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LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia 1

Flusso di energia negli ecosistemi e legge del 10%(materiali delle lezioni 2014)

Tiziano TerraniLiceo di Lugano 2CH-6942 SAVOSA


Energia chimica, sotto forma di materiali organici

(carboidrati, grassi, proteine)

Attenzionepensiamo in termini di popolazioni

e non di singoli individui

sparviere

scoiattolo

martora

noce

faggio

abete rosso

energia usata per mantenere in funzione il corpo,

per muoversi ecc.

energia usata per mantenere in funzione il corpo,

per muoversi ecc.


semiscoiattoli

sparvieri e martore

100% 10%

energia contenuta nella materia organica (cibo) energia contenuta

nella materia organica

1%

energia contenuta nella materia

organica

ci sarebbe abbastanza energia per un altro

ipotetico anello?

“legge” del 10%


PRODUTTORI CONSUMATORI

Energia effettivamente assorbita dai vegetali

100 unità (U) di energia portati dalla luce

ca. 1 U di energia contenuta nel cibo

ca. 0.1 U di energia contenuta nel cibo

0.01 U di energia contenuta nel cibo

10% 10%

BIOMASSA di tutti i vegetali di un det. ecosistema

BIOMASSA di tutti i consumatori (animali, …) di un det. ecosistema

Legge del 10%

C1 C2 C3


Energia effettivamente assorbita dai vegetali

100 unità (U) di energia portati dalla luce

ca. 1 U di energia contenuta nel cibo

ca. 0.1 U di energia contenuta nel cibo

0.01 U di energia contenuta nel cibo

10% 10%

Legge del 10%

C1 C2 C3

Una persona ha bisogno di 10000 kJ di energia (sotto forma di cibo) al giorno

Come ci poniamo noi uomini in queste relazioni energetiche?


108 kJ/d

106 kJ di energia/d contenuta nel cibo

C1

Una persona ha bisogno (mediamente) di 10’000 kJ di energia al giorno

popolazione di 100 persone che si nutre esclusivamente di vegetali che coltiva su una det. superficie di campi (= SC)

SC

Supponiamo che nel corso di anni questa popolazione trasformi la sua dieta e si nutra prevalentemente di animali da allevamento!

= energia effettivamente assorbita quotidianamente dai vegetali, che giunge come luce che colpisce SC



C2

Una persona ha bisogno (mediamente) di 10’000 kJ di energia al giorno

popolazione di 100 persone che si nutre prev. di animali che alleva.

SC = x10!

C1


109 kJ/d = energia effettivamente assorbita quotidianamente dai vegetali, che giunge come luce che colpisce SC

Conclusione: per garantirsi una quantità sufficiente di energia (cibo) le 100 persone devono avere a disposizione ca. 10 volte più superficie!


frumento

Una determinata superficie di terreno coltivata a frumento fornisce mediamente 10000 kJ di energia al giorno ad una persona (che si nutre di frumento)

10’000 kJ/giorno.persona*

* Fabbisogno energetico medio quotidiano di una persona (corrisponde a ca. 2500 kcal


10’000 kJ/giorno.personafrumento ?

Erba e foraggio

10’000 kJ/giorno 10’000 kJ/giorno

?


Erba e foraggio

10’000 kJ/giorno1’000 kJ/giorno

?

caloremovimento


Erba e foraggio

10’000 kJ/giorno1’000 kJ/giorno

?

caloremovimento

Erba e foraggio

100’000 kJ/giorno

caloremovimento

10’000 kJ/giorno


1 m2

ca. 14’500 kJ di energia solare in 24 ore (valore medio: il valore effettivo dipende dalla latitudine!)

Quanta energia riceviamo dal sole?


Trasformazioni dell’energia luminosa incidente

ca. 1% dell’energia solare incidenteviene trasformata in energia chimica

di nuovi tessuti della pianta

100%

luce riflessa

energia termica (IR)fotosintesi

ca. 99%

Le foglie e le altre superfici delle piante

• riflettono tra il 25 e il 75% dell’energia incidente.

• assorbono la rimanente quota di energia, la quale a sua volta

• per la maggior parte si converte in calore (e viene dissipato o per irraggiamento o per conduzione o per mezzo dell’ evaporazione dell’acqua presente nella pianta stessa)

• viene trasformata in energia chimica (carboidrati) nel processo della fotosintesi. La parte di energia chimica che la pianta immagazzina sotto forma di nuovi tessuti (crescita e riproduzione) rappresenta al massimo l’1% dell’energia incidente.

radiazione solare che giunge al suolo


Produzione primaria netta

100%

1%


Quanta energia riceverebbe una mucca?

max. 1% dell’energia solare

la mucca ha a disposizione, sotto forma di erba, al massimo l’ 1% dell’energia solare incidente.


