Ugrás a tartalomhoz

Kutatói pályára felkészítő akadémiai ismeretkörön alapuló tananyagfejlesztés – Környezet- és természetvédelem ismeretkörben

Dr. Huzsvai László (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

Indukált áramlás és entrópiatermelés

Indukált áramlás és entrópiatermelés

A hajtóerő és az áramlás törvényszerűségei az Ohm és a Darcy törvények alapján tárgyalhatók. A talaj-növény rendszerben azonban többféle hajtóerő és áramlás zajlik párhuzamosan. Gyakorlatilag valamennyi erőhatás és áramlás összefügg. Egy anyagra, illetve folyamatra a konjugált (összekötött) áramlások leírására szolgáló egyenlet alapján azonosítható a hajtóerő és az áramlás. Az erő- és az áramlás szorzat dimenziója entrópia termelés, vagy másképpen az egységnyi idő alatt végbemenő szabadenergia-csökkenés.

Amennyiben a rendszerben sikerül különválasztani a hajtóerőt és a létrehozott áramlást, a rendszer entrópiaváltozása az egyes részfolyamatok entrópiájának összege. Ha egy hajtóerő többféle anyagáramlásra is hat, az erő megosztásával írható föl az entrópiatermelésben kifejtett hányad. A részfolyamatokra történő szétosztás azonban nem megvalósítható. Az elv alkalmazása a talaj-növény rendszerre néhány termodinamikai következtetés levonását teszi lehetővé. Például azt, hogy ha egy termodinamikailag nyitott rendszert érni hagyunk, akkor annak entrópiatermelése idővel egy minimum eléréséig csökken. Ebből az következik, hogy ha egy konjugált erőhatás az adott áramlást akadályozza, az áramlás úgy változik, hogy csökkentse az akadályozó hatást és a rendszer az eredeti állapotba térjen vissza. A jelenség a növényökológiában ismert homeosztázis elv, amely az ökológiai rendszer stabilitását és regenerációs képességét nyitott termodinamikai rendszersajátságként mutatja be. A perturbáció vagy zavaróhatás pedig az ökológiai rendszer entrópiatermelését növeli.

A nyitott termodinamikai rendszer egyensúlyi állapota az élő szervezetek érési állapotig mutatott fejlődésével analógiásnak tekinthető. A minimális entrópiatermelés az életjelenségek evolúciójának egyik alapelve. Az élő szervezetek a zavaró hatás kiszűrésére és egyensúlyi állapotuk fenntartására szabályozó mechanizmussal rendelkeznek. Ami igaz az egyedre igaz az egyedet tartalmazó ökológiai rendszerre is. Az ökológiai rendszer is tehát fejlődésen, érésen keresztül jut el érett egyensúlyi állapotába. Az ökológiai rendszerre (ökorendszerre) is igaz, hogy a saját egyensúlyi állapotának a fenntartása mellett a zavaró hatások kiszűrésére „törekszik”.

A talaj kezdetben az ökológiai rendszer fejlődésének egyik korlátozó tényezője megszabva az ökorendszer érési útjának az irányát, majd részt vesz az érési folyamatban, és változások sorozatán megy keresztül.

Ha az ökorendszert zavaró hatás éri, a szabályozó mechanizmus a zavaró hatás megszüntetése és az egyensúlyi állapot fenntartása irányában hat. A talaj részese ennek a folyamatnak, amelyet a talaj puffer képességeként neveznek. Felmerül azonban a kérdés, hogy a zavarásnak milyen hosszú ideig kell hatnia, hogy új fejlődési korlátot jelentsen, és új egyensúlyt eredményezzen. Amennyiben a zavaró hatás katasztrofális, az ökorendszer nem képes magát új egyensúlyi állapot felé kormányozni.

Az előzőekben említett lehetőségekre egy ökológiai példa a következő: Egyensúlyi ökológiai rendszer a klimax vegetáció. Magyarországon például a lombos erdő valamilyen formációja a hozzá tartozó erdőtalajjal az egyensúlyi ökorendszerek egyike. Nyilvánvaló, hogy erdővegetáció nélkül a lombos erdő ökorendszer talaja teljesen különböző lenne. Amennyiben a talajról az erdőt levágjuk, és szántóföldi művelést alakítunk ki, az erdőtalaj tulajdonságai megváltoznak, szervesanyag-tartalma csökken, szerkezete degradálódik és entrópiája mindaddig nő, míg egy új, magasabb entrópiájú egyensúlyi állapotot nem ér el. A felhagyott szántóföldre az erdő csak hosszú idő után települne vissza, de minden valószínűség szerint regenerációja végbemenne, vagyis az erdősülési folyamat visszafordíthatónak, reverzibilisnek tekinthető. Az angliai Rothamsted kísérleti állomás hosszúidejű talajtani megfigyelésekkel rendelkezik, amelyek azt bizonyítják, hogy az eredeti vegetáció megváltozása nem jár együtt katasztrofális talajtani változásokkal. Ennek oka a talajok fokozatos megváltozása lehet. Megfigyelést végeztek egy olyan területen, amely évszázadokon keresztül mezőgazdasági művelés alatt állt, majd a művelés felhagyását követően 1883-tól visszaerdősült. Az 1964-ben visszaerdősült és a továbbra is szántóként használt talajok szelvényleírását és jellemzőit összehasonlítva a morfológiai különbség csupán kismértékűnek látszott annak ellenére, hogy a visszaerdősült talaj évente 530 kg szénnel és 45 kg nitrogénnel többet kötött meg hektáronként, mint a mezőgazdasági terület talaja. Talán a legkifejezettebb különbség a feltalaj tömődöttségében volt kimutatható. A visszaerdősült talaj feltalajának kisebb tömődöttségét a földigiliszta aktivitás eredményezte, amely hiányzott a szántóterületről. A két terület talajának entrópia különbsége azonban épp úgy nem volt kimutatható, mint a C- és az N felhalmozódásé.