Tiziano Terrani Liceo di Lugano 2 CH-6942 SAVOSA

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Flusso di energia negli ecosistemi e legge del 10% (materiali delle lezioni 2014) Tiziano Terrani Liceo di Lugano 2 CH-6942 SAVOSA LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

sparviere martora scoiattolo noce abete rosso faggio
energia usata per mantenere in funzione il corpo, per muoversi ecc. scoiattolo Attenzione pensiamo in termini di popolazioni e non di singoli individui energia usata per mantenere in funzione il corpo, per muoversi ecc. noce Energia chimica, sotto forma di materiali organici (carboidrati, grassi, proteine) abete rosso faggio LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

10% 1% 100% sparvieri e martore scoiattoli semi “legge” del 10%
energia contenuta nella materia organica (cibo) energia contenuta nella materia organica energia contenuta nella materia organica 10% 1% 100% sparvieri e martore scoiattoli ci sarebbe abbastanza energia per un altro ipotetico anello? semi “legge” del 10% LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Legge del 10% 10% 10% 100 unità (U) di energia portati dalla luce C1
Energia effettivamente assorbita dai vegetali ca. 0.1 U di energia contenuta nel cibo ca. 1 U di energia contenuta nel cibo 0.01 U di energia contenuta nel cibo C1 C2 C3 CONSUMATORI PRODUTTORI BIOMASSA di tutti i vegetali di un det. ecosistema BIOMASSA di tutti i consumatori (animali, …) di un det. ecosistema LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Come ci poniamo noi uomini in queste relazioni energetiche?
100 unità (U) di energia portati dalla luce Legge del 10% 10% 10% Energia effettivamente assorbita dai vegetali ca. 0.1 U di energia contenuta nel cibo ca. 1 U di energia contenuta nel cibo 0.01 U di energia contenuta nel cibo C1 C2 C3 Come ci poniamo noi uomini in queste relazioni energetiche? Una persona ha bisogno di kJ di energia (sotto forma di cibo) al giorno LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Ecosistemi: flusso energia
108 kJ/d = energia effettivamente assorbita quotidianamente dai vegetali, che giunge come luce che colpisce SC 106 kJ di energia/d contenuta nel cibo Supponiamo che nel corso di anni questa popolazione trasformi la sua dieta e si nutra prevalentemente di animali da allevamento! C1 popolazione di 100 persone che si nutre esclusivamente di vegetali che coltiva su una det. superficie di campi (= SC) SC Una persona ha bisogno (mediamente) di 10’000 kJ di energia al giorno LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

109 kJ/d = energia effettivamente assorbita quotidianamente dai vegetali, che giunge come luce che colpisce SC 107 kJ di energia/d contenuta nel cibo 106 kJ di energia/d contenuta nel cibo C1 C2 popolazione di 100 persone che si nutre prev. di animali che alleva. Una persona ha bisogno (mediamente) di 10’000 kJ di energia al giorno SC = x10! Conclusione: per garantirsi una quantità sufficiente di energia (cibo) le 100 persone devono avere a disposizione ca. 10 volte più superficie! LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

frumento 10’000 kJ/giorno.persona* Una determinata superficie di terreno coltivata a frumento fornisce mediamente kJ di energia al giorno ad una persona (che si nutre di frumento) * Fabbisogno energetico medio quotidiano di una persona (corrisponde a ca kcal LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

frumento ? 10’000 kJ/giorno.persona ? Erba e foraggio 10’000 kJ/giorno 10’000 kJ/giorno LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

calore movimento ? Erba e foraggio 1’000 kJ/giorno 10’000 kJ/giorno LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

