Concepto de medio ambiente y dinámica de sistemas

Medio ambiente: definición y alcance Conferencia de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (ESTOCOLMO, 1972): Es el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos e indirectos, en un plazo corto o largo sobre los seres vivos y las actividades humanas EFECTO DOMINÓ: Cualquier intervención en el medio natural provoca una serie de reacciones en cadena sobre todos los componentes del medio ambiente. Los problemas del medio ambiente no se pueden contemplar de forma aislada. Para estudiar las variables implicadas en un problema ambiental hay que tener en cuenta sus interrelaciones y las repercusiones en cadena.

Estudio interdisciplinar El estudio del medio ambiente requiere de la participación de distintas disciplinas: Ecología Economía Sociología Derecho Biología Geología Física Química Matemáticas, ingeniería, arquitectura, medicina, geografía Se necesita de un enfoque holístico (global) para su estudio

El enfoque holístico HOLISMO: método sintético que busca estudiar el todo o globalidad y las relaciones entre sus partes. Con este enfoque se ponen de manifiesto las propiedades emergentes, las que resultan del comportamiento global y de las relaciones entre los componentes El REDUCCIONISMO: método analítico, observa por separado los componentes. Más propio del método científico hasta la actualidad. Ambas perspectivas, la holística y la reduccionista, son complementarias

Teoría o dinámica de sistemas: Es el conjunto de partes que actúan unas sobre otras y del que interesa considerar fundamentalmente su comportamiento global El estudio de un sistema requiere de un enfoque holístico Sistema es algo más que la suma de las partes Teoría o dinámica de sistemas: Observar y analizar las relaciones entre las partes Se recurre al uso de modelos Del comportamiento global del sistema surgen las propiedades emergentes

MODELOS Los MODELOS son versiones simplificadas de la realidad Al diseñar modelos se eliminan las variables irrelevantes. El diseño de un modelo depende de la subjetividad del que lo diseña MODELOS MENTALES: Cada persona guarda su propio modelo mental de la realidad Un modelo no es la realidad y no es aplicable fuera del entorno para el que es formulado MODELOS FORMALES: Son los modelos matemáticos que nos aproximan a la realidad Son muy útiles Se comparan con la realidad para ver si es o no adecuado

Modelos de sistemas caja negra Entradas Salidas Sólo nos fijamos en las entradas y salidas de: Materia Energía Información Es importante marcar sus fronteras o límites, saber que está fuera y qué está dentro

Tipos de sistemas caja negra SISTEMAS ABIERTOS: Intercambian materia y energía con el exterior SISTEMAS CERRADOS: Sólo hay intercambios de energía SISTEMAS AISLADOS: No intercambian materia ni energía La inmensa mayoría de los sistemas son abiertos Los podemos considerar cerrados o aislados para facilitar su estudio: Ejemplos: los ecosistemas, las masas de aire en la atmósfera

La energía en los sistemas: PRIMERA LEY TERMODINÁMICA La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma La energía que entre al sistema = energía almacenada + energía que sale La energía que se libere en forma de calor no es útil a efectos prácticos: no sirve para realizar un trabajo. ENTROPÍA: magnitud termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema La ENTROPÍA aparece asociada al orden existente en un sistema: A mayor orden  más concentrada la energía  menor entropía A menor orden  energía más dispersa  entropía más elevada

Segunda ley de la termodinámica Cada transformación energética conlleva una degradación, es decir, un aumento de la entropía En cada transferencia de energía, ésta pasa de una forma más concentrada y organizada, a una forma más dispersa y desorganizada En un sistema con intercambios y conversiones de la energía, que no gana ni pierde energía, la energía potencial del estado final siempre es menor que la energía potencial del estado inicial. Los únicos procesos que ocurren espontáneamente son los exergónicos, los endergónicos requieren de un aporte de energía. El mantenimiento de un orden requiere aporte de energía: los seres vivos, sistemas ordenados, consiguen mantener su baja entropía interior degradando azúcares en la respiración, a base de expulsar al entorno calor y moléculas de elevada entropía. Son sistemas abiertos que rebajan su entropía a base de aumentar la del entorno La tendencia natural del Universo es hacia un estado de máxima entropía

