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Lexikon der Geographie: Energie

Energie, ist die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten. Es gibt verschiedene Erscheinungsformen der Energie, die ineinander umgewandelt werden können, z.B. mechanische, elektrische und magnetische Energie, thermische Energie, chemische Energie, Kernenergie. Die SI-Einheit der Energie (und der Arbeit) ist das Joule (Einheitenzeichen J).
Energie bestimmt die Existenz von Ökosystemen und beeinflusst ihre strukturelle Differenzierung. Der weitaus bedeutendste Energielieferant ist die Sonne, deren durch Kernfusion erzeugte Strahlungsenergie mit einer Größe von 1025 kWh/d an den Weltraum abgegeben wird. Global betrachtet, verteilt sich die zu 85% kurzwellige Sonnenstrahlung in der in der Abbildung zusammengefassten Weise.
Die Energieumsetzungen in Ökosystemen lassen sich übersichtlich in der Wärmehaushaltsgleichung zusammenfassen:
Q=QB+QE+QH+Qad+QP+QPH.
Wobei Q den Wärmehaushaltssaldo angibt; wird er = 100 % gesetzt, entfallen auf die einzelnen Terme folgende Beträge:
QB=Bodenwärmestrom [W/m2]: 5-8%; QE=latente Wärmeenthalpie (Verdunstungsstrom) [W/m2]: häufig 70-80%; QH=fühlbarer Wärmestrom (für Erwärmung der Umwelt verantwortlich) [W/m2]: häufig bei 12%; Qad = Strom advektiver Energie (von Luftmasse und Windgeschwindigkeit abhängig) [W/m2]: 3-7%; QP=Pflanzenwärmestrom (Leitung von Wärme durch Pflanzenteile) [W/m2]: 1-2%; QPH=Photosyntheseenergie (je nach Witterung und Pflanzenstand) [W/m2]: 1-5%. Die angegebenen Werte gelten für Ökosysteme gemäßigter Breiten mit dichtem Bewuchs.
Die in der Gleichung zuletzt genannte Photosynthese ist der wichtigste biochemische Vorgang auf der Erde, der in der Absorption von Strahlungsenergie durch das Chlorophyll autotropher Bakterien und Pflanzen und der Assimilation von CO2 zum Aufbau von Kohlenhydraten besteht. Die solcherart gebildete Glucose kann in weiteren Reaktionen enzymatisch in höhermolekulare Verbindungen wie Cellulose, Proteine und Lipide umgewandelt werden; ein anderer Teil wird zur Deckung des eigenen Energiebedarfs von den Pflanzen wieder zu CO2 und H2O oxidiert. Auf diese pflanzliche Energie- und Stoffspeicherung folgt im biotischen Energiefluss die Atmung (Dissimilation), d.h. die Verbrennung von Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen durch tierische Organismen und heterotrophe Pflanzen. Die solcherart freigesetzte chemische Energie dient verschiedenen Formen der Arbeitsleistung dieser Lebewesen. Im Rahmen der enzymatisch gesteuerten Biosynthese werden kontinuierlich wichtige Komponenten der Zelle wie Proteine, Nucleinsäuren, Lipide und Polysaccharide aufgebaut, wobei es ebenso wie bei der autotrophen Biomassebildung zu einer Verringerung der Entropie kommt. Die zweite Art der Arbeit, die von Pflanzen und Tieren auf allen Ebenen von der Zelle bis zum Organismus zu leisten ist, dient dem aktiven Transport und der Anreicherung von Substanzen; sie ist daher ebenfalls negentropisch. Die dritte Form der Umwandlung chemischer Energie vollzieht sich bei mechanischer Arbeit, etwa der Entwicklung intrazellulärer Zugkräfte mithilfe kontraktiler Fasern.
Im Rahmen bioenergetischer Analysen der Struktur und Selbstorganisation von Ökosystemen kommt der Exergie- bzw. Emergiekomponente des Energiehaushaltes – zu denen auch die im Genotyp gespeicherte Information gehört – eine besondere Bedeutung zu. Je größer die Anzahl der Transformationsschritte zwischen verschiedenen Energieformen ist, umso höher ist die "Qualität" dieser Energie und die zu ihrer Erzeugung benötigte Sonnenstrahlung. Berechnet man den Energiebetrag einer Ebene, der einen bestimmten Fluss auf einer anderen Ebene erzeugt, so wird dieser als Emergie (inkorporierte Energie) bezeichnet. Ökosysteme organisieren sich in der Form, dass die Degradation ihrer Exergie, d.h. die Nutzung der maximalen Arbeit, die mit der gespeicherten Energie geleistet werden kann, optimiert wird. Dies bedeutet, dass die mit den jeweiligen Anpassungs-, Selektions- und Entwicklungsprozessen verknüpften thermodynamischen "Kosten" durch einen Anstieg der Exergiedegradation ausgeglichen werden müssen. Damit aber wird der jeweilige Maximierungsprozess durch die Standortpotenziale, die vorhandenen Arten und ihre typische Dynamik in systemspezifischer Weise bestimmt.

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Energie: Energie: Die Komponenten des irdischen Energiehaushaltes.

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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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