calore movimento ? Erba e foraggio 1’000 kJ/giorno 10’000 kJ/giorno calore movimento Erba e foraggio 10’000 kJ/giorno 100’000 kJ/giorno LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Quanta energia riceviamo dal sole?
ca. 14’500 kJ di energia solare in 24 ore (valore medio: il valore effettivo dipende dalla latitudine!) 1 m2 LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Trasformazioni dell’energia luminosa incidente
radiazione solare che giunge al suolo luce riflessa ca. 99% 100% 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. energia termica (IR) fotosintesi ca. 1% dell’energia solare incidente viene trasformata in energia chimica di nuovi tessuti della pianta LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Produzione primaria netta
100% 1% LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Quanta energia riceverebbe una mucca?
la mucca ha a disposizione, sotto forma di erba, al massimo l’ 1% dell’energia solare incidente. max. 1% dell’energia solare LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

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 14’500 kJ max. 145 kJ 1 m2 LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

al massimo lo 0.1% dell’energia solare
viene trasformata in energia chimica di nuovi tessuti (soprattutto carne) della mucca LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

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 =) litri LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

ecosistema CONSUMATORI PRODUTTORI DECOMPOSITORI sostanze inorganiche
l’energia entra nell’ecosistema trasportata dalla luce ecosistema PRODUTTORI l’energia viene trasferita da un organismo all’altro come energia chimica trasportata dalle sostanze organiche sostanze inorganiche sostanze organiche CONSUMATORI DECOMPOSITORI l’energia abbandona l’ecosistema come energia termica (entropia) LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

ecosistema CONSUMATORI PRODUTTORI DECOMPOSITORI sostanze inorganiche
energia trasportata dalla luce energia chimica, trasferita attraverso le sostanze organiche ecosistema PRODUTTORI sostanze inorganiche sostanze organiche CONSUMATORI DECOMPOSITORI energia termica (entropia) emessa da tutti gli organismi viventi e dispersa nell’ambiente LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

ecosistema flusso di energia PRODUTTORI sostanze inorganiche sostanze organiche CONSUMATORI ciclo della materia DECOMPOSITORI LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso 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.). 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). 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. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

1° principio della termodinamica: l’energia si conserva (l’energia non si crea, né si distrugge). 2° principio della termodinamica: l’energia termica non può essere trasformata in altre forme di energia al 100% LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

luce 100% calore 100% catena del pascolo S.O. CO2 S.O. S.O. H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI catena del detrito DETRITIVORI e DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

“Serbatoio” (ideale) dei materiali di cui si nutrono i vegetali
Biomassa dei vegetali Biomassa dei consumatori di primo grado PRODUTTORI CONSUMATORI DETRITIVORI/DECOMPOSITORI CONSUMATORI “Serbatoio” (ideale) dei materiali di cui si nutrono i detritivori/decompositori Biomassa dei detritivori/decompositori LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI CONSUMATORI DETRITIVORI/DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O. CONSUMATORI S.O.M. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

sostanze organiche (ed energia chimica) contenute negli organismi che vengono mangiati S.O. CO2 S.O. S.O. H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI CONSUMATORI DETRITIVORI/DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O. CONSUMATORI S.O.M. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

S.O. CO2 sostanze organiche (ed energia chimica) contenute negli organismi morti, negli scarti ecc. S.O. S.O. H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI DETRITIVORI e DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. … che diventano cibo per i detritivori/decompositori LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

S.O. S.O. S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. CO2 H20 PRODUTTORI S.O. S.O.
SALI MINERALI DETRITIVORI e DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. sostanze inorganiche (sali minerali, …) LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI DETRITIVORI e DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

luce 100% calore 100% S.O. CO2 S.O. S.O. H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI DETRITIVORI e DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

luce 100% calore 100% catena del pascolo S.O. CO2 S.O. S.O. H20 PRODUTTORI S.O. SALI MINERALI catena del detrito DETRITIVORI e DECOMPOSITORI S.O. S.O. S.O. S.O.M. S.O. LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

cornacchia topo pianta di grano coccinella afide lumaca fungo ragno LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

Marasmius bulliardii LiLu2, TT 2014 Ecosistemi: flusso energia

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