Co je to tok energie v ekosystému?

Energie je neviditelná a nehmatatelná, ale život se bez ní neobejde.

V systémové ekologii se ukázalo, že energetické toky jsou jedním z klíčových konceptů k pochopení funkce ekosystémů. Skoro každý ekosystém je otevřený, se složitou soustavou kladných i záporných zpětných vazeb.

Předpokladem toku energie v biosféře je schopnost tzv. producentů (zelené rostliny) vytvářet organické látky z látek anorganických. nazývá autotrofní. Primární produkce je až na výjimky (někteří prvoci) záležitostí zelených rostlin - autotrofních organizmů. energie slunečního záření, která se potravním řetězcem přelévá do dalších potravních článků.

Rostliny přijímají fosfor z půdy v podobě rozpustných fosforečnanů. Do rostlin vstupuje síra v podobě síranů. Látky jako uhlík, dusík, kyslík a voda v ekosystémech kolují.

Voda se vypařuje z oceánů, vodních toků a nádrží, ze zemského povrchu. Vodní páry a drobounké kapičky se vzduchovým pohybem, nestejným zahříváním ovzduší neustále přemisťují - cirkulují. Po kondenzaci páry z ovzduší dopadá voda v podobě srážek na zemský povrch (déšť, sníh). Voda se vypaří z vodních ploch i půdy do mraků díky energii ze Slunce.

Čtěte také: O toku energie a živin

DUSÍK - rostliny přijímají dusík v podobě dusičnanů a amonných kationtů, zpět po rozpadu rostliny se do půdy dostává zejm. amoniak - převeden nitrifikačními bakteriemi až na dusičnany nebo uvolněn do ovzduší - zpět do půdy rozpuštěn v dešťové vodě.

Fotosyntéza a produkce biomasy

Při fotosyntéze vzniká z oxidu uhličitého a vody jednoduchý cukr (glukóza) a kyslík. Reakce proběhne pouze za přítomnosti zeleného barviva chlorofylu. Může probíhat ve vodě i na souši, katalyzátorem, který celý děj urychluje, je teplota. vysokoenergetických molekul obsažených v glukóze.

Rychlost fotosyntézy (tedy současně obnovitelnost zdroje) je dána typem rostliny, teplotou a přítomností emisí v ovzduší. fotosyntézu urychluje (tropický les), nízká teplota tlumí (tundra).

Různé ekosystémy Země se vyznačují různou produktivitou biomasy. Ta se vyjadřuje v gramech či kilogramech na jednotku plochy v suchém stavu.

Energetická návratnost

Přijímají již vytvořenou energii ve formě potravy. Využití energie pro produkci nové biomasy je na různých stupních trofických vztahů odlišné. sluneční energie, býložravci zhruba 10 % a masožravci dokonce 20 % energie přijaté v potravě.

Čtěte také: Vliv Energie na Přírodu

Každý z nás musí denně v průměru přijmout tolik potravy, aby získal alespoň 2000 kcal (zhruba 8400 kJ) energie. Když je příjem energie dlouhodobě menší, přestává postupně naše tělo fungovat. Větší nedostatek energie může vést až k úplnému kolapsu. Energie, kterou lidské tělo využívá, musí pokrýt úsilí nezbytné k získávání a zpracování energie, musí zajistit reprodukci a nahradit energetické ztráty. Z potravy tedy musí lidské tělo získat větší množství energie, než kterou do procesu získávání potravy vloží, neboli energetická návratnost (viz Vesmír 87, 113, 2008/2) musí být větší než jedna.

I ve složitějších otevřených ekosystémech, než je láhev vinného moštu s kvasinkami, se uplatňuje princip energetické návratnosti. Sluneční záření zajišťuje stálý přísun energie. Spletitý systém zpětných a kladných vazeb udržuje ekosystém v dynamické rovnováze a umožňuje mu, aby dlouhodobě fungoval bez větších výkyvů.

Přestože energetická návratnost je snadno pochopitelný princip popsatelný jednoduchou formulkou, odhad či výpočet energetické návratnosti není vždy triviální. Podmínek k tomu, abychom mohli energetickou návratnost co nejpřesněji určit, je několik. Musíme vymezit subjekt, systém či proces, pro který chceme určit energetickou návratnost. Může to být strom v lese nebo například celá pstruhová populace v horské říčce. Vedle toho je nutné popsat a znát co nejpřesněji všechny energetické vstupy a výstupy, energetické vazby a toky a jejich návaznosti, a to v prostoru i v čase.

