ENERGIA ÖKOSÜSTEEMIDES. AINERINGED LOENG 4

ENERGIA Energia kitsamas mõttes – on füüsikaline suurus, mis iseloomustab mingi objekti võimet teha tööd Energia laiemas mõttes on kõigi füüsikaliste objektide (osakeste, kehade, väljade) liikumise üldine mõõt Energia on kõikide protsesside liikumapanev jõud Energia avaldusvormid: mehaaniline (potentsiaalne, kineetiline jt), keemiline (keemiliste reaktsioonide energia), soojusenergia (soojuslik siseenergia), elektromagneetiline (elektrivälja-, magnetvälja-kiirgusenergia), tuumaenergia, gravitatsioonienergia. Energia on elusorganismide elutegevuse alus

ENERGIA ÜHIKUD Džaul (J) – energia ja töö ühik 1 J = 1 N•m = 1 kg•m²/s² = 1 W•s 1 kJ (kilodžaul) = 10³ J 1 MJ (megadžaul) = 106J 1 GJ (gigadžaul) = 109J 1 TJ (teradžaul) = 1012J 1 PJ (petadžaul) = 1015J 1 EJ (eksadžaul) = 1018J Kalor (cal) 1 cal = 4,1868 J Kasutatakse toidu või toiduainetes sisalduva energiahulga iseloomustamiseks Gcal (1 gigakalor = 109 cal) Kasutatakse soojusühikuna soojusenergeetikas, küttesüsteemides, kommunaalmajanduses Kilovatt-tund(kWh) Kasutatakse elektro- ja soojustehnikas 1 kWh =3600kJ

ENERGIA ÜHIKUD Kütuses sisalduvat energiat väljendatakse tingkütuse ekvivalentse kogusena Tingkütuseks on kokku lepitud võtta kas kivisüsi, lugedes selle kütteväärtuseks 7000 kcal/kg, või toornafta, lugedes selle kütteväärtuseks 10 000 kcal/kg 1 tce (ton of coal equivalent), süsi-tingkütusetonn (söeekvivalent) 1 tce = 7000 kcal = 29,31 GJ = 8,14 MWh 1 toe (ton of oil equivalent), õli-tingkütusetonn 1 toe = 10 000 Mcal = 41,87 GJ = 11,63 MWh   1 tce = 0,7 toe

TERMODÜNAAMIKA SEADUSED (1) Energia omadusi kirjeldavad termodünaamika seadused Termodünaamika esimene põhiseadus (energia jäävuse seadus) Kinnises süsteemis on energia ja mateeria hulk konstantne, energia ja mateeria võivad muutuda ühest vormist teise, kuid ei teki ega kao. Energiat ei saa iseeneslikult toota ega saa ka hävitada Energia muundamisel läheb alati osa energiat hõõrdumise või soojussiirde teel väliskeskkonda kaduma Mida loodusest võetakse läheb sinna ka tagasi, kuigi vorm muutub. Selle asjaoluga mitte arvestamisel võivad tagajärjeks olla suured keskkonnaprobleemid!

TERMODÜNAAMIKA SEADUSED (2) Termodünaamika teine põhiseadus Energia hajub igas protsessis Energia pöördumatut hajumist iseloomustab entroopia Mida rohkem energiat kasutatakse, seda suuremaks muutub entroopia ning kasutamiskõlbliku energia hulk kahaneb. Näiteks, kui nafta on ära põletatud, on jääkmass ikka sama, aga selle vorm on muutunud

ENERGIA ÖKOSÜSTEEMIDES INFORMATSIOON AINE ÖKOSÜSTEEM KESKKOND ENERGIA

PÄIKE ENERGIAALLIKANA Kogu maailma energia põhineb päikeseenergial ja seega on päike see, mis muudab tänapäeva elu võimalikuks. Päikese poolt kiiratud (väljastatud) energia on 3,84 × 10(26) J/s Efektiivne pinnatemperatuur on 5800 К Tuumatemperatuur on 15 000 000 К Keemiline koostis (massiprotsent): Vesinik Н2 – 73,46% Heelium Не – 24,85% Muu – 1% Päikese energiaallikas on tuumas toimuvad termotuumareaktsioonid kus kerged tuumad ühinevad raskemateks andes selle protsessikäigus energiat

