Tema1 El MEDIO AMBIENTE

CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE “ El conjunto de todas las fuerzas o condiciones externas, incluyendo factores físico-químicos, climáticos y bióticos, que actúan sobre un organismo, una población o una comunidad”.

Conferencia de la ONU para el Medio Ambiente Humano (Estocolmo, 1972) “Conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo, sobre los seres vivientes y las actividades humanas”. El medio ambiente es un sistema formado por elementos naturales y artificiales que están interrelacionados y que son modificados por la acción humana. Se trata del entorno que condiciona la forma de vida de la sociedad y que incluye valores naturales, sociales y culturales que existen en un lugar y momento determinado.

EL ESTUDIO DE MEDIO AMBIENTE CIENCIAS DE LA TIERRA Y EL MEDIO AMBIENTE Ciencia de síntesis, multidisciplinar, que utiliza conceptos e información de: - Ciencias de la Naturaleza: Ecología, Biología, Química, Geología. - Ciencias Sociales y Humanidades: Economía, Política, Ética, Sociología. Sus objetivos son: 1. Entender de forma global las relaciones que existen entre los diversos componentes del sistema Tierra. 2. Conocer como afectan los sistemas de apoyo (medio ambiente) a la vida en la Tierra, a nosotros mismos y a otras formas de vida. 3. Proponer y evaluar soluciones de cara a los problemas medioambientales que padecemos.

ENFOQUE METODOLÓGICO REDUCCIONISTA Consiste en dividir o fragmentar nuestro objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado HOLISTA Método sintético que trata de estudiar el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Permite poner de manifiesto propiedades emergentes.

SISTEMAS Y DINÁMICA DE SISTEMAS SISTEMA Conjunto de partes operativamente interrelacionadas y del que interesa considerar fundamentalmente su comportamiento global. De las interrelaciones entre sus partes y del comportamiento global surgen las propiedades emergentes.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS Están formados por elementos Cada elemento tiene una función específica en el sistema y se relaciona con los demás elementos. Los elementos interaccionan para desempeñar una o varias funciones, superiores a la suma de las partes que recibe el nombre de propiedades emergentes (sinergia) Los sistemas no están aislados, hasta ellos llegan energía y materia necesarias para su funcionamiento. Además reciben información del exterior del sistema que desencadena su actividad. Los sistemas también producen materia y emiten energía e información, como resultado de la función que desempeñan.

TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS (TGS) La Teoría de Sistemas Dinámicos o Dinámica de Sistemas se basa en observar y analizar las relaciones e interrelaciones entre las partes de nuestro objeto de estudio recurriendo al uso de modelos. Sin rechazar el enfoque reduccionista, que puede enriquecer el conocimiento del conjunto al estudiar detalladamente cada uno de sus componentes, el enfoque holístico es el adecuado para estudiar los sistemas complejos en los que el todo es más que la suma de las partes Los sistemas dinámicos se denominan así porque nunca alcanzan el equilibrio, por el contrario fluctúan entre valores próximos al óptimo.

USO DE MODELOS Para el estudio de la dinámica de sistemas se utilizan modelos, es decir: versiones simplificadas de la realidad. Para diseñar un modelo hay que hacer simplificaciones de la realidad eliminando detalles no significativos para nuestro estudio. VARIABLES : Aspectos mesurables de esa realidad

MODELOS MENTALES Lo que guardamos en nuestra mente no es la realidad, sino sus modelos mentales. No sirven para guiarnos por el mundo y nuestras acciones responden a nuestros modelos.

MODELOS FORMALES Son modelos matemáticos que también son aproximaciones a la realidad. Utilizan ecuaciones que asocian las variables. Son una herramienta para representar la realidad de la forma más concreta y precisa posible.

Ejemplo modelo formal: Modelo depredador-presa La relación entre presas y depredadores expresada de forma gráfica tiene la siguiente forma:

MODELOS DE SISTEMAS DE CAJA NEGRA Un modelos de caja negra se representa como si fuera una caja dentro de la cual no queremos mirar y solo nos fijamos en sus entradas y salidas de materia, energía e información.

TIPOS DE MODELOS DE CAJA NEGRA Abiertos: En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía. Cerrados. No hay intercambios de materia, pero SI de energía. Aislados. No hay intercambio de materia ni de energía.

MODELOS DE SISTEMAS DE CAJA BLANCA Si miramos el interior de un sistema, adoptamos un enfoque de caja blanca. Hay que marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que representan las interacciones.

DIAGRAMAS CAUSALES Relaciones simples: Relaciones en las que la variable A influye en la variable B pero no a la inversa. Las relaciones simples pueden ser: Directas: o positivas, si aumenta A causa un aumento de B. Recíprocamente si disminuye A, disminuye B.

Relaciones simples: Inversas:Si aumenta A disminuye B o si disminuye A aumenta B Encadenadas: cuando hay varias variables unidas.