Ani lidská populace (její existence, její aktivity a civilizace) principu energetické návratnosti neunikne. Jedinec (a ani společnost) nemůže dlouhodobě vydávat více energie, než kolik jí potřebuje. Tak jako veškerý život, jsme i my závislí na dostupných energetických zdrojích v rámci ekosystému Země. Na rozdíl od ostatních živočišných druhů a rostlin jsme se naučili vyžívat nejen vlastní metabolickou energii z potravy, ale i energii potřebnou k přípravě té potravy, kterou by náš metabolizmus nebyl schopen v syrovém stavu zpracovat. S rozvojem vynalézavosti našich pradávných předků a s šířením zemědělství postupně energetická návratnost vzrůstala.

Jako jediný druh rostlinné i živočišné říše jsme neinvestovali zlepšující se energetickou návratnost jenom do růstu populace, ale také do zvýšení strukturovanosti a složitosti (komplexity) společnosti. A nezůstalo pouze u potravy a ohně jako jediných zdrojů energie. Člověk vymyslel a zdokonalil využití energie ve formě zvířecí práce, energie ze dřeva (biomasy) či větrné a vodní energie. To umožnilo další rozvoj společnosti a další vylepšování energetické návratnosti. Stále více energie se investovalo do složitosti společnosti a do výrobků a služeb, které nesouvisely přímo se získáváním potravy, ale usnadňovaly život. Až do počátku 18. století byla společným jmenovatelem pro veškerou energii, kterou se lidstvo naučilo využívat, závislost zdrojů na přímé sluneční energii. Přes všechna vylepšení a úspěchy lidské nápaditosti pracovaly ještě okolo roku 1750 (kdy lidská populace zdaleka nedosahovala ani jedné miliardy) tři čtvrtiny lidí v zemědělství.

Čtěte také: Udržitelná Budoucnost

Energetické zdroje ve vyspělé civilizaci

Velkou změnu přineslo využívání fosilních paliv, nejprve uhlí, později zemního plynu a ropy. Jaderná energie v druhé polovině 20. století byla pak třešničkou na energetickém dortu. Dostupnost energie z fosilních paliv se stala impulzem k industriální revoluci a rozvinuté technické civilizaci. Využití fosilních paliv umožnilo rychlou intenzifikaci zemědělství a rychlý růst lidské populace. Postupná mechanizace, zavedení umělých hnojiv a pesticidů vedly až k zelené revoluci v druhé polovině 20. století. Dnes (kdy na světě už žije téměř sedm miliard lidí) se věnuje zemědělství přibližně 15 % světové populace, ve vyspělých zemích je to ještě méně (např. v USA jen 2 %). Využívá se transformovaná energie dodaná zvenčí (paliva). V nejvyspělejších státech je poměr energie pocházející zvenčí (exosomatické) k energii získané v lidském těle (endosomatické) téměř 100 : 1. Energetická návratnost investic naší civilizace jako celku je díky lehce přístupným a snadno zpracovatelným fosilním palivům veliká.

Dostatečné množství přístupné energie (paliv) a dobrá energetická návratnost jsou podmínky nezbytné pro zdravý současný i budoucí rozvoj civilizace. Jak je to s energetickou návratností jednotlivých zdrojů, které máme a budeme mít k dispozici? Přesný výpočet není možný, neboť je závislý na definici systému, a to nejen v prostoru, ale i v čase. Les například sázíme a pečujeme o něj s perspektivou užitku v horizontu několika desítek let. Naopak větrnou energii máme k dispozici okamžitě, pokud ovšem zrovna dostatečně fouká.

Energetická návratnost je ale také funkcí času a místa, kde energii využíváme.

Energetická návratnost jednotlivých zdrojů

Uhlí: Bylo prvním z fosilních paliv, které jsme se naučili využívat. Dnes je stále tichým dříčem v pozadí a přispívá přibližně 23 % k (primární) energii, kterou máme k dispozici. Uhlí lidé znali a využívali již dávno, ale jeho dostupnost byla omezená. Teprve s vylepšením parního stroje, které umožnilo čerpat vodu v dolech mnohem efektivněji, se těžba uhlí rozšířila, což mělo za následek explozivní rozvoj průmyslu a dopravy. Dnes se uhlí využívá především v elektrárnách, což usnadňuje odhad energetické návratnosti. Průměrná energetická návratnost uhlí při výrobě elektrické energie je dnes okolo 10. I když ani uhlí není pod zemským povrchem nekonečně mnoho, jeho zásoby jsou ještě velké. Samozřejmě je na nás, jak s ním budeme hospodařit a na jak dlouho nám zásoby vystačí.