Modelos de sistemas caja blanca C E Entradas Salidas Lo que observamos es el interior del sistema Las variables se unen entre sí mediante interacciones formando un diagrama causal Las relaciones causales son las conexiones que existen entre las variables

Relaciones causales simples DIRECTAS O POSITIVAS Si una aumenta la otra también INVERSAS Si una aumenta la otra disminuye ENCADENADAS Serie de variables unidas mediante flechas Se leen dos a dos Lluvia caudal de los ríos + - Contaminación vida Tala erosión suelo Tala suelo + - -

Relaciones causales complejas Bucles de realimentación o retroalimentación: la acción de un elemento sobre otro hace que a su vez este último actúe sobre el primero Bucles de realimentación positiva + Cuando una variable aumenta, otra aumenta, lo que hace que aumente a su vez la primera La causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa + + + Crecimiento descontrolado del sistema + Se establecen en cadenas cerradas con un nº par de relaciones negativas TN + Comportamiento explosivo  desestabilización del sistema

Bucles de realimentación negativa u HOMEOSTÁTICOS + Cuando una variable aumenta y la otra también, pero esta última hace que la primera disminuya Al aumentar la causa aumenta el efecto, y el aumento del efecto amortigua la causa. - - - + Se establecen en las cadenas cerradas en las que el nº de relaciones negativas es impar - TM + Son bucles estabilizadores u HOMEOSTÁTICOS

Curva exponencial descendente y extinción de la población Sistema Población Regulado por los dos bucles: el de nacimientos y el de muertes + TN TM + + + + - POBLACIÓN + - Bucle que impulsa Bucle que establece el control Por sí solo Por sí solo Curva exponencial descendente y extinción de la población Curva exponencial en J

Potencial biótico Es el resultado combinado de ambos bucles sobre el tamaño de la población: r = TN – TM Si r > 0  TN >TM  la población crece Si r < 0  TN < TM  La población decrece Si r = 0  TN = TM  equilibrio dinámico, crecimiento cero o estado estacionario. Crecimiento cero  se corresponde con curva sigmoidea o logística Se alcanza la capacidad de carga: máximo nº de individuos que se pueden mantener en determinadas condiciones ambientales

Pasos a seguir para modelar un sistema Formación de un modelo mental Diseño del diagrama causal Elaboración de un modelo formal Simulación de diferentes escenarios ESCENARIO: Conjunto de condiciones, circunstancias o parámetros iniciales de los que parte una simulación Variando las condiciones iniciales se obtienen escenarios alternativos

MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE La tierra como sistema caja negra: se puede considerar como un sistema cerrado que no intercambia materia. Energía que entra: la radiación electromagnética solar. Mayoritariamente luz visible. Energía que sale: radiación reflejada y radiación infrarroja (calor de la superficie terrestre) La tierra en equilibrio dinámico autorregula su temperatura: media de unos 15 º C

La Tierra como sistema caja blanca La máquina climática que regula el clima del planeta es el resultado de los subsistemas: S = A U H U G U B U C Predicciones meteorológicas de días u horas: S = A Predicciones de 1 a 10 años: S = A U H U G Predicciones de 10 a 100 años: S = A U H U G U B U C Predicciones a más largo plazo: distribución mares/océanos; variaciones de la órbita terrestre,…

El efecto invernadero Se produce en la troposfera (12 km) Gases: vapor de agua, CO2, Metano y N2O Estos gases impiden que la radiación infrarroja que emite la tierra al calentarse, escapen, y son devueltas hacia la superficie terrestre. Permite la temperatura media de la Tierra (15 º C) y la presencia del agua líquida que permite la vida El incremento del efecto invernadero es un grave problema ambiental resultado de las actividades humanas, que rompe los ciclos naturales y provoca un excesivo calentamiento de la atmósfera

Bucle que acelera el efecto de una glaciación cuando se presenta El efecto ALBEDO Es el porcentaje de radiación solar reflejada por la Tierra del total que incide sobre ella, procedente del Sol. Es mayor sobre superficies claras: por ejemplo sobre las superficies heladas. - + + - Bucle que acelera el efecto de una glaciación cuando se presenta

