Dinámica Energética en Ecosistemas: Flujo, Transformación y el Papel del Sol

Tipos y Manifestaciones de la Energía

La energía se manifiesta en diversas formas en la naturaleza:

1. Química: Se encuentra almacenada en compuestos químicos. Ejemplo: la clorofila.
2. Eléctrica: Representada por el flujo de energía a lo largo de un conductor. Ejemplo: la red eléctrica de una casa.
3. Mecánica: Se utiliza para mover materia, es decir, aquella que permite mover un automóvil o un músculo.
4. Radiante: Es aquella que viaja en ondas y se transmite a través del espacio. Ejemplo: la luz visible, el calor.
5. Nuclear: Es la energía que se produce durante la fusión o fisión de núcleos de un elemento atómico. Ejemplo: fisión del átomo de Uranio en la bomba atómica.

El Flujo de Energía en la Naturaleza

Se denomina flujo de energía al paso de una forma de energía a otra. La energía fluye a través de la cadena alimentaria solo en una dirección: va siempre desde el Sol, a través de los productores, hasta los descomponedores. La energía entra en el ecosistema en forma de energía luminosa y sale en forma de energía calorífica que ya no puede reutilizarse para mantener otro ecosistema en funcionamiento.

1. Flujo de Energía a Través de la Biósfera

Las dos primeras Leyes de la Termodinámica son aplicables a los sistemas naturales y explican el funcionamiento de los ecosistemas y el flujo de energía. En este sentido, el paso de la energía de un nivel a otro se denomina flujo de energía. Cuando este flujo se realiza a través de la cadena trófica, se denomina flujo de energía a través de la biósfera.

Según el esquema, el flujo de energía en una cadena trófica se realiza disipando gran parte de energía no útil para los fines de la cadena trófica; sin embargo, la energía libre en la biósfera se mantiene constante.

2. Modelos de Flujo de Energía

En la actualidad, se propone que el flujo de energía en el ambiente se realiza según el Modelo General de Sistemas, sintetizado en tres instancias:

Componentes del Modelo General de Sistemas

• Fase de Entrada (FE): Está representada por los insumos o la fuente de energía.
• Fase o Proceso (FP): Es un conjunto de procesos de transformación de la energía dentro del organismo identificado.
• Fase de Salida (FS): Está representada por los productos de esos procesos.

Por lo tanto, al ecosistema lo podemos definir termodinámicamente como:

Flujo Energético = FE + FP + FS

El ecosistema tiene límites que pueden ser arbitrarios y delimitan un área, como por ejemplo: bosque, playa, etc.

Dinámica Energética: Un Ejemplo

Para comprender con más claridad la dinámica energética, consideramos lo siguiente:

La fuente primaria de energía (E) es el Sol, el cual contribuye con el flujo de energía radiante (F₁), que ingresa al sistema (S). Donde P₁ representa los organismos fotosintetizadores, por ejemplo: el fitoplancton, el cual transforma F₁ en energía química mediante la fotosíntesis.

El fitoplancton es el alimento de peces pequeños como la anchoveta (Engraulis ringens), representada como (P₂). Entre P₁ y P₂, existe un flujo de energía química, F₂. Entre ambos puede ocurrir una interacción (I) que influye en el aumento de uno u otro en función de un cambio climático (como el fenómeno El Niño). F₃ y F₄ son vías de flujo de energía procedentes de P₁ y P₂, respectivamente, que transfiere energía, por ejemplo, a un carnívoro como el lobo marino (Otaria byronia), representado como P₃. Otros organismos a su vez producen un flujo de energía que sale del sistema. Parte de la energía es absorbida por los descomponedores (D) quienes fijan a los fotosintetizadores una mínima cantidad de energía.

3. Flujo de Energía a Nivel Celular

La relación está dada en cuanto las Leyes de la Termodinámica ayudan a explicar perfectamente el funcionamiento de la naturaleza. Así, tenemos que la energía luminosa del Sol ingresa a la biósfera y se transforma en otros tipos de energía, además de que no toda esta energía es transformada en energía no útil.

