LA CASA E LA TERRA Corso di geopedologia

Flussi di energia. Cicli di materia

Flussi di energia. Cicli di materia Tra biosfera e geosfera avvengono continui scambi di materia e di energia, che comportano quasi sempre trasformazioni. Molte trasformazioni sono lente e si verificano senza improvvisi cambiamenti; altre sono rapide e si verificano con cambiamenti improvvisi. 3

Flussi di energia. Cicli di materia In natura le trasformazioni si susseguono secondo un ordine. Le sequenze di trasformazioni possono essere chiuse (alla fine ritornano al punto di partenza: cicli), oppure aperte (portano a un risultato diverso dalla partenza: flussi). I cicli di trasformazione sono caratteristici dei sistemi chiusi, mentre i flussi di trasformazione sono caratteristici dei sistemi aperti. 4

Flussi di energia. Cicli di materia L’energia è la capacità di compiere un lavoro. Il lavoro è il prodotto di una forza per uno spostamento. La forza necessaria per produrre il lavoro viene da una fonte di energia. L’unità di misura dell’energia è il Joule (J): la stessa unità di misura è utilizzata per il lavoro, che richiede sempre energia per essere eseguito. Le forme di energia sono i diversi modi in cui l’energia si manifesta (energia chimica; energia elettrica; energia termica ecc.); le fonti di energia sono i “serbatoi” che contengono energia e sono in grado di liberarla. 5

Flussi di energia. Cicli di materia Le macchine sono strumenti in grado di trasformare l’energia da una forma all’altra, producendo lavoro utile. Il rapporto tra lavoro utile prodotto ed energia consumata è detto rendimento della macchina (difficilmente supera il 30%). In ogni attività avviene sempre dispersione di parte dell’energia sotto forma di calore. L’energia si accumula, si trasforma, ma non può essere creata o distrutta: “la quantità totale di energia, durante le trasformazioni, non cambia” (principio di conservazione dell’energia). 6

Flussi di energia. Cicli di materia Le fonti primarie di energia sono quelle che si possono trovare direttamente in natura; le fonti secondarie sono quelle ricavate dalle fonti primarie mediante processi di trasformazione e/o di conversione. Le fonti primarie sono suddivise in: fonti rinnovabili (energia solare, eolica ecc.) e fonti non rinnovabili (uranio, petrolio ecc.). Le risorse sono la quantità totale di fonti non rinnovabili esistenti in natura; le riserve sono la parte di risorse economicamente sfruttabili (per stima approssimativa). 7

Flussi di energia. Cicli di materia Le forme e le fonti di energia possono essere classificate secondo le loro caratteristiche tecniche ed economiche: accessibilità; conservabilità; trasportabilità; convertibilità. Le fonti di energia non rinnovabile vengono anche chiamate “combustibili”, poiché l’energia in esse contenuta si libera per mezzo della combustione: una sostanza (“combustibile”), grazie all’azione di una seconda sostanza (“comburente”), brucia liberando energia sotto forma di calore. Il comburente più comune è l’ossigeno presente nell’aria. I combustibili fossili sono carbone, petrolio e gas naturale. 8

Flussi di energia. Cicli di materia L’uranio è l’unica fonte di energia non rinnovabile di origine terrestre (cioè che non deriva dall’energia solare); l’energia contenuta nel nucleo degli atomi di uranio si libera durante le reazioni nucleari (secondo l’equazione di Einstein E = mc2). La fissione è la reazione che produce energia spezzando nuclei di atomi molto grandi; la fusione è la reazione che produce energia fondendo nuclei di atomi leggeri. 9

Flussi di energia. Cicli di materia Le fonti di energia rinnovabile si rigenerano, o non sono “esauribili” nella scala dei tempi “umani”: energia solare (sfruttata dall’uomo per mezzo di collettori solari, o “pannelli solari”, e di impianti fotovoltaici); energia geotermica; acqua (sfruttata nelle centrali idroelettriche); onde del mare e maree (sfruttate nelle centrali mareomotrici); vento (sfruttato nelle centrali eoliche). I rifiuti organici sono in grado di fornire energia, mediante un trattamento in impianti di “digestione anaerobica”: si produce così un gas combustibile, detto “biogas”. 10

Flussi di energia. Cicli di materia Secondo il sistema adottato per procurarsi l’energia di cui hanno bisogno, gli organismi viventi si dividono in autotrofi, cioè capaci di produrre il proprio nutrimento attraverso il processo della fotosintesi (piante e alcuni batteri), ed eterotrofi, cioè capaci di reperire il proprio nutrimento nella materia organica vegetale (consumatori primari) o animale (consumatori secondari). I membri di un ecosistema che si nutrono di materia organica di scarto sono detti decompositori. 11

Flussi di energia. Cicli di materia La rete alimentare è l’insieme dei livelli trofici: produttori primari (piante verdi) = primo livello; erbivori (consumatori di piante verdi) = secondo livello; carnivori (predatori di erbivori) = terzo livello; onnivori (consumatori di piante e di animali) = secondo e terzo livello; carnivori secondari (predatori di altri predatori) = quarto livello. Una piramide ecologica rappresenta graficamente i diversi aspetti di un livello trofico: numero degli individui; quantità complessiva di biomassa; energia posseduta. 12

Flussi di energia. Cicli di materia Circa il 10% dell’energia assimilata dagli esseri viventi per sopravvivere si accumula nel corpo e si conserva sotto forma di amido o di grasso: questi composti organici forniscono energia agli organismi del livello trofico successivo attraverso la nutrizione. I più importanti elementi chimici compiono, all’interno di un ecosistema, cicli di trasformazione specifici (“cicli biogeochimici”). Le trasformazioni avvengono in parte negli esseri viventi, in parte nel terreno. Esemplari sono il ciclo del carbonio e il ciclo dell’azoto. 13