Las nubes Doble acción sobre el clima: Incrementan el albedo reflejando radiación Incrementan el efecto invernadero devolviendo radiación infrarroja Radiación solar incidente Gases efecto invernadero Efecto invernadero + Superficie helada + - + + + + Temperatura + + - - Albedo Nubes + Los dos bucles positivos propician un equilibrio dinámico que puede romperse si las condiciones ambientales cambian  imposible el retorno. Ejemplos: Marte evolucionó hacia un clima frío, Venus hacia el incremento del efecto invernadero

Marte y Venus El polvo atmosférico Marte: Venus: Temperatura media de -10ºC. En los polos hasta -160ºC Agua y dióxido de carbono congelados. Marcas de ríos en su superficie. Su lejanía al Sol y sin efecto invernadero Venus: Temperatura media de 484ºC Su cercanía al sol  elevada temperatura  gruesa capa de nubes  fuerte incremento del efecto invernadero  el agua se evaporó El polvo atmosférico Volcanes, meteoritos, incendios, contaminación, explosiones nucleares  inyectan polvo y partículas a la atmósfera. Aumentan el albedo  enfrían la atmósfera

Volcanes Doble acción sobre el clima, dependiendo de los productos que emiten Descenso térmico  emisiones de polvo y SO2. A corto plazo. Mayor efecto en las emisiones que superan la tropopausa. Incremento térmico  CO2  efecto menos evidente y más duradero Primero originan un descenso y luego un aumento de las temperaturas Radiación solar incidente Gases efecto invernadero Efecto invernadero + Superficie helada + - + + + + Temperatura + + + - - Albedo Nubes CO2 + + Erupciones volcánicas + + + Polvo y SO2 Radiación reflejada

Variaciones de la RADIACION SOLAR INCIDENTE VARIACIONES PERIÓDICAS: Ciclos astronómicos de MILANKOVITCH  Variaciones cíclicas de la temperatura en función de la cantidad de energía solar que llega y de la parte de superficie terrestre que la recibe. Se deben a tres factores. Excentricidad de la órbita terrestre: De más circular a más elíptica Periodicidad: 100.000 años Más alargada la elipse  más corta la estación cálida

Variaciones periódicas 23º27’ La inclinación del eje: Periodicidad de 41.000 años Actualmente es de 23º27’ Determina variaciones en la duración día/noche Variaciones en las estaciones eje vertical: 12 horas y sin estaciones

Variaciones periódicas Afelio Perihelio Invierno hemisferio norte Verano hemisferio Norte Invierno hemisferio Sur Verano hemisferio Sur Posición en el perihelio: Periodicidad de 23.000 años Actualmente: la Tierra en el perihelio: invierno en el hemisferio norte Veranos del perihelio: más calurosos. Inviernos del afelio: más fríos Hemisferio Sur: se suaviza por influencia oceánica

Variaciones graduales de la radiación solar incidente El Sol no ha emitido siempre la misma cantidad de energía. Según el principio de entropía, a medida que se va degradando su energía, se va desprendiendo más calor. Antes de aparecer la vida en la Tierra, la temperatura del Sol debió ser un 30% mayor que la actual

La influencia de la BIOSFERA HIPÓTESIS GAIA (Lovelock) La Tierra es un sistema homeostático capaz de autorregular su temperatura. La biosfera desempeña un papel fundamental en esta regulación rebajando los niveles de CO2 atmosférico Cambios en la composición atmosférica a lo largo del tiempo desde la aparición de los primeros seres vivos fotosintéticos en la Tierra: Reducción de los niveles de dióxido de carbono  depósitos en combustibles fósiles y piedra caliza. Aparición del oxígeno atmosférico  su origen es biológico Formación de la capa de ozono  protectora de rayos UV Aumento del nitrógeno atmosférico  por la acción de las reacciones metabólicas de los seres vivos

Fotosíntesis + Radiación solar incidente Efecto invernadero Superficie helada - + - + + + + + Temperatura + + - - Albedo CO2 Nubes + + + + + Erupciones volcánicas + Polvo y SO2 Radiación reflejada - Almacenamiento CO2