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Tema 1: Medioambiente y dinámica de sistemas
1. El medioambiente
“Conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo, sobre los seres vivos y las actividades humanas.”
(Conferencia Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano, Estocolmo, 1972)
1. El medioambiente
• Componentes físico-químicos atmósfera, hidrosfera y geosfera.
• Biológicos seres vivos (biosfera)
• Sociales humanidad (antroposfera)
Todos estos componentes interaccionan entre sí y lo que ocurre en un uno tiene repercusión en los otros, sobre todo en los seres vivos y las actividades humanas.
1. El medioambiente
Medio natural
Atmósfera
Biosfera Geosfera
Hidrosfera
Antroposfera
Todos los componentes del medioambiente están interrelacionados de forma que cualquier intervención en el entorno, por puntual que sea, provoca un efecto dominó.
1. El medioambiente
Ejemplos:
¿Qué ocurriría si aumentamos el consumo de combustibles fósiles?
¿Qué consecuencias tiene la tala de árboles?
1. El medioambiente
El estudio del medio ambiente es interdisciplinar:
Medioambiente
Economía Ecología
Medicina
Sociología
Derecho
Biología
Física
Geología
Química
Arquitectura
Ingeniería Matemáticas
Geografía
1. El medioambiente Métodos de estudio:
• Reduccionista: consiste en fragmentar el objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado. (cuento hindú, pag. 8)
• Holístico: consiste en estudiar el todo y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Con este enfoque se ponen de manifiesto las propiedades emergentes resultantes de las relaciones entre sus componentes.
¿Qué método creeis que es el adecuado para estudiar el medio ambiente?
1. El medioambiente
“El todo es más que la suma de sus partes” Aristóteles.
• El método adecuado para el estudio del medio ambiente es el enfoque holístico.
• Son métodos complementarios, la metodología holística aprovecha los conocimientos adquiridos gracias al reduccionismo.
2. Sistema y dinámica de sistemas
Sistema: conjunto de partes interrelacionadas y del que interesa considerar fundamentalmente el comportamiento global.
Ejemplos de sistemas: el cuerpo de un ser vivo, una fábrica, un ecosistema, etc.
2. Sistema y dinámica de sistemas
Dinámica de sistemas: metodología necesaria para el estudio de los sistemas desde un punto de vista holístico.
Implica conocimientos de distintas disciplinas (ecología, medicina, sociología, etc) y un punto de vista integrador.
Consiste en observar y analizar las relaciones e interacciones existentes entre la partes de nuestro objeto de estudio recurriendo al uso de modelos.
3. Uso de modelos Modelos: versiones simplificadas de la realidad.
Son necesarios para estudiar la dinámica de sistemas.
Un modelo no es aplicable fuera del entorno para el que fue formulado.
El diseño de los modelos depende de la subjetividad del que los diseña.
Deben ser eliminados los detalles irrelevantes.
Se denominan variables los aspectos mensurables (medibles) de esa realidad.
3. Modelos de sistemas de caja negra
Los sistemas reales se pueden representar mediante modelos de sistemas, a los que se denomina sistemas.
Sistemas de caja negra: es una representación en la que sólo nos interesa las entradas y salidas de materia, energía e información (los intercambios con el entorno) del sistema, no los elementos e interacciones que ocurren en su interior.
3. Modelos de sistemas de caja negra
• Para diseñar un modelo de caja negra: 1. Marcar sus límites (aunque sean arbitrarios). Nos
ayudarán a aislarlo de la realidad y a determinar lo que está fuera y lo que está dentro de él.
2. Señalar las entradas y salidas que existen
Sistema Entradas Salidas
3. Modelos de sistemas de caja negra
3.1 Tipos de sistemas caja negra:
Abiertos: en ellos se producen entradas y salidas de
materia y energía.
3. Modelos de sistemas de caja negra
3.1 Tipos de sistemas caja negra:
Cerrados: en ellos no hay intercambio de materia pero sí
de energía.
3. Modelos de sistemas de caja negra
3.1 Tipos de sistemas caja negra:
Aislados: en ellos no hay intercambio de materia ni de
energía.
3. Modelos de sistemas de caja negra
3.2 La energía en los sistemas
• Cualquier modelo de caja negra debe cumplir los principios de la termodinámica.
1ª ley de la termodinámica: conservación de la energía.
“La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma”
Energía que entra = energía almacenada + energía saliente
3. Modelos de sistemas de caja negra
3.2 La energía en los sistemas
2ª ley de la termodinámica: la entropía.