Relaciones complejas Son aquellas en que una variable influye sobre otra u otras que, a su vez, influyen sobre la primera. El resultado es un conjunto de relaciones encadenadas en círculo, que recibe el nombre de bucle de retroalimentación, realimentación o feedback. Pueden ser de dos tipos: positivas y negativas

Retroalimentación positiva: Se produce cuando la variación de una variable en un sentido (aumento o disminución) produce un cambio de otra u otras variables en el mismo sentido (aumento o disminución respectivamente) y éstas a su vez influyen de la misma manera sobre la primera. La causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa o viceversa (disminución). La retroalimentación (+) desequilibra el sistema al amplificar sus efectos. .

Retroalimentación negativa: Se produce cuando la variación de una variable en un sentido (aumento o disminución) produce un cambio de otra u otras variables en el mismo sentido y éstas a su vez, influyen sobre la primera en sentido opuesto (disminución o aumento respectivamente) o viceversa. Este tipo de relaciones tienden a estabilizar los sistemas, por lo que reciben el nombre de estabilizadores o sistemas homeostáticos. Son relaciones reguladoras que mantienen el sistema en equilibrio.

DINÁMICA POBLACIONAL La variación temporal de la población depende de: N = tamaño de la población. t = tiempo. na = número de nacimientos. m = número de muertes. r = potencial biótico (propia de cada especie) N1 = N0 + N0·na = N0·(1 + na) N1 = N0·(1 + na - m) r = na - m N1 = N0·(1 + r) N2 = N1 (1 + r) = N0 (1 + r) (1 + r) = N0 (1 + r)2 Nt = N0 (1 + r)t

Si la natalidad supera a la mortalidad, r será mayor que 0 y la población tiende a crecer. En estas condiciones y si no existen limitaciones de otro tipo, la población crece de manera exponencial.  Nt = N0 (1 + r)t

Sin embargo, este tipo de crecimiento sólo es posible en circunstancias muy específicas, por ejemplo cuando una especie coloniza un nuevo espacio y no hay restricciones en los recursos ni competencia por ellos, tal como ocurre en un cultivo bacteriano recién inoculado durante los primeros momentos de su crecimiento. Algunas especies siguen este modelo de crecimiento siguiendo ciclos de explosión demográfica seguidos por elevados índices de mortalidad, por ejemplo al comienzo de la estación reproductora. Presentan curvas de crecimiento en forma de dientes de sierra:

r > 0 la población crece exponencialmente se estanca r < 0 la población se extingue

Ecuación logística de crecimiento poblacional Es un modelo más realista. Se asume que en el ecosistema existe una capacidad de carga K. Capacidad de carga K representa el número máximo de individuos que el ecosistema puede soportar. Tasa intrínseca de crecimiento r: su valor máximo es el potencial biótico de esa población Resistencia ambiental: conjunto de factores que impiden que una población alcance su potencial biótico: Factores externos: bióticos (depredadores, parásitos, competidores), abióticos (cambios clima, catástrofes, escasez alimentos agua etc.) Factores internos: densidad elevada provoca un descenso de la reproducción (competencia, emigración

Ecuación logística de crecimiento poblacional

MODELO DEPREDADOR-PRESA Para las presas (x): 1. La velocidad con que varía la población de presas x es proporcional a la población existente en el momento t. 2. La velocidad con que varía la población de presas x es proporcional al número de encuentros con los predadores y. Para los predadores (y): 1. La velocidad de variación de la población será proporcional al número de predadores (y) en el momento t. 2. La velocidad de variación de la población será proporcional al número de encuentros presa (x) predador (y), v.g. Proporcional tanto a la población de presas como de predadores en el momento t.

MODELO DEPREDADOR-PRESA Puede verse que: En ausencia de depredadores, la presa crece en forma exponencial. 2. En ausencia de presas, los depredadores se extinguen en forma exponencial. xo yo 3. La interacción de depredadores y presas modula la dinámica poblacional de ambos según el modelo predador-presa de Lotka-Volterra.

La relación entre presas y depredadores expresada de forma gráfica tiene la siguiente forma:

Ejemplo de sistemas complejos

Ejemplo de sistemas complejos

CÓMO MODELAR UN SISTEMA Formación de un modelo mental: observación minuciosa del comportamiento de un fenómeno en la realidad . Formulación de hipótesis y elección de variables. Diseño de un diagrama causal que relacione las variables y se compara con la realidad. Elaboración de un modelo formal o matemático a partir del diagrama causal. Simulación de diferentes escenarios. Simular es estudiar el comportamiento futuro de un sistema a partir de unas condiciones iniciales predeterminadas. Un escenario es el conjunto de condiciones, circunstancias o parámetros iniciales de los que se parte en una simulación. Generalmente se llama escenario 1 (hipótesis inicial) al que tiene unas condiciones iniciales que son los valores tomados de la realidad. Se realizan varias simulaciones en las que se van ajustando los parámetros hasta conseguir el mejor modelo.

MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE

LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA En un enfoque de caja negra, la Tierra es un sistema cerrado en el que entra y sale energía pero no materia. Desde un punto de vista térmico es un sistema en equilibrio dinámico.

LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA S(clima) = A U H U B U G U C Equilibrio dinámico

El Efecto Invernadero Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4, NO2.

El Efecto Albedo Porcentaje de la radiación solar reflejada por la tierra, del total de energía solar que recibe. Esta magnitud fue introducida por el astrónomo estadounidense W. C. Bond. Se mide con un número comprendido entre 0 y 1, después de haberse establecido que 0 es el albedo de un cuerpo que no refleja luz ninguna y 1 es el albedo de un cuerpo que refleja toda la luz incidente. El albedo de la nieve es próximo a 1 mientras que el del carbón es próximo a 0,05.

En el caso de un suelo iluminado, se tienen los siguientes valores: suelo árido 10% arena seca 20% bosque verde 10-20% nieve fresca 80%-95%. El albedo de la Tierra es aproximadamente del 30%; varía desde el 5% en la superficie de los océanos con tiempo despejado hasta el 85% en las regiones recubiertas de nubes espesas o de nieve.

Las nubes Doble acción: Aumentan el albedo. Incrementan el efecto invernadero. Su acción depende de la altura de las nubes: si la altura es baja aumentará el albedo y si el alta el efecto invernadero-

Polvo atmosférico Provocado por: Emisiones volcánicas Meteoritos Contaminación atmosférica

Volcanes Producen un doble efecto en función de los productos emitidos y la altura alcanzada. Descenso de la Temperatura: emisión de gran cantidad de polvo o abundante SO2 (reacciona con el agua dando lugar a H2SO4 que actúan como pantalla solar). El descenso de las temperaturas será más acusado y de mayor duración cuanto mayor altitud alcancen las emisiones ya que su permanencia en la atmósfera será más larga. Aumento de la Temperatura: por aumento del efecto invernadero (emisión de CO2) Este efecto no se hace evidente hasta que no desaparece el primero pero es más duradero. Descenso de temperatura a corto plazo y aumento a largo plazo .

Modelo funcionamiento del clima

Variaciones periódicas: Variaciones cíclicas de la temperatura terrestre (ciclos astronómicos de Milankovitch) Excentricidad Inclinación Predecesión Variaciones graduales: La radiación del Sol ha variado a lo largo de la historia del sistema solar.

Variaciones periódicas Excentricidad: La trayectoria de la Tierra alrededor del Sol cambia de más elíptica a más circular a lo largo de unos 100.000 años (cuanto más alargada más corta será la estación cálida).

Inclinación del eje: El ángulo de rotación terrestre oscila cada 41.000 años modificando las variaciones entre el día y la noche y entre las estaciones. Si el eje fuera vertical, el día y la noche tendrían la misma duración y no habría estaciones.

La posición del perihelio: La posición en el perihelio (punto de la órbita terrestre más cercana al sol) varía a lo largo de 25.800 años . Los veranos son más calurosos en el perihelio que en el efelio. Los inviernos son más fríos en el efelio que en el perihelio

HIPÓTESIS GAIA (Lovelock) Considera la Tierra como un sistema homeostático cuya temperatura se autorregula por la interacción entre los subsistemas que lo componen (la biosfera tiene un papel fundamental) El planeta Tierra y la vida han coevolucionado y se han influido mutuamente. El planeta tiene capacidad de control más allá de los mecanismos químicos. Se comporta como un ente vivo

HIPÓTESIS GAIA (Lovelock) La génesis de GAIA ocurrió cuando se buscaban indicadores de vida en otros planetas. El equilibrio químico de la atmósfera de un planeta debe poseer un índice muy alto de entropía (desorden). La existencia de una atmósfera con una entropía baja, en la que hay demasiado metano, o demasiado oxígeno, o cualquier otro ordenamiento químico anómalo, es un indicador de la presencia de vida. La vida la que altera el equilibrio químico y lo ordena.

Evolución de la atmósfera

Evolución de la atmósfera Al comienzo de la historia de la Tierra la concentración de CO2 era muy elevada (efecto invernadero acusado). Temperaturas semejantes a las actuales aunque la energía del Sol era menor. Reducción de CO2 e incremento de la energía del Sol se por lo que no se produjo un cambio significativo en la temperatura de la superficie terrestre. Aparición de organismos fotosintéticos Fijación del CO2 atmosférico en materia orgánica Acumulación en forma de combustibles fósiles Aparición del oxígeno atmosférico Formación de la capa de ozono Aumento del nitrógeno atmosférico