La quantità media di energia che una mucca può immagazzinare sotto forma di nuovi tessuti (carne) da 1 m2 di erba in un giorno

14.5 kJ di nuova biomassa

max. 145 kJ

1 m2

14’500 kJ


al massimo lo 0.1% dell’energia solare viene trasformata in energia chimica

di nuovi tessuti (soprattutto carne) della mucca


Joule e calorie

La caloria, cal (unità di misura non più in vigore!),

è definita come la quantità di energia (calore) necessaria per innalzare la temperatura di un grammo di acqua da 14.5 a 15.5 °C.

Il Joule, J, è l’unità di misura dell’energia del Sistema Internazionale (SI)

1 cal = 4.18 J

1 kcal = 4.18 kJ

Per portare la temperatura di 1 kg di acqua da 15 a 100°C occorrono:

(4.18 kJ . 85 =) 355 kJ

L’energia che introduciamo quotidianamente nel corpo corrisponde a quella necessaria per riscaldare oltre 30 l di acqua da 15 a 100°C.

(10’000 kJ : 355 kJ . l-1 =) 28.16 litri


sostanze inorganiche

sostanze organiche

l’energia viene trasferita da un organismo all’altro come energia chimica

trasportata dalle sostanze organiche

l’energia entra nell’ecosistema

trasportata dalla luce

ecosistema

l’energia abbandona l’ecosistema come energia

termica (entropia)



sostanze organiche

energia chimica, trasferita

attraverso le sostanze organiche

energia trasportata dalla

luce

energia termica (entropia) emessa da tutti gli organismi

viventi e dispersa nell’ambiente

ecosistema



sostanze organicheciclo della materia

ecosistema flusso

di energia


alcune precisazioni

Gli organismi viventi sono capaci di utilizzare energia trasportata dalle sostanze organiche (in esse immagazzinata come energia chimica). Analogia: benzina dell’automobile.

Per contro gli organismi viventi non sono in grado (di regola) di utilizzare energia contenuta nelle sostanze inorganiche (come l’acqua, i sali minerali, il biossido di carbonio ecc.).

Per tutti gli organismi viventi l’energia termica non costituisce una fonte di energia utilizzabile; essa può unicamente servire per innalzare (o mantenere costante ) la temperatura corporea.

Tutti gli organismi viventi sviluppano energia termica dal loro corpo (come conseguenza delle trasformazioni chimiche che avvengono nelle cellule); questa forma di energia viene dissipata (persa) nell’ambiente (entropia).


2° principio della termodinamica: l’energia termica non può essere trasformata in altre forme di energia al 100%

1° principio della termodinamica: l’energia si conserva (l’energia non si crea, né si distrugge).


PRODUTTORI

DETRITIVORI e

DECOMPOSITORI

CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.S.O.M.

luce

calore100%

100%

catena del pascolo

catena del detrito


Biomassa dei vegetali

PRODUTTORI

CONSUMATORI

Biomassa dei consumatori di primo grado

“Serbatoio” (ideale) dei materiali di cui si nutrono

i vegetali

CONSUMATORI

DETRITIVORI/DECOMPOSITORI

“Serbatoio” (ideale) dei materiali di cui si nutrono i detritivori/decompositori

Biomassa dei detritivori/decompositori


PRODUTTORI

CONSUMATORI

CONSUMATORI


CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.

S.O.M.


PRODUTTORI

CONSUMATORI

CONSUMATORI


CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.

S.O.M.

sostanze organiche (ed energia chimica) contenute negli

organismi che vengono mangiati


PRODUTTORI

DETRITIVORI e

DECOMPOSITORI

CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.S.O.M.

sostanze organiche (ed energia chimica) contenute negli

organismi morti, negli scarti ecc.

… che diventano cibo per i detritivori/decompositori


PRODUTTORI

DETRITIVORI e

DECOMPOSITORI

CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.S.O.M.

sostanze inorganiche (sali minerali, …)


PRODUTTORI

DETRITIVORI e

DECOMPOSITORI

CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.S.O.M.

CO2


PRODUTTORI

DETRITIVORI e

DECOMPOSITORI

CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.S.O.M.

luce

calore100%

100%


PRODUTTORI

DETRITIVORI e

DECOMPOSITORI

CO2

H20

SALI MINERALI

S.O.S.O. S.O. S.O.

S.O. S.O.S.O.

S.O.S.O.M.

luce

calore100%

100%

catena del pascolo

catena del detrito


cornacchia

topo

pianta di grano

coccinella

afide

lumacafungo

ragno


Marasmius bulliardii

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