Entropía: magnitud termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema.
En cada transferencia de energía, la energía se transforma y pasa de una forma más concentrada y ordenada a otra más dispersa y desorganizada aumenta la entropía.
4. Modelos de sistemas de caja blanca • Sistema de caja blanca: cuando observamos el interior del
sistema y las interacciones que se establecen en él.
• Para diseñar un modelo de caja blanca: 1. Marcar las variables que lo componen. 2. Unir las con flechas que las relacionen entre sí y que
representan las interacciones.
Importante: variables estrictamente necesarias
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Son las relaciones que se establecen entre las variables de un sistema de caja blanca.
Pueden ser de dos tipos Simples
Complejas
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Simples:
a) Directas o positivas: “el aumento de A, causa un aumento de B” y “una disminución de A causa una disminución de B”. Se indican con un signo + encima de la flecha.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Simples:
b) Inversas o negativas: “el aumento de A, causa una disminución de B” y “una disminución de A causa un aumento de B”. Se indican con un signo - sobre la flecha.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Simples
c) Encadenadas: formadas por más de dos variables unidas mediante flechas. Para interpretar la información hay que leerlas dos a dos.
Podemos reducirlas a una sola relación contando el número de relaciones negativas que haya: Si el número es par (el 0 es par) la relación resultante
será positiva. Si el número es impar la relación será negativa.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Simples:
c) Encadenadas:
• Ejercicio 3
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Complejas:
a) Bucles de realimentación positiva: “al aumentar A, aumenta B y al aumentar B, aumenta A”
Se establecen en cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones negativas.
Se indican con un signo + en el centro de un círculo.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.1 Relaciones causales
Complejas:
a) Bucles de realimentación negativa: “al aumentar A, aumenta B y al aumentar B, disminuye A”
Se establecen en cadenas cerradas que tienen un número impar de relaciones negativas.
Se indican con un signo - en el centro de un círculo.
• Ejercicio 4, 5, 6 y 7
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
El número de nacimientos es proporcional a la población existente y el aumento de población, a su vez hará crecer el número de nacimientos.
Se denomina tasa de natalidad (TN) al número de individuos que nace por cada uno que existe en la población.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
La TN tiene un valor fijo para cada ser vivo, pero puede reducirse por condiciones adversas del medio (falta de alimento, de espacio…)
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
La evolución de la población o trayectoria se representa mediante una curva exponencial o curva en J.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
Con la fórmula N=N0.eTN.t se puede calcular el tamaño de una población en cualquier momento.
Es más sencillo calcularlo con la siguiente fórmula: Nt+1=Nt+Nt.TN ya que permite calcular el tamaño de una población, teniendo como referencia la del año anterior.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
El bucle de retroalimentación positiva refleja la potencialidad del sistema para crecer descontroladamente, se dice que representa un comportamiento explosivo.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
En las poblaciones existe además un bucle de retroalimentación negativa, establecidos por las defunciones.
Se denomina tasa de mortalidad al número de defunciones por cada individuo que hay en la población.
Las defunciones anuales se calculan multiplicando el tamaño de la población por TM
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
Existen unos valores de TM teóricos para cada especie, pero igualmente se ve afectada (aumentada o disminuida) por el ambiente.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
La trayectoria es una curva exponencial decreciente, que lleva a la población al colapso, a la extinción.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
Cualquier población está regulada por ambos bucles, el bucle de los nacimientos (+) impulsa a la población, mientras que el bucle de las muertes (-), establece el control.
4. Modelos de sistemas de caja blanca Análisis del tamaño de una población El crecimiento anual de una población se determina con la
siguiente fórmula:
Nt+1= Nt +Nt .TN – Nt .TM
Sacando factor común: Nt+1=Nt(1+TN-TM)
r=TN-TM Se denomina potencial biótico
Nt+1= Nt (1+r)
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
La población de un año es igual a la población del año anterior por el potencial biótico más uno.
Tres casos posibles: • Si r>0 Las entradas por nacimiento superan a las salidas por
defunción vence el bucle positivo crece la población. • Si r<0 vence el bucle negativo la población presentará un
declive (colapsará si llega a = 0) • Si r=0 las entradas son iguales a las salidas crecimiento 0 =
estado estacionario la población se encuentra en equilibrio dinámico.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
La población de un año es igual a la población del año anterior por el potencial biótico más uno.