Ropa: Energetickou královnou je už přes sto let. Představuje 40 % veškeré energie, kterou dnes naše civilizace spotřebuje. Přes 90 % ropy se propálí v dopravě. Jen velice malá část se používá k výrobě elektrické energie. Zbývajících necelých 10 % není využíváno jako zdroj energie, ale je to základní surovina výrobků chemického průmyslu (od plastikových hraček po léky). Ropa je poměrně snadno zpracovatelná, snadno přepravitelná, snadno skladovatelná, se širokou škálou využití. Technologie hledání ropy zaznamenala obrovské pokroky a využívá nejmodernější vymoženosti - od satelitů po seizmický výzkum a moderní počítačovou technologii. Energetické prostředky investované do hledání nových ropných polí jsou obrovské. Hledá se v odlehlých nehostinných končinách, mnoho kilometrů pod mořským dnem. Každý suchý vrt, který nepřinese očekávané výsledky, zhoršuje energetickou návratnost. Přes veškeré úsilí se velkých ropných polí nachází méně a méně. Energetická návratnost ropy se snižuje. V počátcích ropné éry dosahovala závratné hodnoty 100. Byla kvalitní, snadno dostupná a nebylo třeba ji dopravovat tak daleko. Dnes, kdy je spotřeba ropy mnohonásobně vyšší, vzdálenost od ropných polí do míst spotřeby veliká a kvalita ropy mnohem nižší, je energetická návratnost mezi 10 a 20. A energetická návratnost nových ropných polí, která dnes nacházíme hluboko pod mořským dnem či na dálném severu, se bude pohybovat už jen mezi 5 až 8. Existují obrovské zásoby ropných písků a břidlic v Kanadě, USA, Venezuele i jinde. Čísla zásob jsou působivá, ale bližší pohled už tak růžový není. V kanadské provincii Alberta se ropné písky těží a zpracovávají již od r. 1967. Energetická návratnost výroby ropných produktů z ropných písků se uvádí v rozmezí 2-4. I tato ne právě oslňující návratnost je však možná jen na úkor značné ekologické zátěže. Navíc technologie zpracování ropných písků potřebuje enormní množství vody a podpůrný zdroj energie, který umožní ropné písky zpracovat. Bez místních vydatných zdrojů zemního plynu by k těžbě ropných písků nejspíš ani nedošlo.

Zemní plyn: Je blízkým příbuzným ropy a pokrývá (podobně jako uhlí) asi 23 % naší primární energetické spotřeby. Často se ropná naleziště s nalezišti zemního plynu překrývají. Zemní plyn má mnoho využití od vytápění, přes výrobu elektrické energie až po životně důležitou výrobu zemědělských hnojiv. Jeho distribuce a skladování jsou obtížnější než v případě ropy. Energetická návratnost zemního plynu v místě těžby je vysoká, ale prudce klesá přepravou na velké vzdálenosti. Podobně jako v případě ropy je energetická návratnost také funkcí velikosti naleziště. Energetická návratnost zemního plynu přepravovaného ropovody je podobná jako u ropy, tj. její hodnota se dnes pohybuje někde mezi 10-20 a postupně klesá. Například v roce 2005 bylo ve Spojených státech navrtáno rekordních 27 335 nových vrtů, což bylo o 66 % více než v roce 2000. Přesto celková produkce poklesla o 5 % a v témže období cena zemního plynu pro domácnosti vzrostla o dvě třetiny. Velkou překážkou v přepravě zemního plynu jsou oceány. Přeprava plynu potrubím není technicky realizovatelná, a tak jedinou možností, která ještě není ztrátová, je mezikontinentální přeprava zemního plynu v kapalné formě. Zkapalňování a přeprava kapalného plynu je energeticky náročná, spotřebuje až 30 % energie. Navíc přeprava zkapalněného zemního plynu představuje značné bezpečnostní riziko. Zemní plyn lze také použít k přípravě vodíku, kterému se v poslední době dostalo hodně publicity. Základním a velice častým nepochopením role vodíku ve využívání energie je fakt, že vodík není v přírodě volně k dispozici. Je pouze nosičem, mezistupněm v procesu zpracování a využívání energie. Výroba i spalování vodíku jsou nutně spojeny s energetickými ztrátami, které vedou k snížení energetické návratnosti původního primárního zdroje. Použití vodíku v energetickém řetězci může mít svoje místo, ale jen potud, pokud je to energeticky výhodný způsob jak dopravit jinak nevyužitelnou energii od energetického zdroje do místa spotřeby.

