Ecologia (ecosistema e caratteristiche, produzione primaria PPN, PPL, PPI; energia degli ecosistemi, catene alimentari, decomposizione, ecosistemi terrestri, suolo, ecosistemi acquatici: lago lentico, lotico, paludi ecc)

Ecologia

Ecologia: studia le interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi in un particolare ambiente, studia le relazioni tra gli organismi della propria specie e di altre e tra gli organismi e l’ambiente fisico.

Approccio al problema ecologico

• Descrittivo: descrivo l’ambiente in base alla vegetazione, agli organismi che se ne nutrono ecc.; Storia naturale (gruppi di vegetazione, organismi, rapporto tra popolazione e vegetazione)
• Funzionale: risposta delle popolazioni e della comunità alle “cause prossime” o fattori ambientali immediati
• Evolutivo: ragioni storiche / cause ultime per cui l’evoluzione ha favorito una soluzione biologica ecologica.

Aree di studio dell'ecologia

Di base, applicata, vegetale, microbiologia umana, tossicologia.

Autoecologia e sinecologia

Autoecologia

Studia i rapporti ecologici tra una singola specie vivente e l’ambiente in cui vive; tra i quali ricordiamo: rapporti trofici (relativi alla nutrizione), simbiosi (rapporti stretti tra specie), competizione (rapporto tra specie che usano le stesse risorse limitate), fisiologia (risposta adattativa di un organismo all’ambiente in cui vive).

Sinecologia

Studio delle relazioni di organismi e popolazioni con i fattori biotici ed abiotici dell’ambiente in cui vivono, studia gli organismi, le loro interazioni, la loro interdipendenza e la loro coevoluzione nel loro ambiente di vita.

Ecosistema

Ecosistema: unità funzionale in ecologia; è l’ambiente che include l’insieme di tutte le condizioni fisiche e di tutti gli organismi coesistenti all’interno dei suoi confini, gli organismi quindi interagiscono con l’ambiente nel contesto dell’ecosistema.

L’ecosistema comprende la componente biotica (vivente) ed abiotica (non vivente, fisica e chimica); la componente abiotica fisica è costituita da: atmosfera, acqua, clima, suolo. Le relazioni sono complesse perché ogni organismo risponde all’ambiente fisico e a sua volta lo modifica, determinandone alcune caratteristiche e quindi diventandone parte.

Tansley nel 1935 fornisce la prima definizione di ecosistema: “Comprende la componente biotica ed abiotica, hanno la stessa importanza perché l’ambiente, i fattori fisici, ecc influenzano gli organismi e viceversa”.

Livelli di organizzazione gerarchica

• Individuo: Ogni singolo ente in quanto distinto da altri della stessa specie
• Popolazione: un gruppo di individui della stessa specie che occupa una determinata area
• Comunità: l’insieme delle popolazioni di specie diverse che vivono ed interagiscono in un ecosistema
• Ecosistema: organismi che interagiscono in un ambiente considerato con la sua componente biotica ed abiotica
• Paesaggio: mosaico di tutte le comunità e gli ecosistemi di una determinata area (sistema complesso di ecosistemi); area territoriale eterogenea composta da ecosistemi interagenti che si ripetono in una configurazione caratteristica.
• Bioma: unità territoriali estese (paesaggi regionali, cioè che interessano vaste aree territoriali) con un certo tipo di vegetazione; regioni con ecosistemi simili
• Biosfera / Ecobiosfera: tutti gli esseri viventi della Terra che interagiscono con l’ambiente fisico per formare un’unica entità; sottile strato che ricopre il pianeta Terra in cui sono presenti tutte le forme viventi. Gli ecosistemi acquatici e terrestri della biosfera sono in continua relazione attraverso scambi di materia ed energia.

Ambiente fisico

Clima

Fondamentale nel determinare la componente biotica in un ecosistema; clima (locale, regionale, globale): andamento su lungo periodo del “tempo” (combinazione di T, umidità, precipitazioni, vento, nuvolosità ecc). Andamento medio a lungo termine del tempo, può essere locale, regionale o globale; i cambiamenti climatici condizionano la distribuzione delle piante su larga scala e quindi la natura degli ecosistemi stessi.

