3.2. Розподіл енергії в біосфері

В процесі відношень між організмами одного чи різних видів, боротьби за існування відбувається передача енергії в різних її формах (продуценти --> консументам, жертва — > хижакам тощо).

На відміну від кругообігу хімічних елементів чи сполук, під час функціонування екосистем енергетичні процеси протікають лише в певному напрямку, передаючи з одного трофічного рівня на інший близько 10% енергії (правило Р. Ліндемана), оскільки зворотний потік енергії незначний і становить не більше 0,5%. Живі організми отримують енергію з двох джерел: сонячного і теплового випромінювання від оточуючих об'єктів (хмар, води, грунту, рослинного покриву тощо). Ці обидва джерела забезпечують загальний енергетичний стан оточуючого середовища, тому впливають на функціонування організмів (темпе­ратуру, рух і випаровування води, необхідність і швидкість їх пере­сування, зігрівання та інші процеси).

Потік теплової енергії може значно перевищувати або бути меншим за сонячне випромінювання, що залежить від місцеположення об'єкта у просторі земної поверхні, часових характеристик (добових, сезонних), локальної специфіки оточуючого середовища (альбедо наземного покриву, грунту, хмарності тощо). Сезонна специфіка може бути проілюстрована, наприклад, тим, що взимку в безхмарні дні температурні показники нижчі, ніж в хмарні, а влітку навпаки, оскільки теплове випромінювання діє цілодобово з різних джерел.

Сонячне випромінювання надходить лише вдень, тому різниця цих двох потоків суттєво змінюється протягом доби і відіграє велику роль, особливо у процесах фотосинтезу. Характер оточення впливає таким чином, що на відкритих місцях Арктики і пустель енергетичні, температурні показники більше коливаються (особливо денні і нічні), ніж під наметом тропічного лісу чи на дні глибоких водойм, де вони є практично постійними.

Якщо теплове випромінювання впливає на температуру, рух і випаровування води, швидкість пересування і таке інше організмів, тобто на їх кінетичну енергію, то сонячне випромінювання забезпечує фотосинтез, подальше перенесення і запасання енергії у поживних речовинах, у вигляді потенційних форм. Потенційна форма енергії може перетворитися на кінетичну, тобто сонячне випромінювання сприяє названим вище динамічним процесам, проте кінетична форма в потенційну переходити не може.

Із космосу до оболонки біосфери доходить 2 калсм²хв (сонячна постійна), але значна її частина (близько 30%) втрачається в атмосфері і до поверхні Землі в середині сонячного дня доходить не більше 67%. Різні об'єкти по-різному відбивають енергію, що залежить від їх альбедо. Якщо різниця між сонячним випромінюванням та відбиттям для конти­нентів становить 0,6 млн.ккалм²за рік, то для океанів — 1 млн.ккал.м²фік

Хмарність, водний та рослинний бар'єри суттєво змінюють як за­гальний енергетичний баланс, так і розподіл енергії в залежності від ділянки спектра .

Ці показники, крім того, залежать від положення по відношенню до полюсів та екватора, а також до впливу океанічних течій. В межах України сонячне випромінювання (сумарна сонячна радіація) на одиницю площі коливається від 95-97 ккал/см² у північних районах до 125-127 ккал/см² на західному узбережжі Криму, а радіаційний баланс, який визначається за відношенням відбитої радіації до сумарної, становить 42 ккал/см² на крайньому північному сході і заході України і 63 ккал/см² на західному узбережжі Кримського півострова.

Живі організми відповідно реагують на ці показники як характером морфологічної будови (арктичні і альпійські низькі або подушковидні трави, тропічні ліси з переважанням вічнозелених дерев з незахищеними бруньками, зміна листопаду залежно від пори року, низьких температур, сукулентність тощо), так і циклом розвитку, що знайшло відображення у 38 формуванні таких груп, як рослини короткого (тропічні види) та довгого (арктичні) дня.

Енергія, яка проникає в біосферу, розподіляється по-різному: 30%, як вказувалось вище, відбивається в космічний простір, 46% переходить в теплову, 23% забирають водні потоки (випаровування, опади), 0,2% — потоки повітря (вітер, хвилі, течії) і лише 0,8% витрачається на фотосинтез. Чим менше енергії відбивається, тим більше підвищується температура біосфери, що забезпечує енергетичну рівновагу Землі.

У помірній зоні до автотрофного блоку за добу надходить в середньому 300-400 калсм², або 1,1-1,5 млн. ккалм² на рік. 10% цієї енергії припадає на ультрафіолетове випромінювання, 45% — це видиме світло і 45% — інфрачервоне. Видиме світло найменше послаблюється при проходженні через хмари та воду, тому фотосинтез відбувається і в хмарні дні, і під водою. Із видимого спектра найкраще поглинаються хлорофілом червоні та фіолетові промені, а водою, яка знаходиться в листках, — далекі інфрачервоні промені.

Оскільки останні не насичені тепловою енергією, то її поглинання не спричинює теплового перегріву (рис. 3.1, Б).

Залежно від характеру рельєфу енергетичні показники значно змінюються: на південних схилах вони вищі, а на північних нижчі, що корінним чином впливає на розподіл організмів. Закономірності такого розподілу сформулював Альохін у правилі випередження, згідно з яким на південних схилах формуються угруповання, характерні для півден­ніших зон, а на північних - для північніших.

Показники енергії залежать від багатьох локальних факторів, що обумовлюють будову та закономірність розподілу організмів, їх структурованість у популяціях, цикли розвитку і всі процеси функціо­нування.

Для оцінки енергії використовують різні одиниці, які розглянуто в наступних розділах, а також інших літературних джерелах. Для зіставлення цих одиниць наводимо коефіцієнти перерахунку (табл. 3.1):