PÄIKESE KIIRGUSSPEKTER Ultraviolettkiirgus UV (10-390 nm) 10% Nähtav kiirgus (390-760 nm) 45% Infrapunakiirgis IP (760 nm – 3000 μm) 45%

PÄIKESE SOLAARKONSTANT Päikeselt tulevat kiirgust iseloomustab solaarkonstant Solaarkonstant on Päikese kiirgusvoo võimsus, mis jõuab atmosfääri ülapiirile kiirtega ristolevale ühikpinnale So =1372 W/m² Arvestades Maa pöörlemist ümber oma telje on Päikese kiirgusvoo võimsus keskmiselt 342 W/m² ööpäevas

MAA ENERGIABILANSS 342 W/m² - päikeselt tulev kiirgus 12 и 24 W/m² - neeldub stratosfääris 64 и 179 W/m² - neeldub troposfääris 186 W/m² - jõuab maapinnani 162 W/m² - neeldub välispinaga 104 и 238 W/m² - kiirgub maailmaruumi (pikkalaineline kiirgus)

FOTOSÜNTEES Maale langevast kiirgusenergiast seotakse taimede poolt umbes 1%, mida nimetatakse primaarseks produktsiooniks (kogu primaarproduktsiooniks)

AINE- JA ENERGIAÜLEKANNE ÖKOSÜSTEEMIS PRODUTSENDID I JÄRGU KONSUMENDID (FÜTOFAAGID) II JÄRGU KONSUMENDID (ZOOFAAGID) DETRITOFAAGID REDUTSENDID MINERAALAINED ENERGIAALLIKAS (PÄIKE) HETEROTROOFID EHK TARBIJAD AUTOTROOFID EHK TOOTJAD AINEÜLEKANNE ENERGIAÜLEKANNE

Fotoautotroofid – rohelised taimed (energiaallikas – päikesekiirgus) PRIMAARPRODUKTSIOON Autotroofid ehk tootjad on organismid, millel on võime mitteorgaanilistest ühenditest (CO2, vesi) valmistada orgaanilisi ühendeid (suhkrud, tärklis, tselluloos) Tootjate poolt loodavad orgaanilised ained nimetatakse primaarproduktsiooniks (ehk brutoproduktsiooniks) Primaarproduktsioonil baseerub kogu elusloodus Primaarproduktsioonist ligikaudu pool kulub hingamisele ning ülejäänud kasutatakse taimetoiduliste poolt. Seda hingamisest ülejäänud orgaanilist ainet nimetatakse neto primaarproduktsiooniks ehk esmaseks puhastoodanguks Neto primaarproduktsioon tagab loomariigi ning inimkonna toitumise Fotoautotroofid – rohelised taimed (energiaallikas – päikesekiirgus) Hemoautotroofid - mulla- ja veebakterid (energiaallikas – fermentatiivse oksüdeerimise energia). Rauabakterid, väävlibakterid, nitrifitseerivad bakterid

SEKUNDAARPRODUKTSIOON Heterotroofid ehk tarbijad on organismid, kes toituvad valmis orgaanilisest ainest Sekundaarproduktsioon ehk teistoodang on toiduahela teise astme organismide talletatud energiahulk Seda energiahulka, mis kandub edasi kolmandale toiduahela astmele, nimetatakse teiseseks puhastoodanguks.

REDUTSENDID Fotosünteesis loodava orgaanilise aine jääkide, kasvavate taimete ja neist toituvate loomade, samuti kiskjate eritiste, surnud säilmete ümbertöötamiseks kuuluvad ökosüsteemi koosseisu lagundajad ehk redutsendid. Lagundajad toituvad surnud orgaanilisest ainest Lagundajate elutegevuse saadused on mineraalsed ained, lämmastik, süsinikdioksiid, muld (huumus) Lagundajad – bakterid, seened, selgrootud loomad (nt ussid)

ÖKOSÜSTEEMI FUNKTSIONAALNE STRUKTUUR

ENERGIA ÖKOSÜSTEEMIS Energia läbib ökosüsteemi ühe korra ja väga palju energiat läheb kaduma troofiliste tasemete vahel liikudes. Energia ülekanne ühelt toiduahela tasemelt teisele on umbes 10% (kümne protsendi reegel). Seega, mida lühem on toiduahel, seda effektiivsem on summaarne energia ülekanne primaarprodutsentidelt toiduahela tippu. Pika toiduahela korral on summaarne energia ülekanne ebeffektiivne.