Livelli di selezione in quel particolare ecosistema

1. Scala evolutiva:
   • Organismi piccoli che disperdono facilmente calore sono adatti a vivere in un clima freddo
   • Più nidiate ogni anno: permette alla popolazione di sopravvivere alle nidiate negative per scarsità di cibo
2. Scala di breve periodo: Temperatura e correnti determinano una riduzione del cibo = riduzione della popolazione di pinguini nelle Galapagos

Radiazione solare

Il limite esterno dell’atmosfera terrestre intercetta la radiazione solare e gli scambi di energia che ne derivano causano condizioni termiche che, insieme al movimento di rotazione della Terra, generano i venti e le correnti oceaniche, le quali influenzano le caratteristiche meteorologiche della terra, inclusa la distribuzione delle piogge.

La radiazione solare è l’energia elettromagnetica emanata dal Sole, essa attraversa lo spazio senza trovare ostacoli fino a raggiungere l’atmosfera; tutti gli oggetti emettono energia radiante la cui natura dipende dalla temperatura dell’oggetto:

• Temperatura alta: oggetto più caldo, fotoni ricchi di energia, lunghezza d’onda minore (es: Sole, è molto caldo, quindi emette radiazioni ad onda corta)
• Temperatura bassa: oggetto più freddo, fotoni poveri di energia, lunghezza d’onda maggiore (es: Terra è più fredda del sole, quindi emette radiazioni ad onda lunga)

Solo il 51% dell’energia solare in entrata raggiunge il limite superiore dell’atmosfera, cosa succede a tutta la radiazione solare (100%):

• 26%: riflesso da nuvole ed atmosfera
• 4% riflesso dalla superficie della terra
• Totale = 30% irraggiamento nuovamente nello spazio

Del 51% che raggiunge la terra:

• 23% evaporazione acqua
• 7% riscalda l’aria
• 21% riscaldano masse terrestre e oceani

La Terra emette 117% di energia rispetto al sole:

• 6% si disperde nello spazio;
• 15% riassorbita da CO2 atmosferica e nuvole
• 96% viene re-irraggiato verso la Terra producendo Effetto Serra (che mantiene l’energia superficiale del pianeta)

Movimenti del pianeta

La terra è soggetta a 2 moti distinti: orbita intorno al sole, ruota su un asse ellittico che attraversa il Polo Nord e Polo Sud, dando origine al ciclo diurno; l’asse è quindi elittico ed inclinato di 23.5°. Questa inclinazione determina la variazione stagionale della temperatura e della durata del giorno, solo all’Equatore la durata del giorno e della notte è di 12 ore.

La quantità di energia intercettata in ogni punto della superficie della Terra varia con la latitudine, questo perché alle alte latitudini la radiazione colpisce la superficie con un angolo inclinato diffondendo luce su un’area più ampia e questa radiazione deve attraversare uno strato d'aria più spesso, per questo si ha un aumento della temperatura dai Poli all’Equatore.

Equinozio di Autunno (22/09) / Equinozio di Primavera (21/03): il sole è sopra l’equatore ed ogni luogo della Terra ha le stesse 12 ore di buio e di luce.

Solstizio d’Estate (20/06): nell’emisfero boreale i raggi solari incidono direttamente il Tropico del Cancro (23.5° N); nell’emisfero boreale i giorni sono più lunghi e la radiazione solare raggiunge la superficie con la massima intensità. Quindi nell’emisfero boreale è estate, mentre in quello australe è inverno.

Solstizio d’Inverno (21/12): nell’emisfero boreale i raggi solari incidono direttamente sul Tropico del Capricorno (23.5° S), i giorni sono più corti e la temperatura è più bassa. Quindi nell’emisfero boreale è inverno, mentre in quello australe è estate.

Altitudine e diminuzione della temperatura

A livello della superficie terrestre la densità dell’aria è elevata, con l’aumento dell’altitudine, sopra il livello del mare, la densità dell’aria diminuisce insieme alla pressione; rispetto alla pressione e alla densità dell’aria, la temperatura ha un profilo più complesso e diminuisce dalla superficie terrestre verso l’alto fino all’altitudine di 11 km, il tasso di diminuzione della temperatura con l’altitudine è il Gradiente termico ambientale.

Questa diminuzione di temperatura dipende da 2 fattori:

• La temperatura è determinata dalla velocità delle molecole d’aria, visto che ad alta densità corrisponde alta velocità, la temperatura è maggiore sulla superficie terrestre; la riduzione della pressione con l’aumento dell’altitudine determina la riduzione del moto delle molecole e quindi l’abbassamento della temperatura
• Il riscaldamento delle masse d’aria sovrastanti la superficie terrestre, causate all’assorbimento della radiazione solare, viene ridotta con l’aumento dell’altitudine perché l’energia emessa dalla Terra viene maggiormente dissipata.

