Контрольная работа по "Экология"

Город практически не производит пищу, он только перерабатывает ее, не очищает воздух, почти не возвращает в круговорот воду и органические вещества, но находится в симбиотических отношениях с окружающей сельской местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая этим сельское население и получая взамен услуги и пищу.

Город можно рассматривать  как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные пригороды. 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.

5. Как можно  проиллюстрировать действия двух  законов термодинамики в экосистемах?

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем.

Первый закон  термодинамики - закон сохранения энергии - гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.

Закон подразумевает, что  в результате превращений энергии  никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы  энергия преобразуется в иные формы.

Второй закон  термодинамики утверждает: при любых  превращениях энергия переходит  в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Действительно, солнечная энергия Q_сопн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и ванной   формами   энергии   в   соответствии   с   первым   законом термодинамики:  Q_солн = q_расс+ q_конц

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (q_конц < Q_coлн) Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики  (рис.  2).

 

 

6. Как можно  оценить эффективность использования  энергии?

Показателем энергоэффективности является отношение количества полезной энергии на выходе системы ко всей полезной энергии на входе.

 

Энергоэффективность зависит также от соответствия качества энергии качеству выполняемой работы.

Для выполнения различных видов работы может  применяться энергия разного качества. Чтобы горел свет, работали электродвигатели, электронные приборы, двигались автомобили и летали самолеты, требуется высококачественная концентрированная энергия. А для отопления жилых и других помещений можно использовать менее качественное низкотемпературное тепло (менее 100 °С). Необходимость в высококачественной концентрированной энергии для поддержания жизнедеятельности городов и всего современного общества, потребует рано или поздно разработки способов концентрации энергии низкого качества.

Но, пока недостаточно разработаны  технологии концентрации энергии, можно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных» работ.

Пассивные системы  могут улавливать первичную солнечную  энергию, сохранять ее и использовать для обогрева зданий и нагревания воды без каких-либо дополнительных механизмов. Примером может служить хорошо изолированный герметичный дом с тройными оконными рамами, обращенными к солнцу, и использование камня, цемента или воды в таких домах для накопления и затем медленной отдачи тепла. Специально спроектированные и устанавливаемые на крышах зданий коллекторы также могут концентрировать прямую солнечную энергию для нагревания воды и внутренних помещений. Особые солнечные аэотоэлементы могут непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Коэффициенты полезного действия различных по качеству видов энергии могут резко различаться в зависимости от выполняемых работ.

Сравним энергоэффективность обогрева хорошо изолированного дома за счет прямой солнечной энергии, поступающей через обращенные к солнцу окна, и энергоэффективность обогрева за счет электроэнергии, выработанной АЭС и поступающей к дому по линии электропередач и превращенной затем в низкотемпературное тепло (рис. 3.).

 

Рис. 3 Энергоэффективность обогрева дома за счет солнечной энергии и за счет электроэнергии АЭС (по Т. Миллеру,  1990, с изменениями)

 

Анализ рис. 3. показывает, что чем больше ступеней в процессе преобразования энергии, тем больше ее превращается в бесполезное рассеянное тепло, тем меньше показатель эфаэектив-ности ее использования, т. е. практический коэффициент полезного действия.

Превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и затем - в низкокачественное низкотемпературное тепло (на уровне 20 °С) для обогрева дома - чрезвычайно расточительный процесс. Использовать эту энергию для обогрева домов все равно, что стрелять из пушек по воробьям. Солнечная же энергия, поступающая естественным путем, может дать в данном случае необходимое количество тепла без больших его потерь в окружающую среду.

Прямая солнечная энергия - это один из наиболее эффективных и дешевых способов отопления зданий, применяющийся тысячелетиями.

Однако прямую солнечную  энергию нельзя применять для получения высокотемпературного тепла для нужд промышленного производства и транспорта. Чтобы использовать солнечный свет для этих целей, его нужно сконцентрировать на гелиоустановках (гр. helios - солнце). В этом случае эффективность использования энергии будет очень низкой, так как, чтобы принять и сконцентрировать в определенном месте слабый по интенсивности поток солнечной энергии, необходимо много денег и высококачественной энергии топлива для добычи, обработки и перевозки материалов, используемых для создания громадных антенн, фокусирующих зеркал, труб и прочего оборудования, не считая затрат интеллектуальной энергии на разработку проектов.