ÖKOSÜSTEEMI TROOFILINE STRUKTUUR Troofiline tase on toiduahela energiaallikast olenev tase ökosüsteemis Karjamaa tüüpi toiduahel baseerub autotroofidel. Laguahel ehk detriitahel baseerub detriidi ehk pudeme olemasolul ja ühtlasi algab sellest. Laguahelatel on eriti tähtis osakaal metsaökosüsteemides.

ÖKOSÜSTEEMI TROOFILINE STRUKTUUR Karjamaa tüüpi toiduahel. Energiavoog kJ/(m²·aastas)

TOIDUVÕRGUSTIK

ÖKOLOOGILINE PÜRAMIID Ökoloogiline püramiid ehk troofiline püramiid on ökosüsteemi troofilise struktuuri kujutis astmikpüramiidina Iga ökoloogilise püramiidi aste kujutab troofilist taset Troofilisi tasemeid kirjeldatakse energiavoo alusel (energiapüramiidid), biomassi kaudu (biomassi püramiidid), arvude kaudu (arvude ehk Eltoni püramiid) Ökoloogilise püramiidi reegel – iga järgneva troofilise taseme biomass on ligikaudu 10% eelneva taseme biomassist Iga toiduahela lüli ehk troofiline tase reguleerib eelneva lüli arvukust ja sõltub sellest

ÖKOLOOGILINE PÜRAMIID V troofiline tase (tippkiskja) ΙV troofiline tase (tertsiaalsed konsumendid, sekundaarsed kiskjad) ΙΙΙ troofiline tase (sekundaarsed konsumendid, primaarsed kiskjad) ΙΙ troofiline tase, (primaarsed konsumendid, rohusööjad) Ι troofiline tase (produtsendid)

ÖKOLOOGILISED PÜRAMIIDID Biomassi püramiidid vasakul –ahenev paremal - ümberpööratud Hooajavahetused biomassi püramiidis

ÖKOLOOGILISED PÜRAMIIDID Produtseeritud lutserni 62,4*10(3) kJ vasikaliha 5*10(3) kJ Päikese energia 2,64*10(8) kJ Inimese lihaskude juurdekasv 34,7 kJ Vasikad 4,5 1 Poiss Vasikaliha 962 kg Poiss 47,2 kg Lutserni taimed 8,03*10(4) kg Lutserni taimed 2*10(7) Energiapüramiid Arvude (Eltoni) püramiid Biomassipüramiid

AINERINGED Maakeral on ainult piiratud hulk keemilisi aineid ja mitmed neist on eluks vajalikud. Kui neid saaks ainult ühekordselt kasutada, lõpeksid nad otsa ning kõik elusorganismid sureksid välja. Keskkonnas toimub keemiliste ühendite ja ainete ringlus. Aineringe on keemiliste elementide või ühendite pidev ringlus ümbritsevast keskkonnast organismidesse ja organismidest keskkonda. Aineringete liikumapanev jõud on Päikese energia Eraldi tuuakse välja Biootilist aineringet Veeringe Lämmastikuringe Süsinikuringe Hapnikuringe Väävliringe Fosforiringe Mürkide tsüklid Raskemetallide tsüklid

BIOOTILINE (BIOLOOGILINE) AINERINGE Hingamine СО2, Н2О Primaarproduktsioon Orgaanilised ained CO2, H2S, NH3,H2O jt PÄIKESE ENERGIA ≈ 1% ROHELISED TAIMED (PRODUTSENDID) TAIMSÖÖJAD (I JÄRGU KONSUMENDID) KISKJAD (II JÄRGU KONSUMENDID) (III JÄRGU KONSUMENDID) SETTEKIVIMID (MINERAALAINED) MIKROORGANISMID (REDUTSENDID EHK LAGUNDAJAD) Orgaanilised jäägid (detriit) Orgaanilised jäägid (detriit) Hingamine СО2, Н2О

VEERINGE Vee kogused on väljendatud g aastas (F. Ramad, 1979) Veevaru uuenemise keskmine kestus: atmosfääris umbes 10 päeva, pinnaveel 3 aastat, põhjaveel 600 aastat, maailma merel 4000 aastat, Antarktise mandrijaal 14000 aastat.