Raffreddamento adiabatico: diminuzione di temperatura dell’aria causata dall’espansione.

Gradiente adiabatico: gradiente di variazione delle temperatura con l’altitudine.

La temperatura non decresce in modo costante con l’aumento dell’altitudine per questo in alcune zone un cambio di altitudine determina un brusco calo della temperatura; queste altitudini vengono utilizzate per distinguere le diverse parti dell’Atmosfera: Troposfera, Stratosfera, Mesosfera, Termosfera.

Circolazione delle masse d'aria

L’atmosfera non è statica, ma in continuo movimento azionato da:

• Innalzamento / abbassamento masse d’aria
• Rotazione della Terra sul suo asse

L’aria calda risale perché è meno densa di quella più fredda sovrastante, l’aria riscaldata si innalza fino alla parte più alta dell’atmosfera generando una zona di bassa pressione in prossimità della superficie terrestre. Le masse d’aria si spostano verso i Poli, si raffreddano, diventano più pesanti e ridiscendono.

Aria fredda (più pesante) fluisce verso Bassa pressione all’Equatore, aria calda (più leggera) si innalza sopra ai tropici verso l’Alta pressione (arriva ai poli e scende di nuovo).

La Terra ruota da ovest verso est, a velocità differenti; l’aria da una circonferenza all’altra risulta deflessa nella sua circolazione (effetto di Coriolis). Così si determinano i venti, es alisei.

• Emisfero boreale: Alisei NE
• Emisfero australe: alisei SE

Correnti oceaniche

L’energia solare, venti e rotazione della terra generano le correnti oceaniche; i venti prevalenti determinano flussi delle acque superficiali negli oceani (correnti oceaniche); ogni oceano ha 2 grandi moti di circolazione delle acque (gyres), all’interno di ciascuna le correnti principali si muovono:

• In senso orario nell’emisfero boreale
• In senso antiorario nell’emisfero australe

Gli alisei spingono le acque calde verso Ovest, incontrando i margini orientali dei continenti le acque si scindono nelle correnti che fluiscono a nord ed a sud formando la Circolazione Nord – Sud. Quando le correnti si allontanano dall’equatore l’acqua si raffredda ed alla alte latitudini può incontrare i venti da Ovest che producono correnti che si muovono verso est; esse incontrano i margini occidentali dei continenti e formano correnti fredde che fluiscono verso l’equatore.

Es: all’equatore gli Alisei spingono le acque calde di superficie ad ovest dove incontrano le terre emerse, lungo le coste continentali si dividono in due correnti: verso nord e sud. A nord (e sud) le acque si raffreddano e alle più alte latitudini (30-60° N/S) i venti da ovest possono spingerle verso est.

La temperatura e l’umidità dell’aria

Se si fornisce energia l’H₂O evapora: vapore acqueo. Nell’aria il vapore acqueo si comporta come un gas indipendente ed esercita una sua pressione (pressione di vapore), contenuto di vapore acqueo a saturazione o capacità di vapore acqueo dell’aria, tale valore non può essere superato.

Pressione di vapore acqueo aumenta con la temperatura, se l’aria si scalda assume vapore acqueo.

Crepuscolo / notte: diminuzione della temperatura, si raggiunge la temperatura di condensazione con formazione di rugiada (rilascio di H₂O dell’aria).

Di mattina / giorno: aumento della temperatura di re-evaporazione dell’H₂O che rientra nella massa d’aria. Seguendo le stesse regole si ha la formazione di nuvole ed eventualmente pioggia (o grandine).

Le precipitazioni

Le precipitazioni più abbondanti nella zona equatoriale e diminuiscono spostandosi a Nord e a Sud; la diminuzione non è costante, si hanno due minimi locali alle medie latitudini che interrompono l’andamento generale di diminuzione delle precipitazioni dall’equatore ai poli.

Si muovono attraverso gli oceani tropicali, gli alisei caldi acquistano umidità; nella ITCZ (fascia di convergenza intertropicale) si verifica l’incontro tra gli alisei di Nord-est e gli alisei di Sud-est: le due masse d’aria entrano in collisione, l’aria calda e umida si innalza e si raffredda, quando viene raggiunto il punto di condensazione (trasformazione del vapore acqueo in liquido) si formano le nuvole e le precipitazioni cadono sottoforma di pioggia.