La Segunda Ley de la Termodinámica se resume en la siguiente fórmula:

ΔG = ΔH - TΔS

Fotosíntesis y Captación de Energía Solar

Síntesis de Materia Orgánica

La fotosíntesis constituye el proceso básico de la productividad biológica. A través de este proceso, el carbono atmosférico (CO₂) es asimilado y transformado en materia orgánica. Los organismos capaces de reducir el carbono atmosférico son llamados autótrofos. Los organismos autótrofos se dividen en dos categorías: fotoautótrofos y quimioautótrofos.

Dentro de los fotoautótrofos, los vegetales son los más importantes, pero también se incluyen en esta categoría las algas, las cianobacterias o algas verde-azules, y las bacterias fotosintéticas. Los quimioautótrofos son bacterias que emplean la energía liberada en la oxidación de los compuestos minerales para reducir el CO₂.

Captación de la Energía Solar

Ya conocemos que la fotosíntesis se realiza a partir de las siguientes sustancias: CO₂ y H₂O en presencia de la energía radiante del Sol y la clorofila. El proceso fotosintético se representa en la siguiente fórmula:

Luz solar

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

(Dióxido de carbono + Agua) → (Glucosa + Oxígeno)

Es, sin lugar a dudas, la energía de la luz solar la que permite la activación de la reacción fotosintética.

La Fotosíntesis es un Proceso Dependiente de la Luz

Asimismo, la energía emitida por el Sol se disipa en la biósfera y en las proyecciones siguientes:

El Sol como Fuente Primaria de Energía

Características y Estructura Solar

El Sol es la estrella que, por el efecto gravitacional de su masa, domina el sistema planetario que incluye a la Tierra. Mediante la radiación electromagnética de su energía, afecta directa o indirectamente toda la energía que mantiene la vida en la Tierra, ya que todo el alimento y el combustible proceden en última instancia de las plantas, que utilizan la energía de la luz del Sol.

A causa de su proximidad a la Tierra y como es una estrella típica, el Sol es un recurso extraordinario para el estudio de los fenómenos estelares. No se ha estudiado ninguna otra estrella con tanto detalle. La estrella más cercana al Sol está a 4.3 años luz (4 × 10¹³ km); para observar los rasgos de su superficie comparables a los que se pueden ver de forma habitual en el Sol, se necesitaría un telescopio de casi 30 km de diámetro. Además, un telescopio así tendría que ser colocado en el espacio para evitar distorsiones causadas por la atmósfera de la Tierra.

Composición y Estructura

La cantidad total de energía emitida por el Sol en forma de radiación es bastante constante, y no varía más que unas pocas décimas de un 1% en varios días. Esta energía se genera en las profundidades del Sol. Al igual que la mayoría de las estrellas, el Sol se compone sobre todo de hidrógeno (71%); también contiene helio (27%) y otros elementos más pesados (2%).

Cerca del centro del Sol, la temperatura es de casi 16,000,000 K y la densidad es 150 veces la del agua. Bajo estas condiciones, los núcleos de los átomos de hidrógeno individuales interactúan entre sí, experimentando la fusión nuclear.

El resultado neto de estos procesos es que cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para formar un núcleo de helio, y la energía surge en forma de radiaciones gamma. Una enorme cantidad de núcleos reacciona cada segundo, generando una energía equivalente a la que se produciría por la explosión de 100,000 millones de bombas de hidrógeno de 1 megatón por segundo. La combustión nuclear del hidrógeno en el centro del Sol se extiende a un 25% del radio solar.

Energía Solar y la Atmósfera Terrestre

La vida en la Tierra depende de la energía del Sol, que es también responsable del viento y del conjunto de condiciones meteorológicas. Cada día, año tras año, la energía del Sol llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. Sin embargo, a causa de la atmósfera, solo una pequeña fracción de esta energía alcanza la superficie terrestre y queda a disposición de los organismos vivos.