SÜSINIKURINGE Süsiniku olemasolu on elu aluseks Maal Õhus olev CO2 on üks orgaanilise aine ja hapniku moodustamisek lähteaineidkoos juurtest tuleva vee ja päikese kiirguse energiaga, mida taimed kasutavad fotosünteesimisel Süsinik osaleb kogu toiteahelaringis nii maismaal kui vees Suur osa ookeani süsinikust on ladestunud kaltsiumkarbonaadina CaCO3 korallriffidesse, lubjakivisse ja teistesse fossiilsetesse lademetesse Osa süsinikust on ladestunud fossiilsena maakoorde: kivisüsi, nafta, maagaas, põlevkivi, turvas Fossiilkütuste põletamisel eraldub salvestatud CO2 uuesti atmosfääri (Smith, 1971)

HAPNIKURINGE Hapnik on eluks hädavajalik element enamikule organismidele Orgaaniliste ühendite massist moodustab hapnik umbes 65% Hapnik vabaneb fotosünteesiprotsessis Aeroobsed organismid kasutavad hapnikku hingamisel Hingamisprotsessis viiakse hapnik uuesti veemolekuli koostisesse Hapnikuringe kulgeb läbi vee Hapnik reageerib kergesti teistev ainetega, moodustades mitte ainult orgaanilist ainet, vaid ka metallide oksiide ja muid ühendeid (Cloud, 1970)

LÄMMASTIKURINGE Lämmastik N on tähtsaim element kogu orgaanilise maailma elutegevuses Lämmastik on vajalik valkude. Aminohapete, nukleiinhapete, klorofülli, vitamiinide, hormoonide jt bioloogiliselt aktiivsete ühendite koostises Lämmastikuringe toimub läbi orgaanilise aine Mulla mineraalosa ei sisalda lämmastiku peaaegu üldse Mullas oleva lämmastiku kandjaks on orgaaniline aine (huumus, taimejäätmed ja organismid) Õhu lämmastik (78%) on organismidele raskesti kättesaadav Mõned taimeliigid elavad sümbioosis lämmastikku siduvate bakteritega (mügarbakteritega) Lämmastiku satub ringlusesse ka heitgaasidena, mis tekitavad õhusaastet

VÄÄVLIRINGE Looduses esineb väävlit ehedal kujul (S), vääveldioksiidina SO2, divesiniksulfiidina H2S, sulfiididena, sulfaatidena Väävel on ka elavates organismides nõutud element, ta võtab osa valkude moodustamisest Fossiilkütuste põletamisega emiteeritakse atmosfääri väävlit vääveldioksiidi SO2 kujul Õhus reageerib SO2 hapnikuga, moodustades SO3, mis omakorda lahustub vihmavees moodustab väävelhappe - happevihmad (Colinvaux, 1973)

FOSFORIRINGE Fosforiringel puudub atmosfääri faas Fosfori varud esinevad sedimentaarsel kujul kivimites ja setetes Kivimite erodeerumisel satub fosfor keskkonda ja ühtlasi aineringlusesse Taimed omastavad fosforit fosfaatidena juurte kaudu Loomsed organismid omastavad fosforit toiduga ja annavad seda oma ekskrementidega uuesti loodusesse tagasi Taimede poolt kasutamata jäänud fosfor läheb sedimentaarsesse faasi (fosforiidid, apatiidid) Põhilised fosforisaaste allikad on kodumajapidamised, tööstused ja põllumajandus (väetised, taimekaitsevahendid)

PROBLEEMID Aineringega on otseselt seotud mitmed olulised probleemid, mis sõltuvad inimese mõjust keskkonnale: Raskemetallide ladustamine organismidesse, mis toimub sel viisil, et need liiguvad mööda toitumisahelat madalamatt tasemelt kõrgemale ja kontsentreeruvad toitumisahela ülemises otsas asuvates organismides (tippkiskjates); Kliima soojenemise oht – sõltub suurenenud kogusest ringlusse sattunud süsinikdioksiidist; Põllumajanduses toob väetiste kasutamine kaasa nende kogumise aineringe kaudu veekogudesse. Tulemuseks on veekogude eutrofeerumine ja kinnikasvamine

http://www. slideshare. net/mariliis http://www.slideshare.net/mariliis.lehtveer/elupaigad-ja-nende-kaitse-presentation