экосистемой?

20. Что такое биосфера?

21. В чем заключается принцип Ле-Шателье?

 

Вопросы для самостоятельного изучения темы:

1. Принцип эмерджентности [3, с. 33-35]

2. Биомы [3, с. 60-63]

Литература к теме 2: [1,2, 4-6]

 

 

Тема 3. Энергия в экосистемах (2ч)

Содержание темы 3:

Законы преобразования энергии. Формы и качество энергии. Поток энергии и продуктивность экосистемы. Энергетические типы экосистем. Энергия и деньги.

Лекция № 3 Энергия в экосистемах (2 ч).

Содержание лекции № 3:

Законы преобразования энергии. Формы и качество энергии. Поток энергии и продуктивность экосистемы. Энергетические типы экосистем. Энергия и деньги.

3.1 Законы преобразования энергии

Энергия (гр. energeia - деятельность) - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами.

Энергия - одно из основных свойств материи - способность производить работу; в широком смысле - сила.

Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия - движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Но для управления энергетическими процессами, прежде всего, необходимо понять роль энергии в экологических системах. Знание закономерностей энергетических потоков в природных экосистемах поможет предсказать будущее антропогенных систем. Проекты, связанные с изменением окружающей среды, также необходимо оценивать с позиций энергоэффективности. Например, не всякая переработка отходов нужна, поскольку некоторое количество отбросов является энергетическими ресурсами биосферы. Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни наиболее соответствует природным возможностям. Ясно, что будущее зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия - это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в разряд экономических, а экономические - оценивать с позиций экологии. Несмотря на огромное разнообразие природных систем, приспособленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.

Формы и качество энергии

Энергия существует во многих формах и видах: солнечная, тепловая, хими- ческая, электрическая, атомная, энергия ветра, воды и др. Формы энергии различны по способности производить полезную работу. Энергия слабого ветра, прибоя, маломощных геотермальных источников может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой - высокой. Качество энергии, сконцентрированной в биомассе растений, животных, топливе, отличается от качества рассеянной тепловой энергии.

Качество энергии характеризует ее способность совершать работу, т. е. ее эксергию (гр. ех - высшая степень, ergon - работа).

Эксергия - это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений всегда сопровождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. 3.2, 3.3).

Рисунок 3.2- Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Одуму)

На рис. 3.2 показано, что количество энергии, поступающей от Солнца, на каждом последующем уровне снижается, но качество ее возрастает. Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений.

Рисунок 3.3- Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму)

Рабочий потенциал электрической энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 3.3). В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца.

Использование энергии в биосфере определяется количественным распределением и ее качеством. Солнечный свет падает на планету с энергией

2 кал*см ^-2мин ^-1 (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, т. е. 1,34кал*см ^-2мин ^-1. Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30 %, превращается в теплоту 46 %, расходуется на испарение воды, осадки 23 %, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2 %, идет на фотосинтез 0,8 -1,0%.

Клетки растений, связывая на свету СО₂ и Н₂О, образуют гидраты углерода (СН₂О) - строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а экспортируемая в космическое пространство рассеянная энергия снижает свою эксергию. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч и миллионов лет органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т. е. энергия накапливалась в виде ископаемого топлива. В XX веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком: городов, заводов, машин, автомобилей и т. п. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уходим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

В эпоху открытий новых источников ископаемого топлива большинство людей не понимают, что концентрированная энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности городов и всего общества, потребует рано или поздно разработки способов концентрации энергии. Энергия высокой концентрации совершает больший объем работы, управляет большим числом процессов. Чтобы сконцентрировать энергию, разные виды ее должны взаимодействовать.

Но, пока недостаточно разработаны технологии концентрации энергии, возможно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных работ»; например, солнечную энергию для отопления зданий.

При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом - использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.

Горючие ископаемые должны идти в основном на поддержание механизмов, требующих высококачественной энергии (самолетов, автомобилей и др.); не следует их тратить в котельных и печах там, где обогревать дома может Солнце. Запасы нефти и угля сохранятся дольше и позволят выиграть время для разработки технологий получения высококачественной энергии.

Важным показателем эффективности использования энергии является отношение количества энергии на выходе системы ко всей энергии на входе.