Jaderná energie: Ve fosilních palivech je akumulována sluneční energie, která dopadala na povrch Země před desítkami milionů let. Pominemeli okrajové energetické zdroje, jakými jsou geotermální energie a energetické zdroje využívající slapové síly (příliv), je jaderná energie jediným významnějším energetickým zdrojem, který nesouvisí se sluneční energií. Principy využití jaderné energie jsou známy více než padesát let, ale zatím se podařilo úspěšně využít jen štěpení. Jakkoli je jaderná fúze krásná a elegantní, stále ještě odolává jako užitečný energetický zdroj. Nezdá se, že úspěchu bude dosaženo dříve než za padesát let, pokud se to vůbec kdy podaří. Jaderná energie pokrývá přibližně 6 % primární energetické potřeby naší civilizace a využívá se téměř výlučně k výrobě energie elektrické. Odhad energetické návratnosti jaderné elektrárny je obtížný, musí se započítat stavba jaderné elektrárny, těžba a výroba jaderného paliva, likvidace jaderných odpadů a likvidace vyřazených jaderných bloků. Stavba jaderné elektrárny trvá okolo deseti let a vyžaduje velké energetické investice do výstavby a do výroby složitých vysoce specializovaných zařízení. Výstavba jaderných elektráren i výroba jaderných paliv je závislá na energii z fosilních paliv.

Vodní energie: Tato čistá obnovitelná energie se dnes využívá téměř výhradně k výrobě energie elektrické. Poměrně velké energetické investice je nutné vložit na počátku do stavby přehrady, ale pak vodní dílo může spolehlivě fungovat po mnoho desítek i stovek let. Energetická návratnost je 10-40 (podle místa a velikosti). Bohužel téměř všechna vhodná místa pro stavbu vodních elektráren byla za posledních sto let využita.

Větrná energie: Lidstvo ji využívá již dlouhá tisíciletí v lodní dopravě či jako zdroj pro vykonávání mechanické práce (čerpání vody, mletí apod.). Za posledních dvacet let došlo k obrovskému rozvoji využití větrné energie pro výrobu energie elektrické. Energetická návratnost je závislá na lokalitě, a podle různých pramenů se pohybuje mezi 5-20. V některých případech může dosáhnout i úctyhodných 80. Přesto však se na celkové energetické bilanci větrná energie podílí jen málo. Vhodných míst k stavbě větrných farem není mnoho. Úlohu také hrají estetické aspekty. Některá místa vhodná pro stavbu větrných farem jsou příliš daleko od míst, kde je energie potřeba.

Sluneční energie (energie ze solárních článků): patří podobně jako energie vodní a větrná mezi obnovitelné zdroje a v posledním desetiletí zaznamenává velký rozvoj. Bohužel stejně jako energie větrná podléhá rozmarům počasí a střídání dne a noci. Ne všechna místa jsou pro využívání přímé sluneční energie vhodná. Většina solárních článků přeměňuje sluneční záření na elektrickou energii, která je buď využívána lokálně, nebo je - podobně jako větrné elektrárny - propojena do elektrické sítě. Na Zemi dopadá desettisíckrát více energie ve formě slunečního záření, než kolik jí dnes lidstvo spotřebovává. Technologie solárních článků je poměrně dobře propracovaná a na mnoha slibných aplikacích se pracuje. Základním materiálem pro výrobu solárních článků bude i v nejbližší budoucnosti křemík, který je jedním z nejrozšířenějších prvků na Zemi. Výroba křemíku vhodného pro solární aplikace je však velice energeticky a technologicky náročná.

tags: #tok #energie #ekosystem #co #to #je

Oblíbené příspěvky:

• Moravský kras: Kniha o jeskyních
• Rychlý průvodce environmentálním inženýrstvím
• Sběrné dvory pro nebezpečný odpad
• Drtiče odpadu v kontextu odpadového hospodářství
• Hygienické rizika letních táborů