Tres casos posibles: • Si r>0 Las entradas por nacimiento superan a las salidas por
defunción vence el bucle positivo crece la población. • Si r<0 vence el bucle negativo la población presentará un
declive (colapsará si llega a = 0) • Si r=0 las entradas son iguales a las salidas crecimiento 0 =
estado estacionario la población se encuentra en equilibrio dinámico.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
¿Cuándo se coloniza un espacio? ¿Cómo será r?
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
Cuando se coloniza un espacio, se dispone de alimento y recursos, su potencial biótico es alto.
Al aumentar la población disminuirán los recursos y aumentarán las muertes.
Finalmente los bucles se igualan y se establece un crecimiento 0 y se alcanza el límite de carga.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
El límite de carga o capacidad de carga: es el número máximo de individuos que se puede mantener el sistema.
4. Modelos de sistemas de caja blanca
Análisis del tamaño de una población
• Actividad 9
4. Modelos de sistemas de caja blanca
5.2 Pasos a seguir para modelar un sistema
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.1 La Tierra como sistema de caja negra:
Se puede considerar la Tierra como un sistema cerrado:
• Entra y sale energía. La energía que entra es radiación electromagnética
procedente del sol y la que sale es la radiación reflejada y la infrarroja procedente de la superficie.
• No hay intercambio de materia
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2 La Tierra como sistema de caja blanca:
La maquinaria climática es el sistema de caja blanca que controla el clima terrestre y que está formado por una serie de subsistemas interrelacionados:
• Atmósfera (A)
• Hidrosfera (H)
• Geosfera (G)
• Biosfera (B)
• Criosfera
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2 La Tierra como sistema de caja blanca:
Para hacer predicciones meteorológicas:
• Muy corto plazo (horas o días) se estudian las variaciones de la atmósfera
(presión, humedad, temperatura y vientos)
• Predicciones de entre 1 y 10 años se analizan las interacciones A U H U G: cambios en las corrientes atmosférica y oceánicas superficiales y el efecto de erupciones volcánicas.
(U representa la interacción entre subsistemas)
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2 La Tierra como sistema de caja blanca:
Para hacer predicciones meteorológicas:
• Predicciones de entre 10 y 100 años interacciones entre todos los
subsistemas (A U H U G U B U C): cambios en la concentración de gases atmosféricos, en las corrientes marinas profundas, en la superficie cubierta por hielo y los producidos por la acción de los seres vivos.
• Predicciones a más largo plazo más complejos (variaciones órbita, mares y continentes, etc)
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.1 El efecto invernadero y su incremento
• Se origina en los 12 primeros km de la atmósfera por la presencia de
CO2, CH4, N2O y vapor de agua, principalmente.
• Son transparentes a la radiación solar, que los atraviesa, pero no a la
radiación infrarroja, procedente de la superficie de la Tierra calentada
por el sol. Retienen este calor incrementando la temperatura de la
atmósfera.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.1 El efecto invernadero y su incremento
• El efecto invernadero permite que haya una temperatura media en la
Tierra de 15ºC, ideal para la vida.
• La concentración de estos gases no es constante varía con el ciclo del
agua y el ciclo del carbono.
• No hay que confundirlo con el incremento del efecto invernadero,
que supone un desmesurado aumento de los gases de efecto
invernadero como resultado de las actividades humanas
(combustibles, deforestación, incendios, etc.)
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.1 El efecto invernadero y su incremento
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.2 El efecto albedo
El albedo es el porcentaje de radiación solar reflejada por la Tierra del total que recibimos del Sol.
Cuanto más claras son las superficies, mayor es el efecto albedo y por tanto, menor su temperatura.
Al aumentar la superficie helada, disminuye la temperatura y por tanto aumentará dicha superficie.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.2 El efecto albedo
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.2 El efecto albedo
Como consecuencia del efecto invernadero han mermado mucho los glaciares
¿Qué consecuencia tiene eso sobre el albedo? ¿Y sobre el clima global?
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.3 Las nubes
Las nubes tienen una doble acción sobre el clima:
1. Incrementan el albedo, reflejando radiación solar.
2. Devuelven a la superficie radiación infrarroja, incrementando el efecto invernadero.
El tipo de efecto predominante dependerá de donde están las nubes, si las nubes están bajas aumentará el albedo, si la nube está alta, aumentará el efecto invernadero.
6. Modelos de regulación del clima terrestre
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.4 La existencia de polvo atmosférico
El origen del polvo atmosférico es variado: erupciones, incendios, contaminación, etc.
La luz solar no atraviesa el polvo atmosférico y es reflejada hacia el espacio.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.5 Volcanes
Las erupciones volcánicas tienen un doble efecto sobre el clima, depende de los productos emitidos y la altura alcanzada por estos.