Эффективность использования  того или иного энергоносителя для различных видов работ зависит также от его доступности и удаленности от потребителей. Так, использование нефти пока довольно рентабельно, так как в основном она поступает из богатых и легкодоступных месторождений (Саудовская Аравия и другие районы Среднего Востока). Когда эти источники истощатся, цены на нефть возрастут, так как ее придется добывать из менее богатых, глубоко залегающих месторождений или в суровых отдаленных районах (Арктика, Аляска, Северное море и др.). Потребуется гораздо больше денег и высококачественного топлива на ее добычу и доставку потребителям. Рентабельность использования такой энергии упадет.

 

На рис. 4 приведены коэффициенты рентабельности для различных видов энергии, используемых в разных целях.

 

Рис.  4.  Коэффициенты рентабельности энергии при различных видах работ (по Т. Миллеру,  1990, с изменениями)

7. Что лежит  в основе большого и малого  круговорот веществ?

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический  (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды.

В основе большого геологического круговорота лежит  процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.

Около 30 % падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот. В 1927 г. советский ученый В. Р. Вильямс писал: «Из большого, абиотического, круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в одном направлении в малом, биологическом,  круговороте».

В основе малого круговорота  веществ лежат процессы синтеза  и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.

Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют общий глобальный круговорот, перераспределяющий энергию Солнца.

Иными словами, все  химические элементы участвуют и  в большом, и в малом круговороте веществ, перемещаясь из неживой среды в живые организмы и обратно, образуя биогеохимические циклы.

 

 

8. Как осуществляется  возврат веществ в круговорот?

Рециркуляция веществ в природных экосистемах должна служить моделью для решения одной из главных природоохранных задач - возвращения различных использованных веществ в естественные циклы.

  Основные пути возвращения веществ в круговорот следующие (рис. 5).

Непосредственные  выделения животных и человека без предварительного разложения бактериями. В состав выделений входят С0₂, растворимые органические и неорганические соединения фосфора и азота, которые могут непосредственно усваиваться растениями. Например, в толще морской воды мелкий фитопланктон активно и быстро поедается животными, особенно микрозоопланктоном. Поэтому азот и с фосфор в этих условиях регенерируются в основном из экскрементов животных. Зоопланктон (дафнии, коловратки и др.) выделяет в воду в несколько раз больше минеральных элементов, чем их освобождается после микробного разложения отмерших растительных организмов.

\

 

Рис. 5. Пять основных путей возврата веществ в круговорот

 

Микробное разложение органических остатков редуцентами. Бактерии и грибы - основные агенты регенерации элементов этим путем, который преобладает в наземных экосистемах. Гетеротрофный процесс разложения, происходящий в несколько стадий (2а, 26) благодаря жизнедеятельности микроорганизмов, приводит не только к освобождению потенциальной 
энергии органических веществ, но и к регенерации химическихэлементов, вступающих в новый цикл обращения.

Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедеятельности организмов, живущих в симбиозе с растениями. Это могут быть бактерии, микроскопические грибы, водоросли, лишайники,  другие  растения.  Они  передают элементы  питания  непос редственно растениям, как, например, клубеньковые бактерии. Этот путь особенно важен в экосистемах с низким содержанием питательных веществ.

Поступление  в  круговорот  элементов   и   веществ  в результате физических процессов, движимых солнечной энергией, т. е. в результате выветривания, эрозии, с потоками воды и т. д. Вода также возвращается в круговорот благодаря энергии Солнца. Таким путем элементы из осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы.

Поступление элементов  в биогеохимические циклы, связанные с деятельностью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Таким путем возвращаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы, другие ценные вещества, извлекаемые из отходов, и т. д.

Иногда элементы питания могут высвобождаться из остатков и выделений организмов и без участия микроорганизмов. Этот процесс называется автолизом (саморастворением). Автолиз имеет большое значение тогда, когда степень дисперсности отмерших частичек велика (размеры очень малы), т. е. они имеют большую (относительно объема) поверхность соприкосновения с водой. В водных системах еще до бактериального разложения детрита может освобождаться от 25 до 75 % биогенных элементов. При проектировании систем очистки сточных вод часто выгодно затратить механическую энергию на распыление органического вещества, чтобы ускорить его разложение. Такую же работу выполняют и животные организмы, измельчая и перерабатывая органические остатки (например, дождевые или водные черви). Так, водные черви олигохеты из семейства трубчатых пропускают за сутки через кишечник количество ила, во много раз превосходящее массу их тела. Грубый ил и детрит в кишечнике перетираются и выбрасываются на поверхность отложений уже сильно измененными по механическому и химическому составу, а увеличение степени дисперсности и минерализация переработанных частиц в 3 - 4 раза ускоряют освобождение питательных веществ (Л. И. Цветкова,   1968).