Мы привыкли отождествлять энергию, затрачиваемую в процессе производства, с энергией топлива, или электроэнергией, забывая об энергии человеческого труда и использованных материалов. На самом деле энергия, затраченная на добычу, производство, обработку и перевозку топлива, может превышать энергию, получаемую при сжигании этого топлива. Очевидно, что энергетические затраты на движение автомобиля гораздо больше, чем затраты на бензин. Они включают в себя энергию, затраченную на производство автомобиля, запасных частей, обучение шофера и подготовку ремонтных рабочих, на создание автомобильных дорог и другие работы.

В экономике также следует исходить из понятий полезной энергии. Энергоэффективность должна рассчитываться как отношение энергии, воплощенной в продукции, ко всем затратам энергии. Большинство достижений экономики основано на применении многих скрытых косвенных интеллектуальных или дополнительных форм энергии, которые часто не учитываются при оценках стоимости продукции.

Необходимо разрабатывать меры по сохранению как количества, так и качества энергии.

 

Энергия и деньги

Еще на заре цивилизации возникли деньги. Деньги – это мера стоимости товаров, они являются непосредственным представителем абстрактного труда или выполненной работы.

Приравненные к деньгам стоимости всех товаров приобретают одинаковое выражение и становятся сравнимы между собой.

Потоки денег и энергии тесно взаимосвязаны: поток денег противоположен потоку энергии. Когда продукты питания избыточны, они превращаются в товар. После продажи товара в обратном направлении возникает поток денег.

Соотношение энергии и денег определяется количеством энергии, вложенной в каждый обращающийся рубль. Чем больше энергии затрачено, тем выше реальная стоимость рубля.

В каждый данный момент существует некоторое среднее отношение суммы обращающихся денег к энергетическому потоку. Например, если в стране объем расходуемых денег ежегодно составляет около 1,4 трлн (10¹²) долларов и используется за год 35-10¹⁵ ккал энергии, то на 1 доллар приходится 25000 ккал. Естественно, это соотношение неодинаково в различных частях энергетической системы, но можно оценить его для системы в целом. Данное соотношение позволяет показать, какое количество энергии используется для поддержания деловой активности.

Оценка работы природных экосистем - еще не решенная проблема. Деньги могут участвовать в расчетах только после того, как природные ресурсы превращены человеком в товар, работа же природы, создающей ресурсы, при этом не оценивается. Деньгами оцениваются только труд человека и затраты по вылову, переработке и продаже рыбы. Работа водоема по производству рыбы обычно не оценивается деньгами. Но общая стоимость полезной работы водоема, рассчитанная посредством энергетического эквивалента денег, окажется выше стоимости собираемых в нем продуктов. Энергия и работа, выполняемая для поддержания биомассы растений и животных в водоеме, очистки и повторного использования воздуха и воды, остаются вне денежной системы. Было высчитано, что если бы оценить стоимость всей полезной работы водоема, выполняемой в течение года, в универсальной «энергетической валюте», а потом перевести в деньги, то 1 га плодородного водоема стоил бы в десятки раз больше, чем снимаемый с него годовой урожай.

Большинство экологов и экономистов согласны с тем, что необходимо преодолеть разрыв между рыночными и нерыночными ценностями, так как обе категории ценностей тесно взаимосвязаны.

Экономическая теория в соединении с правильно понимаемой энергетической теорией позволяет включить «бесплатную» работу природы в разряд экономических ценностей и таким образом повысить экономические системы до уровня экологических.

Мировая экономика в конечном счете зависит от основных природных экосистем - морских, лесных, сельскохозяйственных. По мере того как эти ресурсы истощаются или подвергаются стрессовым воздействиям, начинает страдать и мировая экономика: товары и услуги становятся все дефицитнее, их производство все дороже, что приводит к инфляции во всем мире.

 

Вопросы для самоконтроля:

 

1. Приведите примеры действия двух законов термодинамики в экосистемах.

2. Приведите примеры низкоэнтропийных и высокоэнтропийных экосистем; какие системы более жизнестойкие?

3. Как превращается энергия в цепи генерации электричества?

4. Как можно характеризовать качество энергии?

5. Дайте определение эксергии.

6. Во сколько р