L’acqua discendente si scalda e viene prelevata acqua dalla superficie tramite l’evaporazione provocando condizioni di aridità. Le precipitazioni sono maggiori nell’emisfero australe rispetto che a quello boreale; questo perché gli oceani coprono una superficie più estesa nell’emisfero australe e l’acqua evapora più velocemente dalla superficie degli oceani piuttosto che dal suolo e dalla vegetazione. Per la stessa ragione le zone interne dei continenti sono soggette a precipitazioni minori rispetto a quelle costiere.

La topografia influenza la distribuzione delle piogge a livello locale.

Ombra pluviometrica

La topografia montuosa influenza le caratteristiche e la distribuzione delle precipitazioni e livello regionale e locale, una massa d’aria che raggiunge una montagna, sale, si raffredda, aumenta la sua umidità relativa e quando la temperatura scende si verificano le precipitazioni sulle zone più elevate del versante esposto al vento. I versanti delle montagne esposte al vento consentono lo sviluppo di una vegetazione più densa e rigogliosa, rispetto a versanti sottovento, dove vi sono aree in condizioni di aridità simili ai deserti.

Es. massa d’aria raggiunge una montagna:

• Sale e si raffredda e vapore acqueo raggiunge temperatura di condensazione con formazione di piogge
• Quando l’aria si raffredda e ha perso H₂O discende sul versante sottovento, si scalda e di conseguenza assorbe umidità

Versante sopravento: vegetazione rigogliosa per piovosità intensa.

Versante sottovento: scarsa umidità e zona arida. Situazioni locali difficilmente prevedibili nelle zone influenzate da orografia complessa e da tutti quei fenomeni quali riscaldamento / raffreddamento generale atmosferico ecc. Massima piovosità equatoriale è la base della spiegazione della piovosità media.

Es. alisei nord-est si scaldano e recuperano umidità quando incontrano a livello equatoriale gli alisei di sud est entrano in collisione e l’aria si innalza e si raffredda (ITCZ, FASCIA DI CONVERGENZA INTERTROPICALE), quando la temperatura dell’aria raggiunge il punto di condensazione l’umidità contenuta si trasforma in pioggia.

Da notare che l’aria discendente si riscalda ed assume H₂O dalla superficie terrestre determinando condizioni di aridità: formazione di zone desertiche.

Andamento globale e stagionale delle precipitazioni

Distribuzione delle precipitazioni sulla terra non è omogenea, è comunque possibile evidenziare che le precipitazioni medie variano con la latitudine. Zona equatoriale: più abbondanti e diminuiscono spostandosi a nord e a sud con diminuzione non continua.

L'acqua

Tutti gli ambienti acquatici sono collegati tra loro, in quanto componenti del ciclo dell’acqua (ciclo idrologico); la forza motrice di questo ciclo è la radiazione solare in quanto scalda l’atmosfera terrestre e fornisce energia per l’evaporazione dell’acqua.

Acqua di falda

Parte dell’acqua che entra nel sottosuolo si infiltra fino a raggiungere uno strato impermeabile di roccia o argilla e qui si raccoglie come acqua di falda, questo comparto di riserva alimenta sorgenti e ruscelli.

Traspirazione

Evaporazione dell’acqua dalle superfici interne di foglie, fusti ed altre parti viventi.

Evapotraspirazione

Processo di evaporazione dell’acqua dalla superficie del terreno e dalla vegetazione.

Caratteristiche dell'acqua

• Elevato calore specifico: (calore necessario per elevare di 1°C la temperatura di 1g di acqua) determina la sua capacità di immagazzinare enormi quantità di calore con piccoli incrementi di temperatura, è cosi in grado di riscaldarsi lentamente e raffreddarsi lentamente
• Coesione: le molecole d’acqua aderiscono tra di loro resistendo alle forze esterne che romperebbero questi legami
• Tensione superficiale: le molecole sulla superficie sono attratte verso il basso, grazie a questo la superficie dell’acqua è in grado di sorreggere piccoli organismi ed animali come gerridi e ragni acquatici
• Il ghiaccio: l’acqua raffreddandosi diventa più densa fino ai 4°C, dopo si ha una diminuzione della densità per questo il ghiaccio è più leggero dell’acqua

Termoclino

Le temperature superficiali riflettono il bilancio tra radiazione solare in ingresso ed in uscita; la temperatura dell’acqua non segue i...