1. Descenso de la temperatura: si liberan a la atmósfera gran
cantidad de polvo o abundante SO2.
• El polvo impide la entrada de radiación y el SO2 reacciona con el agua y forma unas espesas brumas de H2SO4 que actúan como pantalla solar.
• El efecto será mayor cuanto mayor altitud hayan alcanzado las emisiones, ya que su permanencia en la atmósfera será mayor (cenizas unos dos años; H2SO4 más tiempo)
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.5 Volcanes
2. Aumento de la temperatura: por aumento del efecto invernadero consecuencia de las emisiones de CO2. Este efecto se manifiesta cuando desaparece el primero y es mucho más duradero.
Ejemplo: Krakatoa (1883) descendió temepratura terrestre 0,8º durante 7 años y luego aumentó 0,4º hasta 1940.
6. Modelos de regulación del clima terrestre
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.6 Las variaciones de la radiación solar incidente.
En los modelos consideramos la radiación solar constante, pero esto no es así, ha variado a lo largo de los tiempo, de forma periódica y de forma gradual.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.6 Las variaciones de la radiación solar incidente.
Variaciones periódicas: • Variaciones cíclicas de la temperatura que se atribuyen a los ciclos
astronómicos de Milankovitch.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.6 Las variaciones de la radiación solar incidente.
Variaciones periódicas: • Estos ciclos se deben a tres factores:
1. La excentricidad de la órbita terrestre. La trayectoria que describe la Tierra en torno al Sol (traslación) varía desde más circular a más elíptica cada 100.000 años.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.6 Las variaciones de la radiación solar incidente.
Variaciones periódicas: • Estos ciclos se deben a tres factores:
2. La inclinación del eje: La inclinación del eje cambia a lo largo de 41.000 años. Actualmente forma un ángulo de 23º27´. El ángulo determina la duración del día y la noche y las estaciones.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.6 Las variaciones de la radiación solar incidente.
Variaciones periódicas: • Estos ciclos se deben a tres factores:
3. La posición del perihelio: varía a lo largo de 25.800 años. En la actualidad la Tierra está en el perihelio en el invierno del HN. Hace más calor en los veranos del perihelio (HS), que en los del afelio. Y los inviernos del afelio (HS) son más fríos que los del perihelio.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.6 Las variaciones de la radiación solar incidente.
Variaciones graduales: gradualmente el sol va emitiendo más calor. En la actualidad un 30% más que cuando se originó la vida.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
La Tierra es un planeta homeostático, su temperatura se regula por las interacciones de los distintos subsistemas, incluida la biosfera rebaja la concentración de CO2 atmosférico.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
Al comienzo de la historia de la Tierra la concentración de CO2 era muy elevada (cerca del 20%) efecto invernadero muy elevado temperatura similar a la actual aunque el Sol emitía menos energía.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
La disminución del CO2 atmosférico • La que se observa entre los 4000 y 300
años se debe a que se disuelve fácilmente en agua.
• Posteriormente la disminución de hace unos 3000 millones de años se debe a la aparición de los primeros organismos fotosintéticos, las cianobacterias.
6. Modelos de regulación del clima terrestre
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
La aparición de los organismos fotosintéticos tuvo las siguientes consecuencias:
1. Reducción de los niveles de CO2 atmosférico. Este CO2 está almacenado en forma de biomasa (materia orgánica que constituyen los seres vivos) y combustibles fósiles.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
2. Aparición de O2 atmosférico .
• Se produce en la fotosíntesis al romperse una molécula de agua para obtener poder reductor.
• Al principio el oxígeno permanecía en el agua formando óxidos de hierro y azufre.
• Hace unos 2000 millones de años, el agua se saturó y comenzó a liberarse a la atmósfera
• La concentración ha ido aumento hasta el 21% ha provocado la aparición de más organismos aerobios, que utilizan este gas para la respiración.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
3. Aparición de la capa de ozono.
• La abundancia de oxígeno atmosférico permitió la aparición de la capa de ozono (O3 ) que nos protege de los rayos del Sol, hace unos 600 m.a.
• Permitió la expansión de los seres vivos sobre los continentes.
6. Modelos de regulación del clima terrestre 6.2.7 Las influencia de la biosfera
4. Aumento del nitrógeno atmosférico.
• Las reacciones metabólicas de los seres vivos realizadas a partir de óxidos nitrosos ha provocado el aumento paulatino del nitrógeno atmosférico hasta el 78% actual.