Modellierung terrestrischer Ökosysteme

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Inge Hummel
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1 Moellierung terrestrischer Ökosysteme Lektion 1: Einführung, Globale Probleme Potsam Institut für Klimafolgenforschung

2 Eigenschaften von Ökosystemen Die Ökologie untersucht... Wechselwirkungen un Wechselbeziehungen von Leben un Umwelt auf überorganischer Stufe. (Giljarow, 1975; Stugren, 1978) Lebene Systeme sin niemals im Gleichgewicht un leisten auf Kosten ihrer freien Energie stänig Arbeit gegen as sich bei äußeren Beingungen einstellene Gleichgewicht. (Bauer, 1935) Der Zugang zu freier Energie ist für jees Lebewesen... ie zentrale Existenzfrage; er Kampf ums Überleben ist in erster Linie ein Kampf um freie Energie. (Szilar, 1929; Ebeling & Feistel 1982)

3 Exakte Naturwissenschaft un Ökosystemforschung (1) Ökosysteme setzen in ihrer Dynamik keine physikalischen bzw. chemischen Gesetze außer Kraft. (2) Auf Grun er Komplexität un hochgraigen Nichtlinearität er meisten Prozesse in lebenen Organismen, Ökosystemen, er Biosphäre usw. entziehen sich iese Systeme i..r. einer geschlossenen physikalischen bzw. chemischen Beschreibung. Oer: Biologie ist nicht auf Chemie un Physik, Ökologie ist nicht auf Biochemie un Biologie reuzierbar. (3) Unter gewissen Voraussetzungen sin vom Stanpunkt er Physik, Chemie un Biochemie jeoch Analysen bestimmter wesentlicher Prozesse un Verhaltensweisen auf theoretischer bzw. auf moellgestützter Basis möglich.

4 Thermoynamische Fragen Ein Ökosystem möge einer zu efinierenen Energie- un Entropiebilanz genügen, i.e. erster un zweiter HS er Thermoynamik seien gültig: U = T S V p + N J µ J + µ J K K n K mit U S V p T m * J m K N J n K innere Energie Entropie Volumen Druck Temperatur chemische Potentiale er Arten chemische Potentiale er Substrate Iniviuenzahl er Art J Teilchenzahl/Konzentration es Substrates K

5 Wir ie freie Energie als F = U - TS efiniert, so gilt für isotherme Prozesse F = U S T. Alle Änerungen er thermoynamischen Potentiale zerlegt man in interne Beiträge (Inex i) un externe Austauschanteile (Inex e). U iu eu F if ef S is es = + ; = + ; = +. Dann lautet er erste Hauptsatz (Energieerhalt): iu = 0 bzw. für isotherme Systeme (T = const) if T S i =.

6 Der zweite Hauptsatz (Entropieprouktion) lautet is P = 0 bzw. bei Irreversibilität i S P = > 0 oer Lebene Organismen prouzieren immer Entropie. Für einen Organismus, Ökosystem usw. ist ie Zunahme er Entropie im Innern immer mit Nachteilen (Degraation, Erschöpfung, Krankheiten usw.) verbunen. Ein kurzer philosophischer Exkurs: Den extremen Nachteil für einen Organismus stellt er iniviuelle To ar. Der extreme Nachteil für ein Ökosystem ist wahrscheinlich er Systemzusammenbruch, i.e. er Funktionsverlust es Systems. In jeem Fall ist er To aller lebenen Iniviuen bzw. eren vollstänige Extinktion aus em System innerhalb eines Ökosystem er trivale Fall eines extremen Nachteils, a er en vollstänigen Funktionsverlust es Systems arstellt.

7 Zur Vermeiung von thermoynamischen Nachteilen sin lebene Systeme zwingen auf en Export er erzeugten Entropie angewiesen: es is > 0 oer er Entropieexport eines lebenen Systems arf in nichtegenerativen Phasen (also in guten Phasen ) niemals geringer sein als ie interne Entropieprouktion. Eine notwenige (un unter isotherm/isochoren Beingungen thermoynamisch hinreichene) Voraussetzung ist abei er Import ausreichener Mengen an freier Energie bzw. Enthalpie ef T S i > 0 bzw. eg T S i > 0 Für Physiker: Freie Energie un freie Enthalpie können auf Grun er praktischen Inkompressibilität von Organismen häufig gleich gesetzt weren.

8 Unser Ökosystem (in en Augen eines Physikers) F Rohstoffvorrat S e (Sonnenlicht, Aufnahme von Nahrung,...) Stoffaustausch Biosphäre e S (Dissipation er Organismen) (Atmung, Ausscheiungen, Kaaver,...)

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