La atmósfera que se encuentra sobre la superficie terrestre y a través de la cual ingresa la energía solar consiste en cuatro capas concéntricas que se distinguen por sus diferentes temperaturas. Las cuatro divisiones principales de la atmósfera son la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la termosfera. Los límites entre ellas están determinados por cambios abruptos en la temperatura media. La capa de ozono, de tanta importancia, se encuentra localizada principalmente en la estratosfera.

Disipación de la Energía Solar Entrante

De la energía solar entrante, aproximadamente el 30% es reflejado hacia el espacio por las nubes y el polvo de la troposfera próximos a la superficie terrestre. Otro 20% de la energía es absorbido por la atmósfera. De este, el 17% es capturado en las capas inferiores, principalmente por el vapor de agua, el polvo y las gotitas de agua en suspensión. Esta absorción de la radiación calienta ligeramente la atmósfera, aunque gran parte de la energía se acumula como calor latente en el ozono en la estratosfera y en la mesosfera.

Este porcentaje, aunque pequeño, es de importancia crítica porque representa a la mayor parte de la radiación ultravioleta. Las radiaciones ultravioletas y otras radiaciones de alta energía dañan a las moléculas orgánicas y, si alcanzaran la superficie terrestre en grandes cantidades, serían letales para la mayoría de las formas de vida terrestre.

Distribución de la Energía en la Superficie

La cantidad de energía que reciben las distintas partes de la superficie terrestre no es uniforme. Este es el factor fundamental que determina la distribución de la vida en la Tierra. En las cercanías del ecuador, los rayos del Sol son casi perpendiculares a la superficie terrestre y este sector recibe más energía por unidad de superficie que las regiones al norte y al sur, mientras que las regiones polares reciben el mínimo.

Además, dado que la Tierra, que está inclinada sobre su eje, rota una vez cada 24 horas y completa una órbita alrededor del Sol más o menos cada 365 días, el ángulo de incidencia de la radiación y, por lo tanto, la cantidad de energía que alcanza a diferentes partes de la superficie, cambia hora tras hora y estación tras estación.

Importancia del Sol para la Tierra

El Sol es vital para generar y regenerar la vida. Uno de los ejemplos más grandes es durante la fotosíntesis de las plantas, donde el Sol actúa como un dador de energía para que este proceso pueda llevarse a cabo; e igualmente, muchos otros procesos del medioambiente.

Otro de los efectos de nuestro Sol es que también conserva el calor de nuestra superficie, ayudando a que tengamos la temperatura correcta y templada; es decir, evitando llegar a los extremos del frío y calor.

Pero no solo la temperatura es de gran importancia, sino que gran parte de la estructura de nuestra sociedad, como en la ganadería, agricultura o similares, está conformada por las precipitaciones y vientos que continúan una cadena de recursos que al final se convierten en la base de nuestra sociedad.

Con el ciclo del agua ocurre algo similar, pues es como una cadena en la que el agua necesita del calor para evaporarse, condensarse y continuar con el ciclo. La continuación es rellenar los mantos acuíferos de nuestro suelo y obtener el agua que a diario bebemos y usamos. En las estaciones del año, es también una cadena donde el Sol es más o menos intenso, dependiendo de la estación en que nos encontremos. Aunque actualmente, con el calentamiento global, el cambio de clima incluso ha obligado a algunos científicos a decir que las estaciones ya no existen (tan remarcadas como antes).

Con los eclipses ocurre algo diferente, ya que un eclipse no es vitalmente necesario, sin embargo, al ocultarse con el Sol o la Luna, causan efectos en nuestro planeta, además de su belleza.

Gracias al Sol, también existen las mareas en los océanos, las cuales originan todo el movimiento oceánico y nos benefician, entre otras cosas, con las pescas.

Y algo actualmente muy importante como tema central de nuestros días, son las fuerzas del Sol en la creación de energía pura y no contaminante para darle poder a aquellos aparatos que usamos diariamente. Este tipo de energía es muy limpio y produce menos desperdicio de lo normal. Un gran ejemplo son las celdas solares.